AF ve DF tabanlı işbirlikli sistemlerde röle seçimi
Relay selection in AF and DF based cooperative systems
Yazar: AYŞE İPEK AKIN
Danışman: YRD. DOÇ. DR. HACI İLHAN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Haberleşme Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2013
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Çok yollu yayılımdan kaynaklanan sönümleme, telsiz iletişim sistemlerinde görülen en önemli bozucu etkidir. Sönümleme etkilerine karşı koyma yöntemlerinden biri uzay veya anten çeşitlemesi olarak da bilinen, çok girişli çok çıkışlı (multi input multi output, MIMO) sistemler kullanmaktır. Çoklu anten kullanmak baz istasyonları için uygun olmasına karşın, donanım karmaşıklığı ve maliyet açısından gezgin birimler için çok uygun değildir Bu engele alternatif bir çözüm olarak, "işbirlikli iletişim" tekniği yaygınlaşmaktadır. İşbirlikli röleli iletişimde, kaynaktan gönderilen mesajlar hedefe, hücre içindeki uygun diğer kullanıcılar veya röleler üzerinden kuvvetlendir ve ilet (amplify and forward, AF) veya çöz ve ilet (decode and forward, DF) aktarma yöntemleriyle iletilmektedir. İşbirlikli iletişimde, gezgin birimler tek verici / tek alıcı antene sahip olsalar bile tüm sistemde dağıtılmış anlamda uzay çeşitlemesi elde edilebilmektedir. Son yıllarda yapılan araştırmalarda, işbirlikli röleli sistemlerin, işbirliği yapılmayan sistemlere göre aynı işaret-gürültü oranında (Signal-to-noise ratio, SNR) hata başarımını iyileştirebileceği görülmüştür. İşbirliği yapılarak elde edilen bu başarım, sistemde kullanılan röle sayıları artırılarak daha da iyileştirilebilir.
Literatürde, ele alınan sistemlerde terminaller arasındaki kanallar genellikle Rayleigh ve Nakagami-m dağılımlı olarak modellenmiştir. Fakat haberleşen terminallerden birkaçı veya hepsinin hareketli terminaller olması durumunda bu klasik dağılımların yetersiz kaldığı ve bu dağılımların yerine çarpımsal kanal modeli veya kaskat kanal modeli adı verilen modellemelerin kullanılabileceği yapılan deneysel çalışmalarla gösterilmiştir.
Bu tezde AF ve DF tabanlı işbirlikli röle sistemlerinde röle seçimi algoritmaları incelenerek yeni algoritmalar önerilmesi planlanmıştır. Bu sistemlerde farklı kablosuz kanal yapıları (Rayleigh, Nakagami-m, kaskat kanallar) ele alınmıştır. Öncelikle ele alınan sistemlerin hata performansları yani Monte Carlo simülasyonları bilgisayar ortamında gerçekleştirilmiştir. Sonrasında, özellikle, uçtan-uca SNR ve istatistikleri (olasılık yoğunluk fonksiyonu (PDF), olasılık dağılım fonksiyonu (CDF), moment üreten fonksiyonu (MGF)) türetilerek sistemin servis kesilme olasılığı ve bit/simge hata olasılığı (BER/SER) ifadeleri elde edilmiştir.
Ayrıca DF tabanlı işbirlikli röle sistemleri için hata yayılımını azaltıcı metodlar kullanılmış ve yeni yöntemler önerilerek sistem başarımları araştırılmıştır. DF tabanlı işbirlikli telsiz iletişim sistemlerinde röledeki sezim hatalarının hedefteki başarımı olumsuz etkilemesi sonucu hata yayılımına sebep olmaktadır. Bu problem için çözümler literatürde genelde tek antenli sistemler için önerilmiştir. Bu tezde bu çözümlerden, işbirlikli en büyük oran birleştirmesi (Cooperative maximal ratio combining, C-MRC) ve sanal gürültü (virtual noise, VN) yöntemleri üzerinde durulmuştur.

Abstract:
In wireless channels, the most disruptive effect is the fading which is caused by multipath propagation. One of the methods to avoid these fading effects is using multi input multi output (MIMO) systems. This method is also known as space or antenna diversity. Although using multiple antennas is feasible for base stations, it is not suitable for mobile units because of hardware complexity and cost. Thus cooperative communication techniques have become a popular alternative solution to MIMO systems. In cooperative communications, network nodes (users or relays) help the transmission of the message to the destination by using amplify and forward (AF) or decode and forward (DF) methods. This achieves spatial diversity gains in a distributed manner even if the users have single antennas. Recent research have shown that the relay/cooperative systems provide better error performance compared to non-cooperative systems at the same signal-to-noise ratio (SNR). The performance of cooperative systems can be further improved by increasing the number of relays.
In the literature, the channels between the terminals are usually modelled as Rayleigh and Nakagami-m distribution.However when terminals are in motion, all these classical distributions are inadequate. For this case, experimental studies show that a new model which is named as multiplicative channel model or cascaded channel model is used instead of these classical distributions.
In this thesis, the effects of relay selection on the error performance of the cooperative systems using AF and DF relaying is investigated over different channel models (Rayleigh, Nakagami-m, Cascaded channels). Error performance analysis for cooperative/relay systems is studied for several system and channel models. Specifically, by deriving end-to-end signal-to-noise ratio (SNR) and its statistics (e.g. probability density function (PDF), cumulative distribution function (CDF) and moment generating function (MGF)), outage probability and bit/symbol error rate (BER/SER) expressions are obtained.
Also, application of error propagation reduction techniques and development of new methods are investigated. Error propagation occurs in DF based wireless cooperative communication systems due to the detection errors at the relay terminals affecting the performance at the destination in a negative way. In this thesis cooperative maximal ratio combining (C-MRC) and virtual noise (VN) methods are focused on.