Güç paylaşımının çöz ve ilet aktarma yöntemini kullanan işbirlikli sistemlerin performansı üzerindeki etkisi
Performance affect of power allocation over decode and forward method based cooperative transmission systems
Yazar: YUNUS EMRE AYHAN
Danışman: DOÇ. DR. HACI İLHAN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Haberleşme Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Elektronik haberleşme = Electronic communication

Özet:
Kablosuz haberleşmede kazanç sağlamak, sönümleme ve gürültü gibi istenmeyen etkenleri önlemek için birden fazla anten kullanımı son yılların araştırma konusudur. Fakat çoklu anten kullanımı, güç kullanımında artış, sistem karmaşıklığının ve maliyetinin artması gibi bir takım zorlukları beraberinde getirmektedir. Bu gibi dezavantajlar, cep telefonları, bir haberleşme ağındaki uç birimler gibi birçok kullanım alanında uygulamaları olanaksız kılmaktadır.
Anten sayısı ve güç açısından sınırlı kalan bu gibi tasarımlar için, işbirlikli sistemler öne sürülmüştür. İşbirlikli sistemlerin temel çalışma prensibi, iletişim birimlerinin sahip oldukları tek anteni paylaşmaları suretiyle, iletim de çoklama yaparak, sanal bir çoklu anten yapısı kurmalarına dayanmaktadır. Bununla beraber işbirlikli sistemler, kapsama alanını, servis kalitesini ve sistem kapasitesini artırmak, güç kullanımını, maliyeti ve sistem karmaşıklığını azaltmak gibi faydalar sunmaktadır.
İşbirlikli sistemler de kullanılan iki temel yöntem, Kuvvetlendir ve Aktar (AF), Çöz ve Aktar (DF) olmaktadır. Bu yöntemlerden ilki olan AF İşbirlikli aktarma sistemlerinde, alınan veri, aktarıcı üzerinde çözülmeden, kuvvetlendirilerek iletilir. Burada en büyük dezavantaj kuvvetlendirilen sinyal üzerinde gürültünün bulunması ve gürültünün de kuvvetlendirilerek iletilmesi iken, avantaj olarak daha az iletim gecikmesi ve düşük uygulama karmaşıklığı verilebilir. Öte yandan DF yönteminde ise aktarılan veri aktarıcı üzerinde çözülüp yeniden kodlanarak hedef terminaline iletilir. Burada ise çözme işleminden dolayı oluşan gecikmeler, ve çözme işleminde oluşabilecek hatalar başlıca dezavantajları oluştururken, gürültünün aktarma sırasında elimine edilmesinin ve ikinci kez aktarılan sinyalin kalitesinin hedefte artması temel avantaj olarak verilebilir.
İşbirlikli sistemler üzerinde, çok fazla çalışma ve yöntem öne sürülmesine karşın, güç paylaşımının sistem kazancına etkisini inceleyen çalışmalar azınlıkta kalmaktadır. Biz bu yüksek lisans tezi çalışmasında güç paylaşımının işbirlikli sistemler üzerinde ki etkisini inceledik. Çalışmamızda rölenin konumunun kazanca olan etkisini ve çoklu röle kullanımının etkisi, birden fazla işbirlikli yöntem için ele alınmıştır.
DF tabanlı işbirlikli iletişim sistemlerinde röle terminalindeki sezim hatalarından kaynaklanan hata yayılımı problemi ile mücadele için çeşitli teknikler önerilmiştir. Bu teknikler arasında işbirlikli en büyük oranlı birleştirme (Cooperative maximal ratio combining, C-MRC), en büyük olabilirlik (Maximum likelihood, ML) tabanlı sezim tekniği, en büyük oranlı birleştirme (Maximal ratio combining, MRC), link uyarlamalı iletim (Link-adaptive relaying, LAR) ve sanal gürültü (Virtual noise, VN) tekniği  başlıca kullanılan tekniklerdir. Bu çalışmada MRC, C-MRC, VN ve LAR için güç paylaşımı etkisi incelenmiştir.
Bu tezde öncelikle literatür özeti incelenerek güç paylaşımının işbirlikli sistemler üzerindeki etkisi konusunda yapılan çalışmalar araştırılmıştır. Tezin amacı belirtilmiş ve yapılan çalışmalar incelendikten sonra bu tezde, güç paylaşımının işbirlikli sistemler üzerindeki etkisi, farklı birleştirme yöntemleri için gözlemlenmiştir. Güç paylaşımının etkisi hali hazırdaki çalışmalarda ki teorik denklemler üzerine yansıtılmıştır. Çoklu röle kullanımı ve güç paylaşımı ilişkisi de elde edilen teorik denklemlerle analiz edilmiştir. 
Ayrıca, bu tezde ele alınan sistemlerin hata performanslarının bilgisayar benzetimleri yapılmış ve türetilen teorik sonuçlarla örtüştüğü görülmüştür.

Abstract:
To provide maximum gain and minimize defects like fading or noise, multiple antenna usage is a fundamental research topic of recent years. However, the use of multiple antennas poses several challenges such as increased power usage, increased system complexity, and cost. Such disadvantages make applications impossible in many areas of use, such as mobile phones, terminals in a communication network, etc.
Cooperative systems were proposed for such designs, which are limited in the number of antennas and power. The basic working principle in collaborative systems is based on the fact that communication units share a single antenna that they have, multiplexing in transmission and establishing a virtual multiple antenna structure. However, collaborative systems offer benefits such as increasing coverage, service quality, and system capacity, reducing power usage, cost, and system complexity.
The two most basic methods used in cooperative systems are Amplify and Forward (AF), Decode, and forward (DF). In AF Cooperative Transmission Systems, which is the first of these methods, the received data was forwarded by being amplified without being decoded on the relay node. While the biggest disadvantage here is the presence of noise on the amplified signal and the transmission of the noise by amplifying it, advantageously, it has less transmission delay and low application complexity. On the other hand, in the DF method, the transferred data is decoded and forwarded on the relay and transmitted to the destination terminal. Here, while the delays due to the decoding process and the errors that may occur during the decoding process constitute the main disadvantages, the elimination of the noise during the transfer, and the quality of the signal transmitted twice, could be given as the main advantage. 
Although there are many studies and methods on cooperative systems, studies that examined the effect of power allocation on system gain, remain in the minority. In this master's thesis study, we examined the effect of power allocation on collaborative systems. Additionally in our study, for more than one cooperative communication combining method, the effect of the position of the relay, and the effect of the use of multiple relays are also considered. 
Various techniques have been proposed in DF-based cooperative communication systems to combat the error propagation problem caused by detection errors at the relay terminal. Among these techniques, Cooperative maximal ratio combining, C-MRC, Maximum likelihood, ML, Maximal ratio combining, MRC, Link adaptive relaying, LAR, and Virtual noise (Virtual Noise, VN) technique are the main techniques used. In this study, the power allocation effect for MRC, C-MRC, VN, and LAR was investigated. 
Initially in this thesis, the literature summary is examined and studies on the effect of power allocation on collaborative systems are investigated. The purpose of the thesis has been specified, and after examining the studies, the effect of power allocation on collaborative systems in different combining methods has been observed. The effect of power allocation has been reflected in the theoretical equations of recent studies. Multiple relay usage and power allocation performance relation analyzed with derived equations.
Also, the bit-error-rate performance of the computer simulations is discussed. It is seen that theoretical results and simulation results are confirmed with each other.