Çöz ve aktar röleli iletim sistemlerinin başarım analizleri
Performance analysis of decode and forward relayed transmission systems
Yazar: YAKUP ŞAHİN
Danışman: PROF. DR. TANSAL GÜÇLÜOĞLU ; DOÇ. DR. EYLEM ERDOĞAN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Haberleşme Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Telsiz haberleşme sistemlerindeki veri hızı ihtiyacı gittikçe artmaktadır. Yeni nesil teknolojiler için Gbps mertebelerinde veri hızları, ultra düşük gecikme süreleri, daha fazla güvenilirlik, daha geniş ağ kapasitesi, genişletilmiş erişilebilirlik hedeflenmektedir. Bu nedenle Nakagami-m sönümleme gibi kablosuz kanalların bozucu etkilerini azaltmaya ve aktarılan veri miktarının artırılmasına yönelik yeni teknikler önerilmektedir. Bu tekniklerden birisi olan çok girişli çok çıkışlı (MIMO: Multiple Input Multiple Output) iletim sistemlerinde alıcı ve verici tarafında birden fazla anten kullanarak kanalın bozucu etkilerine karşı koruma ve dolayısıyla servis kalitesinin artması sağlanmakta, kesinti olasılığı ve sembol hata olasılıklarında önemli derece iyileşme elde edilmektedir. Örneğin, verici tarafta maksimum oranlı iletim (MRT: Maximum Ratio Transmission) ve alıcı tarafta maksimum oranlı birleştirme (MRC: Maximum Ratio Combining) yöntemleri karmaşıklığı düşük olduğundan pratikte kolayca uygulanabilir ve tam-çeşitleme sağlayarak güvenilirliği artırabilmektedir. 

Kapsama alanını ve hata başarımlarını geliştirmek için röleleme metotları da güncel teknolojilerden bir tanesidir. Rölede; kuvvetlendir ve aktar (AF: Amplify and Forward) ile alınan sinyaller kuvvetlendirilip aktarılırken, çöz ve aktar (DF: Decode and Forward) ile önce sembol çözülür ve sonrasında hedefe aktarılır. İki kaynak birbiri ile haberleşmek istediğinde tek yönlü kanallarda kullanılan zaman dilimlerini azaltmak için iki yönlü röleli sistemler (TWRN: Two Way Relay Network) geliştirilmiştir. TWRN ile verimlilik artırılmaktadır. Frekans bandının verimli kullanılması için yarı çift yönlü (HD: Half Duplex) sistemler yerine tam çift yönlü (FD: Full Duplex) sistemler önerilmektedir. Aynı frekans kullanıldığından rölede öz-girişim (SI: Self Interference) olarak adlandırılan bir girişim oluşmaktadır.

Kanalın olumsuz etkilerini azaltmak için kullanılan diğer yöntemlerden birisi çok taşıyıcılı sistemlerdir. En çok kullanılan çok taşıyıcılı dalga biçimlerinden biri ortogonal frekans bölmeli çoğullama (OFDM: Orthogonal Frequency Division Multiplexing), her ne kadar pratikteki telsiz iletim sistemlerinde yaygınca kullanılsa da son zamanlardaki yeni nesil dalga formlarından olan genelleştirilmiş frekans bölmeli çoğullama (GFDM: Generalized Frequency Division Multiplexing) yöntemi ile OFDM'in yüksek PAPR ve bantd-dışı-yayınım dezavantajlarının azaltılması mümkündür. Bu teknikte genelleştirilmiş filtreler dar alt-kanallara uygulanabilmektedir ve ayrıca GFDM, MIMO teknikleri ile birleştirilerek kullanılabilmektedir.

Bu tezde; DF-MRT tabanlı TWRN sistem, DF-MRT tabanlı FD sistem, ve GFDM-MRT tabanlı DF sistem modelleri ele alınarak çeşitli performans kriterlerine göre analitik ifadeler çıkarılmakta, türetilen tüm ifadeler simülasyon sonuçlarıyla test edilmekte ve farklı sistem parametreleri için başarım örnekleri sunulmaktadır.

Abstract:
The demand for larger data rates in wireless communication systems is increasing since the internet of things applications, social media usage and the need for everyone to produce and communicate video content. Hence, a number of techniques have been proposed to improve quality of service and reduce the detrimental effects of wireless channels such as Nakagami-m fading. One of these techniques is MIMO (Multiple Input Multiple Output) systems which can utilize multiple antennas on the receiver and transmitter sides to provide more diversity and reduce outage and symbol error probabilities or increase data rates. For example, maximum ratio transmission (MRT) on the transmitter side and maximum ratio combining (MRC) on the receiver side can achieve full diversity gain to improve reliability. 

Relaying techniques also increase coverage area and diversity. The signals received by AF (Amplify and Forward) relay are amplified and transmitted while in DF (Decode and Forward), the symbols are first decoded and then transmitted. When two sources want to communicate with each other over a single relay, two-way relay network (TWRN) can be used to complete transmission in two/three time slots, thus efficiency can be increased. To improve the spectral efficiency of relayed transmission, FD (full duplex) relaying can be implemented instead of HD (half duplex) relaying. Since the same frequency band at the relay for both transmission and reception is used, it generates a self-interference (SI). Interference can degrade the error performance, thus the investigation of the FD relaying over different wireless channels has become popular. 

Another method used to reduce the negative effects of fading channels is multi-carrier transmission systems. OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) is widely used in practice, recently, it is aimed to reduce high PAPR and out-of-band radiation disadvantages of OFDM. GFDM (Generalized Frequency Division Multiplexing) can be good candidate for next generation wireless systems since narrowband filters can be used while combination with MIMO is still possible. 

In this thesis, the mathematical expressions of performance metrics of the MRT based DF-TWRN system, MRT based FD-DF system and GFDM-MRT based DF system are studied. All analytical performance results are tested with simulations.