Birleşik gölgelemeli ve sönümlemeli kanallar üzerinden işbirlikli iletişimde yol seçimi
Path selection in cooperative communications over composite shadowing and fading channels
Yazar: ALİ KARADEMİR
Danışman: PROF. DR. İBRAHİM ALTUNBAŞ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Telekomünikasyon Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2013
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
İletişim sistemleri üzerine yapılan çalışmaların temel amacı, fiziksel kısıtları göz önüne alarak kaliteyi artırmaktır. Fakat genellikle yapılan iyileştirmeler beraberinde bazı maliyetler getirmektedir ve çalışmalar özellikle en az götürü ile en fazla iyileştirmeyi sağlamaya odaklanmaktadır. En önemli fiziksel kısıtlardan biri olan band genişliğini düşürmeden ya da kabul edilebilir seviyelerde tutarak veri hızını artırabilmek için hata performansını iyileştirmek gerekmektedir. Bunu yapabilmek için de telsiz iletişim ortamlarında karşılaşılan bozucu etkenlerle başa çıkabilmek ve etkisini en düşük seviyelerde tutabilmek birincil derecede önem kazanmaktadır. 
Telsiz iletişim kanallarından kaynaklanan ve iletişim kalitesini oldukça kötüleştiren etkilerden en önemlisi sönümlemedir ve yapılan çalışmalarda çoğunlukla bu etki göz önüne alınmaktadır. Fakat gerçek iletim ortamlarında var olan ve iletişimi ciddi seviyelerde etkileyen gölgelemenin de hesaba katılması daha etkili sistem ve yöntemlerin ortaya çıkmasına olanak tanımaktadır. Bu sebeple son yıllarda bu iki etkiyi birlikte ele alan, gerçeğe daha yakın kanal modellerinin bu alanda yapılan çalışmalarda kullanımı artmıştır. 
Telsiz iletişim kanallarından kaynaklanan bozucu etkileri azaltmaya yönelik geliştirilen iki önemli teknik anten çeşitlemesi ve kanal kodlamasıdır. Alıcıda ve/veya vericide birden fazla anten kullanarak yüksek iletişim hızlarına oldukça iyi hata performansları ile erişilebildiği görülmüş ve bu tip sistemler pratikte kullanılmaya başlanmıştır. Aynı zamanda uzay-zaman kodlaması yapılarak anten çeşitlemesi ile kazanılan yüksek iletişim hızlarında hata performansları önemli ölçüde artırılmıştır. Alıcıda ve/veya vericide anten çeşitlemesi yapmak teoride çok iyi sonuçlar doğurmasına karşın pratikte uygulanabilirliği, anten sayısını artırmanın verdiği donanım ve güç gibi maliyetlerden ötürü düşüktür. Bu soruna çözüm olarak işbirlikli çeşitleme tekniği önerilmiştir.
İşbirlikli çeşitlemede antenler, ait olduğu kullanıcının bilgilerini iletmesinin yanında röle görevi görerek diğer kullanıcılarının bilgilerinin aktarılmasında da görev alır. Bu sayede anten sayısını artırmadan çeşitleme sağlanmakta ve hata performansları iyileştirilmektedir. Hata performansındaki artış aynı zamanda güç tüketiminde azalmaya da neden olmaktadır. Getirdiği tüm bu iyileştirme ve avantajlardan dolayı işbirlikli çeşitlemeye ve bu yöntemi kullanan işbirlikli iletişim sistemlerine olan ilgi oldukça artmaktadır. Bu sistemlerdeki en önemli konulardan bir tanesi iletimin hangi yoldan veya yollardan yapılacağı sorusudur ve farklı açılardan olası çözümlerin olumlu ve olumsuz yönlerinin ortaya konulmasıdır.
Bu çalışmada, röleli ve işbirlikli sistemlerde yol seçimine bağlı olarak hata performansları birleşik gölgelemeli ve sönümlemeli (genelleştirilmiş-K) kanal modeli altında analiz edilmiş, bunun  yanında da önerilen sistemlerin karmaşıklık, maliyet, güç tüketimi, gerçeklenebilirlik ve spektral verimlilik açısından değerlendirmeleri yapılmıştır. Bu yolla literatürde ilk kez, birleşik gölgelemeli ve sönümlemeli kanallara sahip çok röleli bir sistemde yanlış yolun seçiminin tüm sistemin hata performansına etkileri teorik olarak ortaya konulmuş; kapalı formda hata olasılığı ifadeleri elde edilmiştir. Literatürde sadece sönümleme etkisinin ele alındığı duruma ait analizlerden elde edilen sonuçların, bu tezde elde edilen sonuçların özel bir durumu olduğu, dolayısıyla bu tezle, literatürdeki sonuçların genelleştirildiği gösterilmiştir.

Abstract:
The main purpose of studies on communication systems is enhancing the quality by considering physical constraints. It is necessary to improve the error performance of the system for increasing the data rate by not increasing the bandwidth which is one of the most significant constraints or keeping in acceptable levels. In order to achieve this, it is important to handle with the destructive effects of the communication channels.
The wireless channels suffer from various impairments such as multipath fading, shadowing and noise. One of the most destructive is the multipath fading which is caused from the transmission of the signal from source to destination over multiple paths in different phases and amplitudes. It causes deep faded signals at the destination. Therefore, received signals couldn't be decided accurately and error performances decreases tremendously. Works on this topic is generally focus on only this effect. However, there is another problem called shadowing in wireless channels which also decreases the performance of the system seriously. Shadowing effect is caused from large obstacles on media. In this case, there is a fading effect on the average power of the received signal. It is also called as long-term fading due to this reason. This effect which exists in real wireless transmission channels should be considered along with fading in order to achieve more realistic channel models and design more robust systems. Traditional composite shadowing and fading channel models are quite complicated and not suitable for mathematical tractability. Fortunately, generalized-$K$ distribution was proposed as a composite model that also makes mathematical analysis possible. By this advancement, in the recent years the use of composite fading and shadowing channel models increases in analyses. 
It is very important to reduce the effects of the channels in order to improve the error performances of wireless communication systems. Two considerable methods to combat destructive effects of wireless channels are antenna diversity and channel coding. It has been proved that it is reached to quite high data rate with quite well error performance by using more than one antenna in receive and/or transmit side. On the other hand, the error performance is improved with space-time coding in the acquired data rate with antenna diversity. Although antenna diversity in receiver and transmitter leads to very advantageous results in theory, its practicability is weak because of costs of hardware and power to use multiple antennas. In order to solve this problem, cooperative diversity technique is suggested.
In cooperative diversity, antennas send not only their own but also other users? information as relays. The relays amplifies or decodes and forwards the signals received from the source to the destination. Thus, the diversity is applied without increasing the number of antennas on devices and error performances can be improved. At the same time, the capacity and the coverage area is increased for the wireless communication systems that have serious shadowing and fading effects. The improvement in error performance also results decreasing in power consumption. Due to all of these advantages, the interests of cooperative communication systems are considerably increasing. 
One of the most important problems in cooperative communications is the interference. This problem is solved by transmitting the signals from source and relays in orthogonal channels. Orthogonality can be provided in time, frequency or code. Additionally, full spatial diversity can be obtained by using orthogonal channels. However this causes spectral inefficiency which is principally not intended for new generation communication systems. If it is assumed that the orthogonality is applied in time in the all participating cooperative system, the transmission takes place in one more than the number of relays time slots.
In these kinds of systems, the selection of transmission path or paths leads to achieve the same diversity orders in good error performances by not decreasing the spectral efficiency. This technique is basically selecting the best path or paths and transmitting the signals via this or these paths. The relaying paths and the direct path from source to destination are meant to be the path. By this way, transmitting power is consumed for relatively less destructive paths and this also results better error performances than all participating cooperative systems.
There are two kinds of path selection approaches which are the relay selection and the distributed selection combining. In the relay selection technique, the set of selectable paths consist of relaying paths. If the direct path exists, the signals received from the direct and selected relaying paths are combined in the destination. The transmission ends completely in two time slots. In the distributed selection combining technique, the direct path is also included in the set of selectable paths. The transmission is only done via the selected path. If the selected path is direct path it takes place one otherwise two time slots.
In the cooperative systems with path selection, the implementation is basically as follows: Firstly, the best path is selected with the help of training signals. The best path corresponds to the path with the highest end-to-end signal-to-noise ratio. After that, the information signals are transmitted through the related path. Although selecting the best path leads to best results, it is not always possible to do that due to some reasons. There may be a fault in the selecting process or lots of traffic assigned to the best path. In these cases, second or generally Jth best path can be selected. It is important to make analysis for the Jth best path in order to see the effect of the false selection.
In this work specifically, error performances are evaluated based on path selection in relaying and cooperative systems. In all considered systems, all channels are assumed to be modeled as composite shadowing and fading (generalized-K) channels and all are independent and non-identically distributed. The forwarding technique in the relays is amplify and forward. The amplification gain can be fixed or variable. In this work, derived expressions are all available for these two gain types. All analysis are based on the Jth best path selection therefore the results cover the best path selection. For mathematical tractability, the Pad\'e approximation is used in moment-generating function of the signal-to-noise ratio. The results show that this approximation is very tight. The closed form symbol error rate expressions are derived for different types of modulation schemes.  Furthermore, suggested systems are explained in terms of complexity, cost, power consumption, spectral efficiency and practicability. 
As the contribution of this thesis, the effect of path selection on the error performance of a multiple-relay system with composite shadowing and fading channels is analyzed by providing closed-form error-rate expressions, first in the literature. The results that only covers the systems with fading channels in the literature are special cases of the obtained results in this thesis. Additionally, it can be seen that the effect of selecting false path on error performance of a multiple-relay system.