Gölgelemeli/sönümlemeli kanallarda fiziksel katman ağ kodlama
Physical layer network coding in the shadowing/fading channels
Yazar: MEHMET ÇAĞRI İLTER
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, 2012
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Gezgin telsiz iletişim kanallarında, işaretin kalitesini etkileyen çeşitli bozucu etkenler bulunmaktadır. Bu bozucu etkenlerin başlıcaları, sönümleme, gölgeleme ve gürültüdür. Telsiz iletişimin işaretler üzerindeki bozucu etkisini azaltmak için çeşitleme teknikleri geliştirilmiştir. Çeşitleme zamanda, frekansta ve uzayda yapılabilmektedir. Uzay (anten) çeşitlemesi verici ve/veya alıcı tarafta birden fazla anten kullanılması ile elde edilmektedir. Alıcı anten çeşitlemesi uzun yıllardır kullanılan bir yöntemdir; ancak günümüzde alıcı birimlerin boyutlarının giderek küçülmesi sonucu bu birimlere birden fazla antenin yerleştirilmesi zorlaşmaktadır. Bu soruna çözüm olarak geliştirilen uzay-zaman blok kodlama, verici anten çeşitlemesine dayalı bir tür kanal kodlama tekniğidir. Uzay-zaman blok kodları sayesinde yüksek hata başarımına ve yüksek hızlara sahip iletişim sistemleri tasarlanabilmektedir.Bununla beraber, verici anten çeşitlemesi yöntemleri özellikle hücresel sistemlerin baz istasyonları için uygun olmasına karşın, boyut, maliyet ve donanım karmaşıklığı yönünden gezgin birimler için uygun değildir. Bu soruna çözüm olarak geliştirilen işbirlikli çeşitleme tekniğinde verici, bilgisini doğrudan ve ortamda bulunan bir ya da birden fazla başka birimin (rölenin) yardımıyla alıcıya göndererek anten çeşitlemesi sağlamaktadır. Bu yolla, işbirliğinin olmadığı sistemlere göre hata başarımı önemli oranda iyileştirilebilmektedir.Klasik röleli ve işbirlikli iletişim, tekrarlama tabanlı teknikler olduğundan tam çeşitleme kazancı vermesine karşın, her kullanıcıya bir alt kanal tahsis edilmesi zorunluluğunu beraberinde getirmesi nedeniyle sistemin band verimliliğini düşürmektedir. Bu sorunu gidermek için geliştirilmiş yöntemlerin en önemlisi, ilk olarak üst katmanlarda bit düzeyinde uygulanmış, devamında telsiz iletişim sistemlerinde fiziksel katmanda uygulanmaya başlanmış ağ kodlama tekniğidir.Yukarıda değinilen uzay-zaman kodlamalı veya işbirlikli sistemlerin analizinde birçok sönümlemeli kanal modeli kullanılmaktadır. Yapılan analizlerde ayrıca gölgeleme etkisinin de hesaba katılması fiziki ortamla daha da uyumlu sonuçların çıkmasını sağlamaktadır. Bu nedenle literatürde sönümleme ve gölgeleme etkisini birlikte gösteren birleşik kanal modelleri geliştirilmiş ve uzay-zaman kodlamalı veya işbirlikli sistemlerin analizinde kullanılmıştır. Telsiz iletişimdeki gölgelemeli kanalların modellenmesi amacıyla son yıllarda kullanılmaya başlanmış olan önemli bir model, genelleştirilmiş-K dağılım modelidir. Bu model önceden önerilmiş olan lognormal dağılımlı kanal modelleri ile karşılaştırıldığında matematiksel analizin ilerlemesine olanak tanımasından ve birçok sönümlemeli/gölgelemeli kanal durumunu kapsamasından dolayı son yıllarda oldukça popüler olmuştur. Bununla beraber, ağ kodlamalı sistemlerde gölgelemeli/sönümlemeli kanal modeli üzerine henüz bir çalışma yapılmamıştır. Bu tezde, literatürde ilk kez ağ kodlamalı sistemlerin genelleştirilmiş-K dağılımlı kanallardaki başarımı incelenmektedir. Sistemlerin başarımları servis kesilme olasılığı ve simge hata olasılığı üzerinden değerlendirilmiştir. Bu amaçla ilk olarak genelleştirilmiş-K dağılımlı kanallarda fiziksel katman ağ kodlamanın iki kullanıcı ve bir röleden oluşan sisteme uygulanması incelenmiştir. İkinci olarak fiziksel katman ağ kodlamayı Alamouti uzay-zaman blok kodu ile birlikte kullanan iki ayrı sistemin genelleştirilmiş-K dağılımlı kanallardaki hata başarımları elde edilmiştir. Ele alınan birinci sistemde bütün birimler tek verici/alıcı antenli olup, iki kullanıcı, iki rölenin yardımıyla birbirlerine işaretlerini iletmektedir. İkinci sistemde ise iki verici/alıcı antene sahip iki kullanıcı tek antenli bir röle üzerinden iletişimlerini sağlamaktadır.Bu çalışmada, incelenen bütün sistemlere ait başarımlar moment üretme işlevi üzerinden çeşitli kanal durumları için elde edilmiştir. Yapılan analizlerde ilk olarak birimlerin işaret çıkış enerjileri eşit alınmış, devamında sistemlere ilişkin toplam hata başarımını minimum yapan en iyi çıkış enerjileri elde edilmiştir. Elde edilen tüm teorik sonuçlar, bilgisayar benzetimleri yardımıyla doğrulanmıştır.

Abstract:
In wireless communication channels, there are various adverse factors affecting the quality of the signal such as fading, shadowing and noise. Diversity techniques are widely adopted to combat the impact of these factors. Diversity can be obtained in the time, frequency, and space. Space (antenna) diversity is acquired by using multiple antennas at the transmitter and /or the receiver side. The receive diversity technique has been used for many years, but it becomes more difficult to place more than one antenna at receiver due to decreasing size of the mobile units. Then space-time block codes have been emerged as solution of this problem by using multiple antenna at transmitter side. Space-time block coding is a kind of channel coding technique which provide high error performance and high speed.Transmit antenna diversity method is suitable for base stations in the cellular systems, howewer it is difficult to apply it due to the size, cost and hardware complexity constraints. In wireless communication, other nodes referred as relay can help to the source node. Source sends its message to relay then relay forwards it to destination if direct transmission between source and destination cannot provide required reliable communication or source and destination are away from each other. In that case, there is no need to direct communication and the signals can be sent to receiver through aid of the relays. This communication technique is called relaying. Cooperative communication, however, have been recently developed where user and relay can realize virtual antenna array so spatial diversity is obtained even with one-antenna users. In cooperative communication, the relay assists the source by means of relaying.The relays are classified as either non-regenerative or regenerative ones in relaying and cooperative communications. Non-regenerative relays simply amplifies and forwards the received signal, on the other hand the regenerative relays decodes and forwards the received signal to destination. Error performance can be improved significantly both in the relaying system and cooperative systems.Both classical relay and cooperative communication are repetition-based techniques so it requires sub-channel allocation to each users which results in decreasing the bandwidth efficiency. Network coding, which was first applied to the upper layers in bit level and then used in the physical layer, solves mentioned problem in wireless communicatons. The main difference between the network coding and the physical layer network coding is that the physical layer network coding is applied to signals which are in the form of electromagnetic waves. In addition, the physical layer network coding requires less time than the network coding technique. The physical layer network coding consists of two phases referred as media access phase and broadcasting phase. In the media access phase, users send their own signals to a common relay at same time and the relay forwards received signal to users in the broadcasting phase. The physical layer network coding si also konown as two-way relaying.Many channel models have been used for the analysis of fading effect on wireless communication systems. In order to making compatible analysis, the composite fading models are proposed to analyze composite fading/shadowing conditions which are usually encountered in wireless enviroment. Shadowing is commonly modeled using a lognormal distribution and composite channel models such as Rayleigh/Lognormal, Rician/Lognormal and Nakagami/Lognormal. None of these composite models leads to a closed form solution for probability density function of signal to noise ratio at receiver due to use of lognormal distribution. Then, K-distribution, where fading is modeled by Rayleigh distribution and shadowing is modeled by gamma distribution, was offered instead of using Rayleigh\lognormal model. By this model, closed form expressions of the probability density function of the signal to noise ratio can be obtained. However, K-distribution cannot model the line of sight situation. Rayleigh distribution is used to model fading and it has only one parameter that makes difficult to study different levels of fading and shadowing.Recently, there is growing interest at using of generalized-K shadowing/fading channel which is already used in radar applications because it is more suitable for mathematical analysis as compared to lognormal based models and it can cover different levels of fading and shadowing. It has two parameters that one of them is responsible for fading modeled by Nakagami-m distribution, the other is related to shadowing mean power modeled by gamma distribution.In this thesis, three different physical layer network coding systems are analyzed in generalized-K channels. To the best of our knowledge, error performance analysis of physical layer network coding systems over generalized-K channel has not been reported so far. In our analysis, all relays are non-regenarative. All channels are quasi-static which means that the channel coefficients does not change during the media access and the broadcasting phases. Error performance of the systems is analyzed based on the moment generating function method. Pade approximation is used to obtain moment generating function at the users. By using Pade approximation method, infinite sum series turn into the sum of finite number terms which yields sufficient accuracy. Therefore, moment generating functions of the users are expressed in Taylor series form where the moments of signal to noise ratios are coefficients of the series. After the moment generating function is derived, outage probabilities and symbol error rates are calculated for different channel conditions. The analytical results are verified by computer simulations.Three physical layer network coding systems are investigated over generalized-K channels in this thesis. We assume that all nodes equally share total transmit energy for different shadowing/fading levels.These systems can be classified into two categories: classical physical layer network coding and space-time coded physical layer network coding systems where Alamouti space-time block code is used.Firstly, physical layer network coding system which consists of two users and one relay is presented. The users and relay sends uncoded signals to each other. Two time slots are needed for one signal exchange between users. We further investigate an energy allocation problem to optimize the system performance by allocating total energy among users and relay in different channel conditions.Secondly, two physical layer network coding systems using Alamouti space-time block code are examined. In the first space-time coded system, all units have single transmit/receive antenna and units send own Alamouti space-time block codes to each other with the help of two relays where four time slots are required. In the second space-time coded system, there are two users each having two transmit/receive antennas and a relay having one transmit/receive antenna. Error performance of three systems is compared under the equal total energy assumption. It is shown that space-time coded systems have diversity gain due to use of space-time block code so they have superior error performance than the uncoded one. In addition, the system where users having two transmit/receive antennas and a relay having one transmit/receive antenna has the best error performance.The main contributions of this thesis can be summarized as follows: Firstly, the performance of the classical physical layer network coding system consisting of one-antenna users and relay are investigated. We also find the optimum energy allocation numerically. Secondly, space-time coded physical layer network coding where two relay and two users have one antenna is considered. Then, we also investigate the system where users transmit space time block code utilizing two transmit/receive antennas and relay has one antenna. We derive both symbol error rates and outage probabilities for the systems under consideration over different channel conditions. Theoratical results are further verified by computer simulations.