Alıcı çeşitlemeli işbirlikli sistemlerin sönümlemeli ve gölgelemeli kanallardaki hata performans analizi
Error performance analysis of cooperative systems with receiver diversity over fading and shadowing channels
Yazar: YASEMİN SİTTİ
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, 2011
Konu: Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Telsiz haberleşmede iletim ortamının bozucu etkilerine karşı kullanılan en önemli tekniklerden biri, verici ve/veya alıcıda birden fazla anten kullanılarak elde edilen anten çeşitlemesidir. Güç, boyut, maliyet gibi kısıtlamalardan dolayı üzerine birden fazla anten yerleştirilemeyen gezgin birimler için anten çeşitlemesi, ?işbirlikli haberleşme? tekniği ile sağlanmaktadır. Bununla beraber, eğer imkân varsa birimlerde birden fazla verici ve/veya alıcı anten kullanılarak çeşitleme derecesi daha da artırılabilir. Bu yolla, kaynaktaki işaretin hedefe doğrudan değil, sadece röleler üzerinden iletildiği, çok atlamalı (multi-hop) haberleşmede bile çeşitleme elde edilebilir. Literatürde, birimler arasındaki kanalların kısa dönem sönümlemeli (Rayleigh, Rician, Nakagami-m vb.) varsayıldığı, birimlerinde tek veya çok anten kullanılan işbirlikli sistemlere ilişkin pek çok çalışma bulunmaktadır. Ancak, kaynaktan gönderilen işareti bozucu etkiler arasında sönümlemenin yanında gölgeleme de bulunmaktadır. Gölgemeli çok yollu sönümlemeyi modellemek için Rayleigh/Log-normal, Rician/Log-normal ve Nakagami/Log-normal gibi birleşik dağılımlar ortaya atılmıştır. Bahsedilen modellerde var olan Log-normal fonksiyonundan dolayı, sistem tasarımı ve hata performans analizleri oldukça güçleşmekte ve hata performans ifadeleri kapalı formda elde edilememektedir. Literatürde, analizleri kolaylaştırmak adına gölgelemeyi modellemek için Gamma dağılımı, sönümlemeyi modellemek için Rayleigh dağılımı kullanılan ?K dağılımı? önerilmiştir. Bununla beraber, sönümlemeyi modellemek için kullanılan Rayleigh dağılımı, verici ile alıcı arasında doğrudan görüş yolunun (line of sight) da olduğu durumlar için yetersiz kalmaktadır. Bu probleme bir çözüm olarak, sönümlemeyi modellemek için Nakagami-m dağılımı, gölgelemeyi modellemek için Gamma dağılımı kullanılan ?Genelleştirilmiş-K dağılımı? önerilmiştir.Bu çalışmada, rölede ve hedefte birden fazla alıcı antenin bulunduğu, gölgelemeli ve sönümlemeli kanallara sahip, ?kuvvetlendir ve aktar? yöntemi kullanılan işbirlikli bir sistem ele alınmakta ve bu sistemin ?moment üretme fonksiyonu? tekniğine dayalı hata performans analizi yapılmaktadır. Kuvvetlendirme katsayısının performansa etkisini analiz etmek amacıyla, sabit ve değişken kazançlı katsayılar göz önüne alınmaktadır. Elde edilen sonuçlar bilgisayar benzetimleri ile doğrulanmaktadır. Tezde, ilk olarak sisteme sadece Nakagami-m sönümlemesinin etkidiği durumda, röle ve hedefteki alıcı antenlerde maksimum oran birleştirmesi ve seçici birleştirme tekniklerinin kullanıldığı yapılar ele alınmaktadır. Ardından, sisteme gölgeleme ve sönümlemenin birlikte etkimesi durumunda, röle ve hedefteki antenlerde maksimum oran birleştirmesi tekniğinin kullanıldığı yapı incelenmektedir. Kaynak ile hedef arası linke Genelleştirilmiş-K ve Log-normal gölgelemesinin etkidiği iki ayrı durum için üç olası senaryo ele alınmıştır. Bu senaryolardan ilki kaynak-röle-hedef arası linke Nakagami-m sönümlemesinin etkimesi, ikincisi kaynak-röle arası linke Genelleştirilmiş-K gölgelemesinin, röle-hedef arası linke Nakagami-m sönümlemesinin etkimesi ve üçüncüsü kaynak-röle arası linke Nakagami-m sönümlemesinin, röle-hedef arası linke Genelleştirilmiş-K gölgelemesinin etkimesidir. Linklere Genelleştirilmiş-K gölgelemesinin etkidiği durumlar için dağılımın parametrelerinden k arttıkça gölgelemenin, m arttıkça da sönümlemenin etkisi azaldığı için performansın iyileştiği gözlemlenmektedir. Linklere Log-normal gölgelemesinin etkidiği durumlar için ise Log-normal dağılımın parametrelerinden olan standart sapma arttıkça performansın kötüleştiği gözlemlenmektedir. Sönümleme ve gölgeleme etkisine karşı, işbirliği çeşitlemesi yanında, rölede ve hedefte alıcı anten çeşitlemesi yapılmasının hata performansını önemli ölçüde iyileştirdiği gösterilmiştir. Alıcı antenlerde maksimum oran birleştirme tekniği kullanıldığı durumlarda, beklenildiği üzere, seçici birleştirme tekniğinin kullanıldığı durumlara göre daha iyi performans elde edilmiştir. Ayrıca görülmüştür ki, kanal durum bilgisine sahip olunduğu durumda kullanılan değişken kazançlı kuvvetlendirme katsayısı, alıcının hata olasılığını sabit kazançlı kuvvetlendirme katsayısı kullanıldığı duruma göre azaltmaktadır.

Abstract:
In wireless communications, one of the most important techniques to combat the distruptive effects of the transmission environment is the antenna diversity, which is obtained by using more than one antenna at the transmitter and/or receiver. Due to the restrictions such as power, size, cost, the antenna diversity is obtained by "cooperative communication" technique for the mobile units where more than one antenna cannot be placed. Additionally, if possible, the diversity order of the system can be increased by using more than one transmit and/or receive antennas. In this way, diversity can be achieved even in multi-hop links where the source signal is not directly transmitted to the destination but only through the relays. There exists many papers in the literature for the cooperative systems using single or multiple antennas, where the channels between the communication units are assumed to have short-term fading (Rayleigh, Rician, Nakagami-m, etc.). Wheras, in addition to fading, shadowing also leads to the corruption of the transmitted signal. For the modelling of the multipath/shadowed fading, composite distributions such as Rayleigh/Log-normal, Rician/Log-normal and Nakagami/Log-normal have been proposed. Due to the existence of Log-normal function in the aforementioned models, the system design and the error performance analysis become complicated and the error performance expressions cannot be derived in closed form. In the literature, in order to facilitate the analysis, "K distribution", which uses Gamma and Rayleigh distributions for the modelling of the shadowing and fading, respectively, is proposed. As well-known, however, the Rayleigh distribution is insufficient for the modelling of the fading, when a direct line of sight also exists between the transmitter and the receiver. As a solution to this problem, "Generalized-K distribution", which uses Gamma and Nakagami-m distributions for the modelling of the shadowing and fading, respectively, has been proposed.In this study, a cooperative system with more than one receive antenna at the relay and the destination, is considered. Amplify and forward method is used at the relay and receive diversity is employed at the receive antennas of the relay and the destination. The error performance of the system is analyzed based on the moment generating function technique. In order to investigate the effect of the amplification coefficient on the system performance, coefficients with fixed and variable gains are considered. The analytical results are verified by computer simulations. In the thesis, firstly, when the channels are subject to Nakagami-m fading, the performance of the two combining methods, which are the maximum ratio combining and the selection combining, are examined by employing at the receive antennas. Then, when the channels have both fading and shadowing, the performance of using the maximum ratio combining technique at the receive antennas is analyzed. For two different cases in which the direct link is subject to Generalized-K and Log-normal shadowing, three possible scenarios are investigated. In the first scenario, the source-relay-destination link has Nakagami-m fading. In the second scenario, the source-relay link has the Nakagami-m fading, and the relay-destination has the Generalized-K shadowing, respectively. In the last scenario, the source-relay has the Generalized-K shadowing, and the relay-destination has the Nakagami-m fading, respectively. For the cases where the links are subject to the Generalized-K shadowing, as the distribution parameter k increases, the effect of the shadowing decreases and as the distribution parameter m increases, the effect of the fading decreases; consequently an improvement is observed in the error performance. For the cases where the direct link is subject to the Log-normal shadowing, as the distribution parameter standard deviation increases, a degradation is observed in the performance. Against the effects of the fading and the shadowing, besides the cooperative diversity, employing receive antenna diversity at the relay and the destination is shown to improve the error performance significantly. Furthermore, it is observed that using a variable gain amplification coefficient provides better the error probability when compared with the use of a fixed gain amplification coefficient.