Uzay zaman blok kodlarını kullanan röleli sistemlerin genelleştirilmiş sönümlemeli kanallardaki hata performans analizi
Error performance analysis of stbc coded relaying systems in generalized fading channels
Yazar: ASYA MAHMUTOĞLU
Danışman: DOÇ. DR. İBRAHİM ALTUNBAŞ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Telekomünikasyon Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2009
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Nakagami dağılımı = Nakagami distribution ; Uzay-zaman = Space-time ; Çeşitlilik = Diversity

Özet:
Günümüzde yeni nesil telsiz haberleşme sistemlerinden beklenen, olabildiğince kaliteli ve hızlı, az bandgenişliği ve az güç gerektiren iletimin sağlanabilmesidir. Alınan işaretteki kalitenin düşme sebebi, işaretin birtakım bozucu etkilere maruz kalmasıdır. Bu bozucu etkiler, kanalın sönümleme etkisi, gürültü ve girişimdir. Her kanal tipinin karakterine göre ayrı bir sönümleme etkisi vardır. Vericiden yola çıkıp alıcıda toplanacak olan işaretlerin sönümleme ve girişim etkilerinden minimum şekilde etkilenmesi için kullanılan önemli bir teknik çeşitlemedir.Çeşitleme genellikle uzayda (anten), zamanda ve frekansta yapılır. Verici ve alıcıda birden fazla anten kullanılması bu iki birim arasında birden fazla yolun kurulmasını ve sonuçta sönümlemenin etkisinin azalmasını sağlar. Böylece çok girişli çok çıkışlı (multiple input multiple output, MIMO) kanal sağlanmış olur. Çok anten kullanımı üçüncü nesil telsiz haberleşme sistemlerinin standartlarına girmiş bulunmaktadır. Verici anten çeşitlemesi ile kodlama birleştirilerek uzay zaman kodlaması elde edilir. Bu yolla, band-sınırlı kanallarda yüksek hızlarda kaliteli iletim sağlanabilmektedir.Bazı durumlarda çok antenli yapı, gerek hücresel sistemlerde gerekse tasarsız (ad-hoc) gezgin ağlarda olsun vericideki boyut ve güç kısıtlamalarıyla karşı karşıya kalabilmektedir. Röleli sistemler kullanılarak çok antenli yapının bu dezavantajından kurtulurken bir taraftan da spektral verimlilik ve güç kazancı sağlanır. Böylece tek bir birimde birden fazla anten bulundurmadan uzay çeşitlemesi sağlanmış olur.Son yıllarda yapılan araştırmalar, röleli yapıların sistemin performansını tek antenli yapılara göre arttırdığını göstermektedir. Belirli işaret gürültü oranında elde edilen düşük hata olasılığı, iletim hızının arttırılabileceğini göstermektedir. Ayrıca sınırlı olan kanal kapasitesine daha düşük işaret gürültü oranları kullanılarak ulaşılacağı anlamına da gelmektedir. Röleli yapılarla elde edilen bu performans iyileşmesi, rölelerde birden fazla anten kullanımı ile daha da arttırılabilir.Bu çalışmada, uzay zaman blok kodu (space time block codes, STBC) kullanan MPSK modülasyonlu röleli sistemlerin Nakagami kanallardaki hata performans analizi yapılmaktadır ve bu yolla hata performansının iyileşeceği gösterilmektedir. Böylece tek bir birimde çok anten kullanımına dair bir kısıtlama yoksa uzay-zaman blok kodların avantajlarıyla röleli yapıların avantajları birleştirilmektedir. Çiftsel hata olasılığı üst sınırları (pairwise error probability, PEP) ve asimptotik çeşitleme dereceleri belirlenerek Nakagami kanaldaki m değişkeninin farklı değerleri için hata performansları karşılaştırılmaktadır. Sistem tasarımı sırasında şartlara göre en uygun modülasyon çeşidinin seçilmesi sistemin esnekliği açısından önem taşır. 8PSK ve QPSK'nın hata performans analizleri yapılmaktadır. Ayrıca tek röleli sistem (kaynak, röle ve alıcıda çok anten mevcut) genelleştirilerek çok röleli (kaynak, röle ve alıcıda çok anten mevcut) sistem yapısı oluşturulmaktadır. Çiftsel hata olasılığı üst sınırları ve asimptotik çeşitleme dereceleri tespit edilerek hata performans analizi yapılmaktadır. Böylece tek röleli duruma göre daha başarılı hata eğrileri elde edilmektedir.

Abstract:
Nowadays, there is an increasing demand for wireless multimedia and interactive internet services, which require much higher speed, transmission quality, better power efficiency compared to current communication systems. The main reasons of low quality in received signals are variety of destructive factors, such as interference, noise, and fading. According to the characteristic of each channel type, there are different fading effects. Diversity technique is one of the important techniques to minimize the fading and interference effects of the signals. In other words, it is one of the most important contributors to reliable wireless communications.Generally, diversity can be achieved with three different methods, in space (antenna), in time, and in frequency. Using more than one antenna in transmitter and receiver provides more than one communication path between the terminals which leads to decreasing the fading effects. Hence a multi input- multi output channel can be generated. Using multi antenna has been set to standards of third generation wireless systems. Space-time codes can be obtained by combining transmitter antenna diversity and coding. By using this technique, high speed rates can be achieved in band-limited channels.Despite of the multiple-antenna techniques? advantages the use of a large antenna array might not be practical at the cellular mobile devices as well as in ad-hoc mobile networks, due to the size and power limitations of the mobile terminals. By using relay systems, while getting out of disadvantages of multi-antenna, spectral effiency and power gain can be provided at the same time. In this way, distributed space diversity can be achieved without placing multi-antenna in a unit.Recent researches show that the overall system performance is increased in relay systems with respect to the conventional one-antenna systems. Low error rate in specific SNR ensures the increase of the transmission rate. Also, it means that limited channel capacity can be reached by using lower SNR values. Additional multiple-antenna usage on the units improves the error performance in relaying systems.In this thesis, space-time block codes (STBC) with MPSK modulation have been structured in relaying systems for Nakagami channels and their performance analysis has been done. Thus if there is no limitation to use multi-antenna in one unit, the advantage of space-time coding and relay systems are associated.The upper bound of pairwise error probability (PEP) and asymptotic diversity orders have been determined, the error performance for different values of variable m in Nakagami channel have been compared. In system design, choosing best modulation type is important for flexibility of the system according to the conditions. Error performance analysis has been done for 8PSK and QPSK. Besides, one-relay system (multi-antenna source, relay and receiver), has been generalized and multi-relay systems (multi-antenna source, relay and receiver) have been formed. For that kind of systems, PEP analysis has been done and asymptotic diversity orders have been obtained. Thus, according to performance analysis perspective better results have been observed compared to the one relay systems.