Bilişsel radyo ağları için uzaysal modülasyonlu spektrum paylaşım protokolleri
Spatially modulated spectrum sharing protocols for cognitive radio networks
Yazar: SEDA ÜSTÜNBAŞ
Danışman: PROF. DR. HASAN ÜMİT AYGÖLÜ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Telekomünikasyon Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Yeni nesil iletişim teknolojileri için enerji verimliliği ve spektral verimlilik arasındaki uzlaşma en önemli sorundur. Verici ve/veya alıcılarda çok anten kullanılan çok-giriş çok-çıkışlı (MIMO) sistemler veri hızı ve enerji verimliliği için gelecek vaadeden bir yaklaşımdır. Ancak, MIMO sistemlerde antenler arası eşzamanlama (IAS) ve  kanallar arası girişim (ICI) gibi problemler vardır. M'li genlik/faz modülasyonunun yanı sıra anten indisleriyle de bilgi taşıyan uzaysal modülasyon  (SM) verici antenlerinden yalnız biriyle iletim yaparak hem bu problemlere çözüm oluşturur hem de karmaşıklığı düşürür.  Her işaretleşme aralığında sadece bir anten etkin olduğundan vericide tek RF devre kullanmak yeterlidir. Bu yüzden SM enerji verimlilikli bir tekniktir.  Anten indisleri ile fazladan bilgi taşıdığı için aynı zamanda spektral verimli bir tekniktir. Sadece anten indisleri ile bilgi ileten uzay kaydırmalı anahtarlama (SSK) SM'in özel bir biçimidir.

Bilişsel radyo (CR), ikincil (lisanssız) kullanıcıların spektrumun asıl sahibi olan birincil (lisanslı) kullanıcıların başarımlarını kötü etkilemeden lisanslı spektruma erişmelerini sağlayarak spektrum kıtlığına ve spektrumun verimsiz kullanımına çözüm oluşturan başka bir tekniktir. CR'de ikincil kullanıcılar etraflarındaki ulaşılabilir spektrumları algılayabilen, çevrelerini analiz edebilen ve erişim teknolojileri, frekans gibi parametrelerini ayarlayabilen akıllı aygıtlar olmak zorundadırlar. Bilişsel radyoda üç erişim yaklaşımı vardır: Altına serme, üstüne serme ve araya karıştırma. Altına serme yaklaşımında ikincil kullanıcılar birincil alıcıda oluşacak girişimin önceden belirlenen bir eşik değerinin altında kalması koşuluyla birincil kullanıcıyla aynı anda ve/veya aynı frekansta iletim yapabilirler. Üstüne serme yaklaşımında ise ikincil kullanıcılar işbirliği yapmak gibi birincil kullanıcıların başarımlarını geliştirici etkinliklerde bulunurken aynı anda lisanslı spektrumdan yararlanabilirler. Araya karıştırma yaklaşımında ise ikincil kullanıcılar, birincil kullanıcıların lisanslı spektrumun kullanmadıkları frekans bandlarını veya hangi zamanda kullanmadıklarını kestirip bu spektrum boşluklarından iletimlerini gerçekleştirmeye çalışırlar.  Literatürde bu erişim teknolojilerinden herhangi ikisini birleştiren protokoller de önerilmiştir.
 
Bu tezde,  işbirlikli iletişim ve SM tekniklerini birleştiren üstüne serme yaklaşımına dayalı iki farklı spektrum paylaşım protokolü önerilmiştir. İlk protokolde, birincil verici (PT) ilk zaman aralığında kendi M'li genlik/faz modülasyonlu işaretini  birincil alıcıya (PR) iletmektedir. Bu işaret lisanslı spektruma erişmek isteyen  ikincil verici (ST) tarafından da dinlenmektedir. Birincil kullanıcı için röle görevi gören ST benimsediği röle iletim stratejisine göre bu işareti işlemektedir. İkinci zaman aralığında, ST birincil ve ikincil bilgileri sırasıyla M'li genlik/faz modülasyonu ve anten indisleri ile taşıyan bir SM işareti PR ve ikincil alıcı (SR)'ye iletmektedir. PR geleneksel M'li genlik/faz modülasyonu ile ilgilenirken SR de kendi bilgi bitlerine erişmek için  gelen SM işareti SSK bir işaret gibi düşünüp anten indisleriyle ilgilenir. ST üç farklı röle iletim stratejisi benimsemektedir: kuvvetlendir-ve-aktar (AF), artımlı kuvvetlendir-ve-aktar (IAF) ve seçmeli çöz-ve-aktar (SDF). ST AF iletim stratejisini benimsediğinde,  ilk zaman aralığında gelen gürültülü işaretin kuvvetlendirilmiş bir kopyasını ikinci zaman aralığında iletmektedir. ST IAF iletim stratejisini benimsediğinde, ilk zaman aralığında gelen gürültülü işaretin kuvvetlendirilmiş bir kopyasını PT ile PR arasındaki doğrudan iletim kanalı servis dışı ise iletmektedir; aksi takdirde, PR kendi bilgisine yalnızca doğrudan iletimi kullanarak  erişirken ST de geleneksel SSK modülasyonu ile ikincil bilgiyi SR'ye iletmektedir.  ST SDF iletim stratejisini benimsediğinde, ilk zaman aralığında PT'den gelen işareti PT ve ST arasındaki kanal servis dışı değilse çözmekte ve yeniden üretip  ikinci zaman aralığında iletmektedir; aksi takdirde, birincil bilgiye doğrudan iletimi kullanarak erişmek isteyen PR'de hata yayılımına neden olmamak için sessiz kalmaktadır. Birincil ve ikincil kullanıcılar için bit hata olasılığı kuramsal olarak hesaplanmış ve sonuçlar bilgisayar benzetim sonuçları ile desteklenmiştir. Önerilen protokol  tüm düğümlerinde M'li genlik/faz modülasyonu uygulayan ve ST'de güç paylaşımı yardımıyla süperpozisyon kullanarak kullanıcıların bilgilerini birleştiren iki referans yapı ile karşılaştırılmıştır. Bu referans yapılardan biri SDF diğeri ise AF iletim stratejisini benimsemiştir. Örneğin PT'de BPSK modülasyonu  uyguladığında ve iki antenli ST, PT ile PR'nin ortasındayken PR'de 10^{-5} bit hata olasılığı için önerilen protokol referans yapılara göre 1 dB E_b/N_0 kazancı sağlamaktadır. PR'deki alıcı anten sayısı arttırılarak ikiye çıkarıldığında SDF iletim için önerilen protokolün referans yapıya göre başarım kazancı  artarak 1.5 dB'ye çıkmaktadır. Ancak, iki alıcı anten varken ve AF iletim durumunda önerilen protokol 10^{-5} bit hata olasılığına 8 dB'de erişirken AF kullanan referans yapı 13 dB'de bu değere ulaşmaktadır. Ayrıca önerilen protokol ikincil kullanıcı açısından da referans yapılardan daha iyi bit hata başarımına sahiptir. PT BPSK modülasyonu kullanırken, ST, PR ve SR'de ikişer anten varken ve ST PT ile PR'nin ortasında iken SR'de 10^{-3} bit hata olasılığı gözönüne alındığında SDF ve AF iletim durumlarında referans yapılara göre 1 dB kazanç sağlamaktadır. Referans yapılarla karşılaştırmalar BPSK modülasyonu için verilmiştir; çünkü, yüksek veri hızlarında ST gücünün neredeyse tamamını birincil kullanıcıya harcadığından spektrum paylaşımı gerçekleştirilemez. Röle iletim stratejisi açısından birincil kullanıcı için en iyi bit hata başarımı SDF iletim ile sağlanmaktadır. Örneğin QAM ve dört verici anten için ve ST PT ile PR'nin ortasındayken iki antenli PR'de 10^{-6} bit hata olasılığına 8.2 dB'de erişilirken AF ile IAF iletim stratejileri ile 10 dB de bu değere ulaşılmaktadır. Ayrıca birincil kullanıcı için önerilen protokol her iletim stratejisi ile PT ile PR arasındaki doğrudan iletimden daha iyi bit hata başarımı sergilemektedir. 16QAM ve dört verici anten için  SDF röle iletim stratejisiyle önerilen protokol doğrudan iletime göre 10^{-5} bit hata olasılığı için 16.5 dB kazanç sağlamaktadır. İkincil kullanıcı için doğrudan iletim kanalının servis dışı kalma durumuna göre ST'den SSK iletimi yapılacağından düşük veri hızlarında en iyi bit hata başarımı IAF iletimde elde edilmektedir; ancak, yüksek veri hızlarında en iyi başarımı SDF iletim sağlamaktadır. Sonuç olarak önerilen protokol iki referans yapıdan daha iyi bit hata başarımı sergilemektedir. Çünkü referans yapılarda kullanıcıların birbirlerine karşılıklı girişimi fazladır ve yüksek veri hızlarında ST kendi iletimi için güç ayıramamaktadır. Ancak önerilen protokol ile ST'de SM uygulanarak hem güç paylaşım problemi ortadan kaldırılmış hem de kullanıcıların birbirlerine karşılıklı girişimi azaltılmıştır.


İkinci protokol olarak, fiziksel-katman ağ kodlama (PLNC) ve uzaysal modülasyon (SM) uygulayan üstüne serme yaklaşımına dayalı bilişsel çapraz ağ önerilmiştir. ST, SR ve röle (R)'den oluşan ikincil kullanıcı rölesini PT ve PR'den oluşan birincil kullanıcı ile paylaşarak spektruma erişmektedir. PT, PR, ST ve SR'nin bir dikdörtgenin köşelerinde, rölenin ise bu dikdörtgenin ortasında olduğu varsayılmaktadır. Vericiler uzaktaki alıcılarına bilgilerini iletmek istemektedirler ve güvenilir iletim için bir röle gerekmektedir.  Alıcılar diğer kullanıcıların vericilerine yakın olduğundan, her alıcı diğer kullanıcı bilgisini dinleyebilmektedir. Vericiler ve röle SM kullanmakta ayrıca R birincil ve ikincil kullanıcıların bilgi bitlerini birleştirmek için PLNC  kullanmaktadır. İlk zaman aralığında, PT ve ST aynı anda kendi bilgi bitlerini SM yardımıyla R'ye iletmektedir. SR ve PR sırasıyla birincil ve ikincil bilgi bitlerini çözmektedir. R birincil ve ikincil bilgi bitlerini aynı anda çözmekte ve bunlara XOR işlemi uygulayarak PLNC eşlenmiş bir SM işaret oluşturmaktadır. İkinci zaman aralığında, R PLNC eşlenmiş SM işareti SR ve PR'ye iletmektedir. Her alıcı diğer vericinin bilgisini ilk zaman aralığında çözdüğünden, istediği bilgi bitlerine diğer vericinin bilgisinin ve PLNC eşlenmiş SM işaretin ikili karşılıklarına XOR işlemi uygulayarak erişmektedir. Önerilen protokolün bit hata olasılığı kuramsal olarak hesaplanmış ve kuramsal sonuçlar bilgisayar benzetim sonuçlarıyla desteklenmiştir. Önerilen protokol tüm düğümlerinde M'li genlik/faz modülasyonu uygulayan referans sistemle karşılaştırılmaktadır. Röle tüm düğümlere birer birim uzaklıktayken ve alıcıların diğer kullancıların vericilerine uzaklığı 0.1 iken, tüm düğümlerinde QPSK modülasyonu uygulayan referans yapı BPSK modülasyonu ve iki verici anten kullanan önerilen protokolden çok az daha iyi bit hata başarımı sergilemektedir. Daha yüksek veri hızlarında ise önerilen protokol referans yapıdan daha iyi başarım sergilemektedir. Örneğin BPSK modülasyonu ve dört verici anten kullanan önerilen protokol 10^{-4} bit hata olasılığına 25.4 dB'de erişirken aynı veri hızında 8PSK kullanan önerilen protokol bu değere 27 dB'de ulaşır. Veri hızı arttıkça önerilen protokolün referans yapıya göre başarım kazancı da artmaktadır. Röle konumunun bit hata başarımına etkisi de incelenmiştir. R vericilerin tam ortasından alıcıların tam ortasına doğru dikey olarak hareket ettirilmiştir. En iyi bit hata başarımı röle dikdörtgenin tam ortasında olduğu durumda elde edilmiştir. Örneğin, alıcılar ile diğer kullanıcıların vericisi arasındaki uzaklık 0.5 ve röle dikdörtgenin ortasında iken, QPSK kullanan ve iki verici antenli önerilen protokol 10^{-4} bit hata olasılığına 15.4 dB'de erişmektedir. Ancak röle alıcıların ortasında ve vericilerden daha uzakta iken bu değere 18.8 dB'de ulaşmaktadır. R vericilerin ortasında ve alıcılardan daha uzak iken bu değere 16.6 dB'de erişmektedir.

Abstract:
For the future wireless communication technologies, a compromise between spectral and energy efficiencies is the key challenge. The use of multiple-input multiple-output (MIMO) systems, where multiple antennas are used at transmitters and/or receivers, is a promising approach to improve data rate and energy efficiency. However, there are some drawbacks in MIMO systems such as inter-antenna synchronization (IAS), inter-channel interference (ICI) etc. Spatial modulation (SM) provides a solution to avoid IAS and ICI and to degrade the complexity through activating only one antenna among all  transmit antennas whose indices convey information along with conventional M-ary modulation symbols. Since only one transmit antenna is activated during each signalling interval, single RF chain is sufficient at the transmitter. Therefore, SM is an energy efficient technique while it is also a spectrally efficient technique since it conveys extra information by means of antenna indices.  Space-shift keying (SSK), which exploits only the antenna indices to convey information, is a special form of SM.
 
 Cognitive radio (CR) is another technique, which provides solution to the scarcity and inefficient use of the licensed spectrum by allowing secondary (unlicensed) users to access the licensed spectrum unless they harm the performance of primary (licensed) users which are the legal owners of licensed band. Therefore, secondary users must be smart devices which can sense the available spectrum around them, analyze their environment and adapt their parameters such as access strategy, frequency etc... In CR, three access paradigms exist: Underlay, overlay and interweave. In the underlay paradigm, secondary user can access the licensed spectrum and realize spectrum sharing by overlapping in time and frequency with primary user if the interference tempreture caused by secondary transmission is below a pregiven threshold. In the overlay paradigm, secondary user realizes spectrum sharing by cooperating with primary user to improve its performance. In the interweave paradigm, secondary user seeks spectrum holes which are the spaces in the frequency bands formed through disuse of the licensed band by primary user. In the literature, there are hybrid schemes which combine these spectrum access strategies as well.

In this thesis, two different spectrum sharing protocols based on overlay paradigm which combine SM and cooperative communications, are proposed. For the first protocol, a primary transmitter (PT) transmits in the first time slot its M-ary modulated signal to a primary receiver (PR) which is also listened by a secondary transmitter (ST) intending to realize spectrum sharing. ST, which operates as a relay for PT, processes the primary signal according to the relaying strategy it adopts. In the second time slot, ST sends an SM  (M-ary modulation and N_t transmit antennas) symbol carrying primary and secondary information bits by M-ary modulation and antenna indices to PR and secondary receiver (SR), respectively. PR is interested in the conventional M-ary modulated signal whereas SR requires antenna indices to extract secondary information which can be considered as a SSK symbol in terms of secondary user. ST adopts three different relaying strategies: amplify-and-forward (AF), incremental amplify-and-forward (IAF) and selective decode-and-forward (SDF). When ST adopts AF relaying, it forwards the amplified copy of the received noisy signal in the second time slot. When ST adopts IAF relaying, it forwards the amplified copy of the received noisy signal if the direct link between PT and PR is in outage; otherwise, PR exploits only the direct link to extract primary information while ST uses SSK to convey secondary information to SR. When ST adopts SDF relaying, ST decodes the primary signal in the first time slot and forwards the regenerated primary signal in the second time slot unless the link between PT and ST is in outage; otherwise, ST remains silent to not cause error propagation at PR which exploits the direct link to extract its intended information bits.  The bit error probability analysis of primary and secondary users for the considered relaying strategies are derived and the theoretical results are supported via computer simulation results. The proposed protocol is compared with two reference schemes which exploit M-ary modulation at all nodes and superposition coding along with power partitioning at ST to combine the information of primary and secondary users for AF and SDF relaying strategies. For instance, when PT exploits BPSK modulation, and ST, which has two transmit antennas, is in the middle of PT and single antenna PR, the proposed protocol provides about 1 dB gain in terms of E_b/N_0 against reference schemes for a bit error probability of 10^{-5} at PR. When the receive antenna number at PR is increased to two, the performance gain increases and the proposed protocol adopting SDF relaying provides 1.5 dB gain against the reference scheme adopting SDF relaying for a bit error probability of 10^{-5} at PR. However, the proposed protocol adopting AF relaying reaches a bit error probability of 10^{-5} at 8 dB while reference scheme adopting AF relaying reaches this value at 13 dB. Meanwhile, the proposed protocol outperforms the reference schemes in term of secondary user's bit error probability performance and the best bit error performance is obtained when IAF relaying is adopted for ST which can switch to use SSK modulation instead of SM depending on the direct link outage. When PT applies BPSK modulation,  two antennas are used at ST, PR and SR, and ST is in the middle of PT and PR, the proposed protocol provides 1 dB gain against reference relaying scheme  for a bit error probability of 10^{-3} at SR for SDF and AF relaying strategies.
The comparisons between reference schemes are given for BPSK modulation, since in the reference schemes ST allocates most of its power to primary user and cannot realize spectrum sharing for higher data rates. In terms of adopted relaying strategy, the proposed protocol adopting SDF relaying provides the best bit error performance for primary user. For example, when QAM modulation is applied with four transmit antennas, and ST is in the middle of PT and PR again and two receive antennas are used at PR, the proposed protocol with SDF relaying provides a bit error probability value of 10^{-6} at 8.2 dB while  those with AF and IAF relaying reach this value at 10 dB. The proposed protocol for all relaying strategies outperforms the direct link between PT and PR in terms of bit error performance. When 16QAM and four transmit antennas are exploited, the proposed protocol with SDF relaying provides 16.5 dB gain for a bit error probability value of 10^{-5} against the non-cooperation case at PR. For the secondary user, the best bit error performance is obtained by adopting IAF for lower data rates; however, adopting SDF relaying provides the best bit error performance for higher data rates.  As a consequence, the proposed protocol outperforms two reference schemes since there is excessive mutual interference between users and ST cannot allocate any power to secondary user's information in the reference schemes  while  in the proposed protocol the mutual interference between users are mitigated and the requirements for superposition and power partitioning at ST are avoided thanks to SM.

As the second protocol, a cognitive cross network with physical-layer network coding (PLNC) and spatial modulation is proposed. A secondary user consisting of ST, SR and a relay (R) shares its relay with a primary user comprising PT and PR, to realize spectrum sharing. PT, PR, ST and SR are assumed to be placed at the corner of a rectangular while the relay is in its midst. Both transmitters intend to send information to their distant receiver hence a relay is required for a reliable communication. Since both receivers are close to the transmitter of the other user, each receiver can listen to the information of the other user's transmission. Both transmitters exploit SM and R additionally applies PLNC to combine primary and secondary information bits.  In the first time slot, PT and ST simultaneously send their information bits by SM  to R. SR and PR listen to and decode primary and secondary information bits, respectively. R jointly decodes the primary and secondary information in the first time slot and generates a PLNC mapped SM signal by applying XOR operation to combine them. In the second time slot, R broadcasts this PLNC mapped SM signal to SR and PR. Since each receiver has the information of the other user from the first time slot, it can extract its intended information bits by applying XOR operation between the binary corresponding of PLNC mapped SM signal and the other user's information bits.
 Bit error probability analysis is derived analytically and the theoretical results are supported via computer simulation results. The proposed protocol is compared with the reference scheme where all nodes exploit M-ary modulation. When the relay is unit distant to all nodes and the distance between each transmitter and the other user's receiver is 0.1, reference scheme with QPSK modulation provides slightly better bit error performance than the proposed protocol with BPSK modulation and two transmit antennas. For higher data rates, the bit error probability performance of proposed protocol outperforms that of the reference scheme. For instance, the proposed protocol with BPSK and four transmit antennas provides a bit error probability of 10^{-4} at 25.4 dB while the reference scheme with 8PSK reaches this value at about 27 dB. As the data rate increases, so does the performance gain of the proposed protocol. The effect of the relay position on the performance is also investigated. R is moved through vertical direction from the middle of the transmitters to the middle of receivers.  
  The best bit error performance for the proposed protocol is obtained when the relay is equidistant to both transmitters and receivers. For instance, when the distance between each transmitter and the other user's receiver is 0.5 and the relay is in the midst of rectangular, the proposed protocol with QPSK modulation and two transmit antennas provides a bit error probability of 10^{-4} at 15.4 dB. However, when R is in the middle of both receivers, the proposed protocol provides  bit error probability of 10^{-4} at 18.8 dB.  If R is in the middle of both transmitters, the proposed protocol reaches the bit error probability of 10^{-4} at 16.6 dB.