Ortak hedefli röleli telsiz iletişim sistemlerinde bit ve enerji verimliliği analizi
Goodput and energy efficiency analysis for wireless relayed communication systems with common destination
Yazar: SİNAN ATAN
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, 2015
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: ARQ = ARQ ; Hareketli iletişim = Mobile communication ; Kablosuz iletişim = Wireless communication ; Kanal kodlama = Channel coding ; Sayısal iletişim = Digital communication ; Uzay-zaman kodlama = Space-time coding ; Ön kodlama = Pre-coding

Özet:
Teknolojinin hızla ilerlemesine bağlı olarak daha küçük boyutlardaki donanımların işlem sığasının önemli ölçüde artmasıyla telsiz iletişim sistemlerinde karmaşıklığı daha yüksek, fakat başarımı çok daha iyi yöntemlerin kullanılması mümkün olmuştur. Dolayısıyla 90'lı yıllarda önerilen yüksek başarımlı kanal kodlama teknikleri 2000'lerde pratik olarak gerçeklenebilir hale gelmiştir. Seleflerine göre kanal sığasını daha verimli kullanan bu sistemlerle telsiz iletişim sistemleri başarımında önemli bir sıçrama gerçekleştirilmiş ve UTRAN, 802.11 gibi protokol standartlarıyla telsiz iletişim sistemleri telli iletişim sistemlerine alternatif sunabilir konuma gelmiştir. 2006 sonrasında ise önce akıllı telefonların, sonrasında tablet ve ultrabook gibi aygıtların yaygınlaşmasıyla geniş bant iletişim ihtiyacı duyan gezgin birim sayısında önemli bir artış olmuştur. Bu durum araştırmacıların telsiz iletişim sistemlerine olan ilgisini arttırmış ve daha yoğun akademik eğilimlerle telsiz iletişim tekniklerinin başarımındaki yükseliş ivmelenmiştir. Günümüzde E-UTRAN (LTE-A) ve 802.11ac gibi standartlarla gigabit mertebesinde veri bloklarını bir saniye içerisinde aktarmak mümkün hale gelmiştir.
Yukarıda belirttiğimiz ve on seneden az bir sürede gerçekleştirilen ilerlemede çok girişli – çok çıkışlı (MIMO) sistemlerin payı büyüktür. Literatürde bulunan çeşitli çalışmalarda  doğru koşullarda tasarlanan MIMO yapıları uzay – zaman kod tasarımlarıyla kullanılarak sistem başarımında çok önemli kazanımlar sağlandığı görülmüştür. Öte yandan işlem gücü artarken, boyutların genellikle küçüldüğü gezgin birimlerde istenen miktarlarda anten çoğullaması sağlamak çoğunlukla olanaksızdır. Bu noktada araştırmacılar iletişim sistemindeki farklı kullanıcıların birbirlerine ya da iletişim ağındaki adanmış röle birimlerinin işaretleşmeye yardım ettikleri sanal anten dizilerinin telsiz iletişim sistemlerinde kullanımını önermişlerdir. Sistem içerisindeki farklı birimlerin işbirliğine dayanan bu yapılar MIMO ağlarıyla aynı derecede başarım sağlayabiliyor olmaları nedeniyle ilgi odağı konumundadır.
Telsiz iletişim sistemlerine ilişkin diğer önemli bir nokta zaman, frekans, kod gibi kaynakların sistemdeki kullanıcılar için ortak olması ve artan uç birim sayısıyla birlikte hızı koruyabilmek için bu kaynakları arttırmak gerektiğidir ki çoğu zaman bu olanaksızdır. Bu durum telsiz iletişim sistemlerinin sığası için sınırlayıcı bir etkendir. Fakat işbirlikli iletişim sistemlerinin önerilmesine paralel olarak ortaya atılan ağ kodlamalı sistemler aynı kaynakların farklı kullanıcılar tarafından eş – zamanlı kullanımına olanak sağlamıştır. İlk olarak ağ kodlaması (SNC), sonrasında ise fiziksel katman ağ kodlaması (PNC) sistem kaynaklarının daha verimli kullanarak daha yüksek sistem sığalarına, iletim hızlarına olanak sağlamıştır.
Bu tez çalışmasında, işbirlikli iletişim sistemleri ağ kodlamalı iletişim yapıları altında incelenerek bit iletim ve enerji verimliliği ekseninde analiz edilmiştir. Röle ve hedefin paylaşıldığı iki kaynak birimli örnek bir iletişim sistemi için altı farklı protokol önerilmiş olup bu yapılar birbirleriyle ve literatürdeki iki yönlü sistemlerle aynı koşullar altında karşılaştırılmıştır. Protokoller güvenilirlik ve hız odaklı iki farklı tasarım ölçütüyle oluşturulmuştur. Hızlı olan protokollerde amaç hedefe en kısa sürede en fazla bilgi bitini iletmek iken güvenilir sistemlerde hedefin hem kaynaklar hem de röle tarafından mutlaka besleniyor olması amaçlanmıştır. Protokoller, kaynakların farklı zaman ve aynı zaman aralıklarında iletim yaptıkları durumlar için iki farklı gruba ayrılmıştır. Aynı zamanda iletim yaptıkları sistemler 
eş – zamanlı sistemler olarak adlandırılmış olup fiziksel katman ağ kodlamalı yapıdadırlar. Ayrık – zamanlı iletim yaptıkları durumda ise kaynakların iletimi klasik zaman çoğullamalı yapıdadır; buna karşın röle birimi ağ kodlamalı olarak iletim yapmaktadır. Bu nedenle ayrık – zamanlı sistemlerin klasik zaman çoğullamalı yapılarla ağ kodlamalı yapıların bir karması olduğu söylenebilir. Tüm tasarımlarda hata yayılımını engellemek için röle ve/veya hedef birimlerinde ARQ uygulanmıştır.
Önerilmiş olan bu altı protokolün bit iletim verimliliği ve enerji verimliliği kuramsal çıkarımlarla ve benzetim sonuçlarıyla incelenmiştir. Başarımın iletim hızının kanal sığasının üstünde ya da altında kalması durumuna göre hesaplandığı bit iletim verimliliği için herhangi iki düğüm arasındaki anlık işaret – gürültü oranına bağlı kanal sığasının, iletim hızının altında kalması durumunda bu iki düğüm arasındaki iletişimin servis dışı kalacağı söylenebilir. Bu bilgiden hareketle bit iletim verimliliğine, kanal sığalarının altında kalarak hedef birime iletilen ortalama bit sayısı denilebilir. Enerji verimliliği ise iletilen bu ortalama bit sayısı için harcanan enerji miktarıdır. Benzetim sonuçlarıyla desteklendiği üzere sistemlerin ayrı ayrı tasarımlarıyla ilişkili olmakla beraber genel olarak eş – zamanlı sistemlerin daha yüksek en büyük bit iletim hızlarına ulaşabildiği, ayrık – zamanlı sistemlerinse düşük işaret – gürültü oranı ya da yüksek iletim hızlarında başarımlarını daha uzun süre koruyabildikleri söylenebilir. ARQ'yu hedefte uygulamanın ise rölede uygulamaya göre bit iletim verimliliği anlamında daha etkin bir çözüm olduğu belirtilebilir. Enerji verimliliği anlamında kötü ortam koşullarına daha az duyarlı olan (düşük SNR, yüksek hız) ayrık – zamanlı sistemler genel olarak daha başarılıdır. Hedefte ARQ uygulayan sistemler ise rölede ARQ uygulayan sistemlere göre daha verimlidir. Serbest uzay yol kaybının dikkate alındığı durumlarda röle konumunun uygun seçimiyle rölenin ARQ uyguladığı sistemlerin başarım artışı daha fazla olmakta, hatta düşük işaret – gürültü oranlarında rölede ARQ'lu sistemler yukarıda varılan yargının aksine hedefte ARQ'lu sistemleri bit iletim verimliliği anlamında geçebilmektedir. Benzer bir yorum enerji verimliliği üzerine de yapılabilir.

Abstract:
Recently, evolution of technology resulted in smaller hardware components to process much more faster. It is now widely possible to use more complex, but better wireless communication systems with these smaller hardware. As a result, proposed high-performance channel coding methods in 90s have been deployed pratically in 2000s. These systems can grant greatly better transfer rates compared to their predecessors and protocol suites like UTRAN, 802.11 have become to serve as an alternative for wired communication systems in case of performance. After 2006, with the help of smartphones, tablets and ultrabook like devices end users requiring wireless communication access has increased rapidly. This has caused wireless communication systems to be more popular  and resulted in more researchers to work on this area. Finally the performance improved much more faster that it is now possible to transfer gigabit within a second with recent wireless communication systems such as E-UTRAN (LTE) and 802.11ac.
Resources are very limited in wireless communication systems as transmission medium is shared between a great variety of communication systems. This can be concluded to be the main disadvantage of wireless communication systems over wired communication systems. So, utilization of resources as time, frequency and code is crucial in wireless systems. Scheduling of these parameters is a very popular research topic to utilize system performance maximum among users. There is also lots of works done on source and channel coding either to minimize the size of data to be transmitted or reduce error probability during transmission to make it possible transferring more bits with single signal transmission (using higher level of modulation). Source coding is very common in a variety of communication systems (either wireless or wired), greatly reducing the size of raw data either without loss or small amout of loss (which is not recognized generally) such as voice (flac, mp3), image (png, jpeg), video (mpeg). However, channel coding is totally different. It aims to add some extra bits to data bulk to be transmitted. For example; an eight bit data block is represented with ten bit block (8/10 block coding) adding two extra bits for forward error correction. In this example, throughput efficiency is lost by twenty percent; but this loss is greatly covered by forward error correction capability of such a code design making communication systems more immuned against fading, shadowing effects. So, usage of higher leveled modulation schemes becomes possible without increasing transmit power. There are lots of channel coding methods including block, trellis, turbo, ldpc codes; but these are not in the scope of this work. Only a simple precoding method is introduced in this thesis which will be covered in detail later on.
The progress mentioned in the first paragraph is closely related with the implementation of MIMO systems. It is shown that transmitting and receiving signals via uncorrelated antenna sets greatly increases the performance of wireless communication systems under fading channels. A lot of work done so far has shown that relevant MIMO systems with special code designs (space – time codes) significantly increases capacity. On the other hand, mobile devices are not big enough to achieve these uncorrelated antenna sets at user side, and they generally become smaller as a market trend whereas their process capacity increases. So it is not always possible to achieve spatial diversity on mobile devices that we can only talk about SIMO, MISO systems in such scenarios. At this point, researchers proposed cooperative communication systems to overcome the physical necessity of multiple antennas in a terminal. Cooperative communication makes it possible users help each other to transmit their signals or dedicated relay systems achieve this functionality. Such a design results in users in the system having virtual antenna arrays that provide MIMO virtually. It is shown that cooperative communication systems are able to grant same kind of diversity gain in wireless communication systems with generic MIMO systems which make this topic very popular recently.
Another major point related with capacity of wireless communication systems is the requirement for increase of shared resources as time, frequency, code, etc. with the rise of end users in the system to keep the same service quality. Unfortunately this is not always possible for communication systems that it is a crucial point for the capacity upper bound of wireless communication systems. Besides, just after the cooperative systems, network coding algorithms are proposed to better utilize these shared system resources. Firstly, straight forward network coding which aims to combine different users' data on a common signal is proposed. In these systems, different users transmit their signals traditionally that time, frequency or code is shared between them in the first phase. Later on in the second phase, a dedicated relay combines their data in bit level and transmit combined data with special mapping tables. Finally, users decode the received signal transmitted by relay to obtain other user's data using their own data knowledge. Physical network coding is something similar superceding straight forward network coding that users can transmit simultaneously in the first phase. Straight forward and physical layer network  coding methods get lots of attention by researchers and various novel work is proposed on those subjects. These systems are initially designed to address two way relay networks, but later on different protocol sets including common destinated systems are proposed.
In this thesis, cooperative communication systems are surveyed with straightforward and physical layer network coding setups in case of goodput and energy efficiency. Six novel protocol schemes are proposed for a generic wireless communication system setup with a common relay and destination shared by two distinct terminals. Protocols are constituted based on two different design criteria focussing each one on reliability and high rate. Later on, they are compared not only between each other but also some other work done recently under fair conditions. High rate protocols aim to transmit maximum source bits using less time slots whereas reliable protocols aim to deliver source bits from two distinct paths; soure – destination and 
relay – destination. Protocols are grouped with their source transmission schemes: protocol stacks with sources transmitting at the same time are named simultaneous transmission and protocol stacks with sources transmitting separately are named discrete – timed transmission. Simultaneous transmission rely on physical layer network coding and discrete – timed transmission rely on traditional time divided access. Besides in both systems relay acts in a network coded manner. So we can define discrete – timed transmission as a hybrid of time divided and network coded systems. All proposed protocols are designed with ARQ adaptation to prevent propagation of errors.
The performance of our six protocols are investigated both by theorical analysis and simulation results in terms of goodput and energy efficiency. These two performance measures are evaluated by outage probability. Outage probability is the probability of transmitting data higher than channel's instaneous capacity. So gooodput is the amount of average data transmitted to destination below channels' capacity, and energy efficiency is the amount of average energy consumed to transmit this data. Based on our results it is shown that simultaneous transmission schemes generally perform better in terms of goodput. On the other hand discrete – timed protocols act better under worse conditions as lower SNR, higher rate. It can also be said that destination oriented ARQ protocols acts better than relay oriented ARQ protocols. In case of energy efficiency generally discrete – timed protocols acts better as these are more prone under extreme conditions. Destination oriented ARQ protocols are more energy efficient than relay oriented ARQ protocols. Last but not least, it is seen that relay based ARQ schemes may outperform other protocols under the path loss effect. It is concluded that relay position optimization is an important design criteria for cooperative systems. Same comment can be generalized for energy efficiency as well.