Iki-yönlü röleli kanallarda sınırlı geri beslemeli fiziksel-katman ağ kodlaması
Physical-layer network coding with limited feedback in two-way relay channels
Yazar: SELAMİ ŞAHİN
Danışman: PROF. DR. ÜMİT AYGÖLÜ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Telekomünikasyon Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2012
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
İki kullanıcı arasındaki iletişimin aralarındaki bir röle yardımıyla gerçekleştiği iki-yönlü röle kanallarında (TWRC) uygulanan fiziksel-katman ağ kodlaması (PLNC) protokolünde, bir kullanıcı kod çözme işlemi için gerekli olan röle ile diğer kullanıcı arasındaki kanal durum bilgisini (CSI) fazladan bir protokol karmaşıklığı olmadan tam olarak elde edememektedir. Bu tezde, CSI'nın kısmi olarak röle tarafından kullanıcılara bildirilmesini sağlayan sınırlı geri besleme tekniği PLNC protokolüne uygulanmıştır. Kuvvetlendir-ve-ilet (AF), çöz-ve-ilet (DF) ve kısmi-çöz-ve-ilet (PDF) stratejileri ile BPSK ve QPSK modülasyonları kullanılmıştır. İlk olarak, tüm birimlerde tek anten olması durumunda geri besleme biti sayısına bağlı sıkı bit hata olasılığı (BEP) üst sınırları tüm stratejiler için analitik olarak türetilmiştir. Bilgisayar benzetimleriyle, birimlerde tüm-CSI'nın bilindiği durumdaki bit hata oranı (BER) başarımına bir kaç geri besleme biti ile ulaşıldığı gösterilmiştir. İkinci olarak, önerilen teknik, birimlerde iki antenin olması durumunda Alamouti dik uzay-zaman blok kodu kullanılarak DF ve PDF stratejilerine uygulanmıştır. DF stratejisi için, BEP'in üst ve alt sınırları analitik olarak kapalı biçimde türetilerek BER başarımının iyileştirildiği gösterilmiştir. Bu sistemde, klasik PDF stratejisi çeşitleme kazancını azalttığından, sınırlı geri beslemeli değiştirilmiş-PDF (MPDF) stratejisi önerilmiştir. Bilgisayar benzetimleriyle, MPDF in klasik PDFe göre çok daha iyi BER başarımı sağladığı gösterilmiştir. Son olarak, önerilen teknik, tek antenli iki kullanıcı ve iki antenli bir röle için AF stratejisine uygulanmıştır. Klasik AFde, birimlerde tüm-CSI bilindiğinde bile tam çeşitleme sağlanamamaktadır. Oysa, geri beslemeli AF stratejisinde tam çeşitlemeye ulaşıldığı analitik olarak gösterilmiş ve klasik AFe göre çok daha iyi BER başarımları sağlanmıştır.

Abstract:
In physical-layer network coding (PLNC) protocol applied to two-way relay channels (TWRC) where communication between two users is provided by means of a relay between them, one user can not obtain for decoding, channel state information (CSI) between relay and other user, without extra protocol complexity. In this thesis, limited feedback technique which provides partial CSI for users from relay is introduced into PLNC protocol. Amplify and forward (AF), decode and forward (DF) and partial-decode-and-forward (PDF) strategies and, BPSK and QPSK modulations are considered. First, for the scheme where all nodes have single antenna, analytical upper bounds on bit error probabilities (BEP) depending on the number of the feedback bits are derived. Computer simulations show that bit error rate (BER) performance of the system with full-CSI at all nodes is achieved by using a few number of feedback bits. Second, proposed technique is applied to DF and PDF strategies when all nodes have two antennas, using Alamouti orthogonal space-time block code. For DF strategy, closed form upper and lower bounds on BEP are derived analytically to show the improved BER performance. Since classical PDF decreases diversity for this system, modified PDF strategy with limited feedback is proposed. It is shown via computer simulations that MPDF provides significantly better BER performance than the classical PDF. Finally, proposed technique is applied to AF strategy when each user has single and relay has two antennas. In classical AF, full-diversity is not provided although all nodes have full-CSI. However, for AF with limited feedback, it is shown analytically that full-diversity is reached and significantly better BER performance is achieved compared to classical AF.