İşbirlikçi çeşitlemeli sistemlerde güç tahsis katsayılarının eniyilenmesi ile bit-hata başarımının arttırılması
Improvement of the bit error performance of cooperative diversity networks through optimization of power allocation coefficients
Yazar: MERT DEVA
Danışman: PROF. DR. MEHMET ERTUĞRUL ÇELEBİ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Telekomünikasyon Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2008
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Son yıllarda işbirlikçi çeşitleme konusu telekomünikasyon dünyasında büyük ilgi uyandırmıştır. Bir çok araştırmacı tarafından gösterilen, işbirlikçi çeşitlemenin haberleşme sisteminin performansını arttırdığıdır. Özellikle bu performans artışı, bit hata oranını ve kesinti (outage) olasılığını azaltılarak sağlanmaktadır. Belirli bir işaret gürültü oranı için bit hata oranındaki azalma, gerekli bit hızlarına veya kanal kapasitesine daha düşük işaret gürültü oranlarında ulaşmayı mümkün kılmaktadır. Bu durum da geleneksel direkt iletime göre daha düşük yayın gücü ile iletim yapılmasına ve mobil birimlerde daha uzun pil ömrü elde edilmesine olanak sağlamaktadır.Geçen zamanda birçok iletim protokolü geliştirilmiştir. Bu protokoller, yenileyeci (rejeneratif) protokoller, yani işaretin röle tarafından alındıktan sonra tekrar oluşturularak hedefe gönderildiği protokoller ve yenilemeyen fakat kuvvetlendiren protokoller, yani rölenin kaynaktan aldığı işareti yeniden üretmeden sadece kuvvetlendirerek hedefe ilettiği protokoller olarak iki sınıfta toplanabilirler.İletim protokollerinin geliştirilmesinin ardından güç tahsisi konusu sistem performansını arttırıp, toplam yayın gücünü azaltmak için önemli bir araştırma konusu olmuştur. Bu tezde, toplam işaret gürültü oranını enbüyüklenecek ana parametre olarak seçip, en iyilenmeli güç tahsisinin farklı zaman kanallarında ve çeşitli protokoller ile gerçeklenmesi durumu incelenmiştir.Tüm bunlara ek olarak, çarpışmalı (birden fazla kanaldan farklı işaret aynı zaman diliminde alıcıya vardığı) ve çarpışmasız (birden fazla kanaldan farklı işaret farklı zaman dilimlerinde alıcıya vardığı) sistem modelleri ayrı ayrı incelenmiştir. Bu modellerde, farklı işaret gürültü oranları için çöz ve ilet gibi yineleyici protokoller üstün çıkarken, farklı işaret gürültü oranlarında ise kuvvetlendir ve ilet gibi yinelemeden kuvvetlendiren protokollerin öne çıktığı yapılan hesaplamalar ve simülasyonlar sonucunda anlaşılmıştır.Yine bu tezde incelenen diğer konu da güç eniyilenmesi yapmanın ne tür avantajlar sağladığının incelenmesidir. Bu kapsamda kuvvetlendir ve ilet protokolünde tüm gönderilen bloklar için işaret gürültü oranını enbüyükleyen güç tahsis katsayıları bulunmuştur; sonrasında tüm bloklar için tek bir güç tahsis katsayısı kullanmak mı yoksa her blok için ayrı güç tahsis katsayısı kullanmak mı daha avantajlı sorusuna yanıt aranmıştır. Yapılan simülasyonların sonucunda blok başına anlık güç tahsisi yapmanın tüm sembol serisi için eniyilenme yapmaya göre 0,5-1dB arasında işaret gürültü oranında kazanç sağladığı görülmüştür. Böylece, işbirlikçi çeşitlemenin var olan çeşitleme kazançlarına ek olarak, güç eniyilenmesi sayesinde daha da iyi bit hata performansı sağladığı gözlemlenmiştir.Son olarak, çöz ve ilet protokolü için direkt iletim ile eşit güç tahsis algoritmasını kanal koşullarına göre seçip iletim yapan melez bir algoritma önerilmiş olup, bu algoritma, eşit güç tahsis algoritmasıyla karşılaştırılmıştır. Karşılaştırma sonunda, melez algoritmanın belirli bit hata oranı değerleri için işaret gürültü oranında 1-3 dB'lik bir kazanç sağladığı gözlemlenmiştir.

Abstract:
Recently, the issue of cooperative diversity has drawn a lot of attention in the telecommunications community. It is shown by many of the researchers that cooperative diversity increases the performance of the communication system specifically by reducing the bit error rate and reducing the outage probability. As a result of bit error rate reduction on a specific signal to noise ratio (SNR), necessary bit rates can be obtained on lower SNR levels, which contributes to lower signal broadcast power requirement, and a longer battery life than the conventional direct transmission schemes is maintained.A number of transmission protocols have been developed including regenerative protocols which take the signal, regenerate and retransmit it or non-regenerative protocols which amplify the received signal and retransmit it as a ?dummy relay? to the destination node.After the development of the relaying protocols, power allocation is another challenge to increase the system performance and decrease the total broadcast power. In this thesis, SNR is the key parameter to maximize to obtain the optimal power allocation on different time slots under some of protocols.Add to this, colliding system models in which multiple signals are proceeded to the receiver from different channels on the same timeslot and non-colliding system models in which multiple signals are proceeded to the receiver from different channels on the different timeslots are investigated separately. In these system models, on some of the SNR levels regenerative protocols like decode and forward have a better bit error performance than non-regenerative protocols, on the other SNR levels non-regenerative protocols like amplify and forward have a slightly better performance than the regenerative ones as a result of analytical calculations and computer simulations.Another issue that is being investigated in this thesis is the advantages of the optimal power allocation. Accordingly, power allocation coefficients that are maximizing signal to noise ratio are calculated. After this, optimization of power allocation coefficients of entire block series and block by block optimization have been investigated. According to the simulation results, block by block optimization has been found 0,5-1dB superior than entire series optimization and equal power allocation as having a better SNR performance. Add to the profits of cooperative diversity, it is found that optimal power allocation is much more improving bit error performance of the systems.Lastly, an hybrid power allocation algorithm which selects direct transmission or equal power allocation according to the channel conditions has been proposed for decode and forward protocol. This hybrid power allocation technique has been compared with equal power allocation. As a result of comparison of two different algorithms, it has been observed that the hybrid power allocation has 1-3dB better diversity gain than equal power allocation.