Tam-çift yönlü bilişsel röle ağları için enerji hasatlamalı yeni bir spektrum paylaşım protokolü
An energy-harvesting spectrum sharing protocol for cognitive full-duplex relaying networks
Yazar: HÜSEYİN ONUR BAKTIROĞLU
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, 2019
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Telsiz iletişim sistemlerinin sürekli ve hızlı olarak gelişmesiyle band genişliğine olan gereksinim artmaktadır. Spektrumdan yararlanma verimini daha da arttırmak amacıyla bilişsel radyo ile işbirlikli iletişim teknolojileri birleştirilmiş ve bilişsel röle ağları kavramı ortaya çıkmıştır. Bilişsel röle, ikincil kullanıcıların bir ögesi olup ikincil verici veya ayrı bir edilgen röle olabilir. Üstüne serme yaklaşımında ikincil verici işlevi gören bilişsel röle, spektrumu etkin bir şekilde tarayarak birincil kullanıcıların iletimine yardım etmekte ve aynı zamanda ikincil işaretini hedeflediği ikincil alıcıya göndermektedir. Bilişsel röle yarı-çift yönlü (HD) veya tam-çift yönlü (FD) olarak çalışabilmektedir. HD aktarım işleminde, röle iki dik kanal üzerinden işaretini almakta ve iletmektedir. Diğer taraftan FD aktarım işleminde ise, röle aynı zaman diliminde ve aynı frekansta, hem verici uçtan gelen işareti almakta hem de alıcı uca işaret göndermektedir. FD aktarım ile spektral verimlilik iki katına çıkmaktadır. Fakat rölenin aynı zaman diliminde hem işaret göndermesi hem de almasından dolayı röle üzerinde artık döngü girişimi (RLI) oluşmaktadır.
Bu tez kapsamında ilk olarak tam-çift yönlü bilişsel kuvvetlendir ve aktar (AF) röle ağı referans sistemi incelenmiştir. Referans sistemde kullanılan spektrum paylaşım protokolü tanıtılmış ve birincil ve ikincil kullanıcılara ait servis kesilme olasılıkları elde edilmiştir. Tezin sonraki bölümünde, tam-çift yönlü bilişsel çöz ve aktar (DF) röle ağı için yeni bir spektrum paylaşım protokolü önerilmiştir. Sistem modeli, her bir kullanıcının her bir evrede ileteceği işaretler tanımlanmış ve işaret-gürültü+girişim oranı (SINR) ifadeleri elde edilmiştir. Ulaşılabilir anlık hız ifadeleri çıkarılarak iki yönlü birincil sistem servis kesilme olasılığı ile ikincil sistem servis kesilme olasılığı kuramsal olarak elde edilmiş ve elde edilen bilgisayar benzetim sonuçlarıyla doğrulanmıştır. Önerilen sistem ile referans sistemin servis kesilme başarımları artık döngü girişimi, iletim işaret-gürültü oranı, birincil ve ikincil hedeflenen hızları ve güç paylaştırma çarpanına bağlı olarak karşılaştırılmıştır. Elde edilen sonuçlarda yeni önerilen sistemin birincil ve ikincil servis kesilme başarımlarının referans sisteme göre daha iyi olduğu gözlemlenmiştir. Yeni önerilen sistemde, birinci evrede ikincil alıcıda alınan birincil işaretlerin ardışık girişim giderme kullanılarak çözülmesi ve ikinci evrede çözülen birincil işaretlerin ikincil alıcıda kullanılarak girişimin yok edilmesiyle ikincil sistem servis kesilme başarımının iyileştiği görülmüştür. Bunun yanında, bilişsel röle görevi yapan ikincil vericinin ikincil alıcıya her iki evrede de farklı paketler göndererek iletim yapması ile ikincil sistem iletiminde süreklilik sağlanmıştır. Ek olarak, yeni önerilen sistemde bilişsel röle ikinci evrede tüm kullanıcılara ileteceği birleşik işareti oluştururken güç paylaştırma çarpanı kullanmaktadır. Güç paylaştırma çarpanının uygun bir şekilde seçilmesi ile birincil sistem servis kesilme başarımı, spektrum paylaşımı olmayan duruma göre artarken aynı zamanda ikincil sistemin sürekli spektrum paylaşımı sağlanmıştır.
Sınırlı enerji kaynaklarına sahip telsiz iletişim sistemlerindeki uç birimleri, ağ iletişimini sürdürmek için sürekli olarak batarya şarjına veya değişime gereksinim duymaktadır. Sistemlerdeki uç birimlerinin harici enerji kaynağı olmadan çalışması için çevredeki radyo frekanslı (RF) işaretlerden enerji hasatlama fikri öne çıkmıştır. RF işaretin hem bilgi hem de enerji taşıması sayesinde uç birimlerinde uygun enerji hasatlama alıcı yapısı kullanılarak hem bilgi işlenebilmekte hem de enerji hasatlanabilmektedir. İşbirlikli iletişim sistemlerinde Eş Zamanlı Telsiz Bilgi ve Güç Transferi (SWIPT)'nin uygulanabilmesi için rölede alınan işaret enerji hasatlama ve bilgi işleme için iki parçaya ayrılır. İşaretin alıcıda hangi boyutta ikiye ayrıldığına bağlı olarak çeşitli enerji hasatlama protokolleri önerilmiştir. Kullanılan temel protokoller Zaman Anahtarlamalı Aktarım (TSR), Güç Bölmeli Aktarım (PSR) ve Anten Anahtarlamalı Aktarım (ASR) olarak sayılabilir. Tez kapsamında yapılan diğer bir çalışmada, yeni önerilen tam-çift yönlü bilişsel DF röle ağında ve referans sistemde bilişsel rölenin enerji hasatlama alıcı mimarisine sahip olduğu durum incelenmiştir. Sistemlerdeki bilişsel röle ilk evrede hasatladığı enerjiyi kullanarak ikinci evrede iletim yapmaktadır. Her iki sistem için de TSR, PSR veya ASR enerji hasatlama protokollerinin kullanılması durumunda birincil ve ikincil sistem servis kesilme olasılığı ve verim ifadelerinin kuramsal çıkarımı yapılmış ve bilgisayar benzetim sonuçlarıyla doğrulanmıştır. İlk olarak PSR enerji hasatlama protokolü kullanılan enerji hasatlamalı (EH) sistemler ile EH'sız sistemlerin servis kesilme başarımları karşılaştırılmıştır. Beklenildiği üzere, EH'sız sistemler EH'lı sistemlere göre daha iyi birincil ve ikincil sistem servis kesilme başarımı göstermiştir. Ek olarak, EH'lı yeni önerilen sistemin, EH'lı referans sisteme göre daha iyi birincil ve ikincil sistem servis kesilme başarımı ve ikincil sistem verimine sahip olduğu gösterilmiştir. Diğer taraftan EH'lı sistemlerde farklı enerji hasatlama protokollerinin kullanıldığı durumlar karşılaştırılmıştır. Elde edilen sonuçlarda ASR enerji hasatlama protokolünün kullanıldığı durumlar için en iyi birincil ve ikincil sistem servis kesilme başarımı ve verimi sağlandığı görülmüştür. Ayrıca, PSR kullanıldığında TSR'a göre daha iyi birincil ve ikincil sistem verimi elde edilirken, TSR kullanıldığında ise daha iyi birincil ve ikincil sistem servis kesilme başarımı elde edilmektedir.

Abstract:
With continuous and rapid development of wireless communication systems and increasing demand for wireless services, more and more spectrum resources will be needed. Recent works have indicated that actual licensed spectrum is largely underutilized. As a solution, cognitive radio (CR) allows secondary users to share the spectrum leased by primary users by applying underlay or overlay spectrum sharing paradigms which increase the spectral efficiency without degrading the performances of the spectrum owners. On the other hand, cooperative communication is the well-known technique to improve link quality, achieve transmit diversity and extend the coverage area. Transmitting a copy of source signal via relay node is a way of combat fading, shadowing and path loss. In order to improve spectral efficiency, cognitive relay networks, as a combination of cooperative communications and cognitive radio, have developed recently. Cognitive radio as a member of the secondary system can operate as secondary transmitter or passive relay. Cognitive relay, which operates as secondary transmitter in overlay paradigm, monitors the spectrum effectively and assists the primary user's transmission by utilizing some fraction of its power. At the same time, it transmits its own data with the remaining power. Although, the spectrum overlay access method requires high degree of cooperation between primary users and cognitive relay. Also, cognitive relay requires the knowledge of primary user message signal. Cognitive relay can operate in half-duplex (HD) or full-duplex (FD) mode. In HD relaying mode, relay transmits and receives information on two orthogonal channels. Therefore, HD relaying reduces spectral efficiency due to the two orthogonal channels employed. On the other hand, in FD relaying mode, relay transmits and receives signal forwarded from the source, over the same frequency band at the same time. FD relaying doubles the spectral efficiency. However, due to transmitting and receiving at the same time interval, residual loop interference (RLI) occurs at FD relay. RLI is the self interference between relay's transmitting and receiving ends.
In this dissertation, first, the reference system, namely, cognitive full-duplex amplify and forward (AF) relaying network is introduced. The spectrum sharing scheme used in this reference system is described. Analytical expressions for the outage probabilities of primary and secondary systems is obtained in closed form. In the next part of the thesis, a novel spectrum sharing protocol for the cognitive full-duplex decode and forward (DF) relaying network is proposed. An FD cognitive relay network with two primary and two secondary users is considered. Cognitive relay acts as a secondary transmitter, operates in FD relaying mode and applies DF cooperation protocol. Primary user pair communicates bidirectionally and the secondary transmitter unidirectionally communicates with its receiver. The system model, signals that intended to send in each phase by each user are defined and SINR expressions are obtained. The outage performances of primary and secondary users are analytically derived and the obtained closed form outage probability expressions are validated by computer simulation results. Comparisons with the two-way non-cooperative direct transmission case and the reference system show the advantages of the proposed protocol. In the new protocol, the successive interference cancellation is applied at the secondary receiver in the first phase to decode also the primary signals. In the second phase, interference incurred from primary signals is eliminated at the secondary receiver by using the decoded primary signals in the first phase. This process improves the secondary outage performance. On the other hand, forwarding different packets from the secondary transmitter to the secondary receiver in each phase provides continuous transmission of the secondary system. In addition, in the second phase, the network-coded signal is superimposed with a new secondary signal using the power allocation factor α. By using the power allocation factor, cognitive relay assigns a certain fraction of its power to the primary signals and the remaining power for the secondary signal intended for the secondary receiver. Through a careful choice of α, a better (or at least an equal) outage performance can be achieved for the primary system than the non-cooperative case, while the secondary user is sharing the spectrum. Moreover, both full-duplex relaying protocols converge an outage floor, because at larger transmit signal to noise ratio values RLI dominates the received signals at cognitive relay.
Energy-constrained communication systems have a limited operational lifetime, and to maintain the network connectivity, periodical battery replacement or recharging should be performed. As a solution to this, background radio-frequency (RF) signals radiated by ambient transmitters can be utilized for energy harvesting. RF signals, can carry both energy and information. Therefore, energy harvesting and information decoding can be done simultaneously by using a suitable energy harvesting receiver at the relay. Received signals are divided into two separate parts at relay's energy harvesting receiver to implement simultaneous wireless information and power Transfer (SWIPT). Various energy harvesting protocols have been proposed depending on how the received signal is separated at relay's receiver. Commonly used energy harvesting protocols are time switching relaying protocol (TSR), power splitting relaying protocol (PSR) and antenna switching protocol (ASR). In TSR protocol, relay harvests energy from source signal for a fraction of block time and the remaining block time is used for information processing. The choice of time fraction, namely, time switching factor, determines how much time that relay node harvests energy and affects achievable throughput at destination. In PSR protocol, the first half of the block time is used for source to relay information transmission and the remaining half is used for relay to destination information transmission. During the first half of block time, a specified fraction of the received signal power is used for energy harvesting and the remaining signal power is used for information processing at relay. The choice of power fraction, namely, power splitting factor, affects the achievable throughput at the destination. In ASR protocol more than one antennas are used at relay. Depending on the application, some of the antennas are assigned for energy harvesting and the remaining antennas for information processing. Various antenna assignment schemes available for ASR. General selection combiner (GSC)-based assignment schemes are one of the low-complexity solutions to implement. Although, PS-based optimal scheme and binary knapsack optimal schemes are characterized by high complexity and requires an optimization problem to solve at each transmission frame. By using GSC-based assignment scheme, relay node assigns its N antennas into the two radio frequency combining circuits (RFCC) based on the strength of associated channel paths. To clarify, L antennas with strongest channel paths are connected to the RFCC I and the rest N-L antennas to RFCC II.
In the last part of the thesis, both the novel FD cognitive DF relay network and the reference cognitive full-duplex AF relaying network with energy harvesting receiver at cognitive relay are studied. With energy harvesting receiver, in the second phase, cognitive relay transmits its signal using the harvested energy in the first phase. In other words, cognitive relays can operate without external energy source in second phase. TSR, PSR and ASR energy harvesting protocols are investigated for both the novel FD cognitive DF relay network and the reference system. The energy harvesting system model, signals intended to send in each phase by each user are defined and SINR expressions are obtained. The outage and throughput performances of primary and secondary users are analytically evaluated and the obtained closed form outage probability expressions are validated by computer simulation results. The simulation results gathered from energy harvesting and non-energy harvesting cases for both systems are compared. The results reveal that, the non-energy harvesting systems give better primary outage performance compared to the systems with energy harvesting, as expected. Moreover, equal secondary system outage performance is achieved for both energy harvesting and non-energy harvesting cases of the considered reference system. It's due to the fact that, reference system's cognitive relay send its secondary signal only in the first phase. On the other hand, when the distance between cognitive relay and secondary receiver increases, the non-energy harvesting case gives better secondary outage performance than the energy harvesting case for the proposed system. In addition, the energy harvesting case of both systems are compared for the TSR, PSR and ASR energy harvesting protocols. The simulation results show that, the energy harvesting case of the proposed system achieves a better primary system outage performance with respect to transmit SNR than the energy harvesting case of the reference system regardless of which energy harvesting protocol is used. In the low transmit SNR region, the energy harvesting case of the reference system has smaller outage probability for secondary users compared with the energy harvesting case of the proposed system. However, its vice versa for middle and high transmit SNR regions.  Also, better secondary system throughput is obtained with respect to transmit SNR for the energy harvesting case of the proposed system compared to energy harvesting case of the reference system. That is because, unlike in the reference system, the secondary transmitter forwards packets to the secondary receiver in each phase for the proposed system. Finally, simulation results show that, the ASR energy harvesting protocol gives the best primary and secondary outage performances and throughputs for both systems. Furthermore, for both systems, the TSR protocol outperforms the PSR protocol in terms of primary and secondary outage probability. On the other hand, the PSR protocol outperforms the TSR protocol in terms of primary and secondary throughput.