İşbirlikli iletişim ağları için sinyal işleme teknikleri
Signal processing techniques for cooperative communication networks
Yazar: HASAN KARTLAK
Danışman: PROF. DR. AYDIN AKAN ; DOÇ. DR. NİYAZİ ODABAŞIOĞLU
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2015
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Kablosuz iletişim imkânlarının hızla yaygınlaşması, bu iletişimi mümkün kılan sistemlerin karmaşıklığının artmasına sebep olmaktadır. Ayarlanabilir çok sayıda parametreye sahip bu karmaşık sistemlerin yönetilmesi problemi, konvansiyonel yöntemlerin çözebileceğinden çok daha zor bir hale gelmektedir. İşbirlikli iletişim ağları halen araştırma ve geliştirme açısından çok yeni bir konudur. Bir kablosuz ağ üzerinden tam bilinebilen ve güvenilir iletişimin oluşturulabilmesi için halen teknik ve ekonomik zorluklar bulunmaktadır. Sinyal işleme işbirlikli iletişim ağlarında önemli bir rol oynamaktadır. Bu çalışmanın amacı; sinyal işleme teknikleri yardımıyla işbirlikli iletişim ağlarında var olan bu zorluklara çözüm üretmektir.
İşbirlikli haberleşme ağlarında terminaller bilgi gönderirken çeşitleme kazancı sağlamak için ağa dahil diğer terminalleri aktarıcı röle olarak kullanırlar. Bu yöntemle terminallerde çoklu anten kullanımına gerek kalmadan uzamsal çeşitleme kazancı sağlanabilmekte ve bunun sonucu olarak direk haberleşmeye göre bağlantı güvenliği, spektral verimlilik ve iletim hızı üstünlüğü sağlanmaktadır. Bütün bu avantajlarından dolayı son yıllarda işbirlikli haberleşme alanında çalışmalar oldukça artmıştır. Güç sınırlı ağlarda ağ içinde hangi terminal veya terminallerin röle olarak kullanılacağı ve toplam gücün kaynak ve röle(ler) arasında nasıl paylaşılacağının belirlenmesi oldukça kritiktir. Bu kritik problemin çözümüne yönelik bir ortak çoklu röle seçim ve güç optimizasyon yapısı tasarlanmıştır.
İki-yönlü işbirlikli haberleşme aynı zamanda çift yönlü işbirlikli haberleşme olarak da bilinmektedir ve kablosuz ağlarda etkili bir iletişim tekniği olarak sunulmaktadır. Son yıllarda bu yeni iletişim tekniği araştırmalarına ilgi artmıştır. Tek-yönlü işbirlikli iletişime kıyasla iki-yönlü işbirlikli iletişimde ağ içinde hangi terminal veya terminallerin röle olarak kullanılacağı ve toplam gücün kaynak ve röle(ler) arasında nasıl paylaşılacağının belirlenmesi daha karmaşıktır. Bu karmaşık problemin çözümü için tek-yönlü işbirlikli iletişim için tasarlanan ortak çoklu röle seçim ve güç optimizasyon yapısı geliştirilerek iki-yönlü işbirlikli iletişime uyarlanmıştır.
Bilişsel radyo, kablosuz spektrum kaynaklarının kullanımını arttırmak için önerilen ve gelişmekte olan bir teknolojidir. Bilişsel radyo lisanslı birçok kanalın içinde kullanılmayan spektrum bantlarını bağımsız olarak belirlemek ve uyumlu bir şekilde kullanmak için geliştirilmiştir. Girişim ölçütü bilişsel radyonun uygulanması için kullanıcılar arasındaki girişimi belirleyen ve yöneten bir kriter olarak önerilmektedir. İkincil kullanıcının birincil kullanıcı ile birlikte lisanslı spektrumu kullanabilmesi için ikincil kullanıcının birincil kullanıcıya olan girişiminin belli bir eşik değerin altında olması gerekir. Bu durum doğal olarak ikincil kullanıcı veriminin sınırlanmasına neden olacaktır. Dolayısı ile bilişsel ağlarda kabul edilebilir bir ikincil kullanıcı iletişim performansını sağlayabilmek için, gelişmiş iletim tekniklerine ihtiyaç duyulmaktadır. Bilişsel radyo ağlarında ikincil kullanıcıdan birincil kullanıcıya olan girişim kısıtlamaları nedeniyle röle seçim problemi klasik işbirlikli iletişim sistemlerine kıyasla daha karmaşık hale gelebilmektedir. Bu amaçla ikincil kullanıcının birincil kullanıcıya olan girişimini belli bir eşik değerin altında tutarak en iyi röle seçim ve rastgele röle seçim yöntemleri karşılaştırılmış, güç optimizasyonu yardımıyla sistem veriminin arttırılmasına çalışılmıştır. Bu karmaşık problemin çözümü için ikincil kullanıcının birincil kullanıcıya olan girişimin belli bir eşik değerin altında tutularak uyarlanabilir çoklu röle seçimi ve güç optimizasyon yapısı tasarlanmıştır.
Bilişsel radyo ağlarının önemli bir parçası da radyo spektrum uygunluğunun algılanmasıdır. Spektrum sezme, kullanılmayan lisanslı radyo spektrum frekans bantlarının algılanması ile frekans spektrumunun verimliliğini arttırmaktadır. Hem iletimin hem de spektrum sezmenin uygun röleler aracılığı ile yapılabilmesi ve sistem veriminin arttırılması sağlanmıştır.
İşbirlikli uzaysal modülasyon kullanan kablosuz ağlar için yeni bir işbirliği senaryosu ve röle seçim yöntemi sunulmuştur. Önerilen yöntem uzaysal modülasyon kullanan sistemler için en iyi röle seçimine dayanmaktadır. Ayrıca, işbirlikli uzaysal modülasyonun 4 farklı röle grubundan en iyi 4 rölenin seçilmesi ile başarımın arttığı gösterilmiştir. Önerilen yöntemin iletim için ortalama sembol hata oranı performansı bilgisayar benzetimleriyle elde edilmiştir. Sonuçlar, önerilen işbirlikli uzaysal modülasyon yönteminin, sistem başarımını arttırdığını göstermiştir.
Bu tez ile haberleşme tekniklerinden faydalanarak işbirlikli iletişim ağlarında daha verimli bir iletişim sağlanmış olacaktır.

Abstract:
The rapid expansion of wireless communication facilities causes to increase complexity of the systems that make communication possible. The problem of managing these complex systems with a large number of adjustable parameters becomes much more difficult than conventional methods can solve. Cooperative communication networks are still a very new issue for research and development. For complete known and reliable communication over a wireless network, there are still technical and economic challenges. Signal processing plays an important role in cooperative communication networks. The purpose of this thesis is to produce a solution to these challenges with the help of signal processing techniques existing cooperative networks.
In cooperative communication networks, terminals use other available terminals as relays to transmit their messages. As such, spatial diversity gain is achieved without requiring the use of multiple antennas. Consequently improved performance in terms of connection security, spectral efficiency, and transmission speed may be obtained compared to direct transmission. Recently, cooperative transmission techniques have attracted increasing attention due to above mentioned advantages. In communication networks with power limitations, it is a critical problem how to choose which terminal or terminals in the network will be used as relay(s), and how the total power will be shared among the source and the relay(s). To solve this critical problem, a joint multi-relay selection and power optimization structure is designed.
Two-way cooperative communication, also known as bidirectional cooperative communication, is proposed as an effective communication technique for wireless networks, and there has been increasing interest in the research of this new communication technique in recent years. The critical problem of how to choose which terminal or terminals in the network will be used as relay(s), and how the total power will be shared among the source and the relay(s) become much more complicated in two-way cooperative communication compared to the single-way cooperative communication. For the solution of this complex problem, the multi-relay selection and power optimization structure designed for one-way cooperative communication is developed and adapted to two-way cooperative communication.
Cognitive radio is the state of the art wireless communication technique which allows unlicensed users to utilize licensed users' assigned but unused radio spectrum. As such, it provides efficient usage of radio spectrum resources. For the implementation of cognitive radio, interference temperature is proposed as a metric to quantify and manage the interference between primary user (PU) and secondary user (SU). If the interference from SU to PU is less than a threshold, the SU can access the licensed spectrum together with the PU. Eventually, very low transmit power level is allowed for SUs, and thus throughput of SU will be very limited to satisfy high quality of service for the PU. In order to cope with these constraints, improved transmission techniques as well as sensing the available spectrum of the PU are necessary to achieve the desired communication performance in cognitive radio networks. Relay selection problem becomes much more complicated in cognitive radio networks compared to the classical cooperative communication systems, because of interference limitations from SU to PU. For this purpose, the interference from SU to PU is limited, and the best relay selection and random relay selection methods were compared, with the help of power optimization to increase the efficiency of the system studied. To solve the complex problem, an adaptive multi-relay selection and power optimization method is designed with interference limitations from SU to PU.
An important component of cognitive radio networks is sensing the availability of the radio spectrum. Spectrum sensing improves the efficiency of the frequency spectrum by detecting assigned but unused frequency bands of the radio spectrum. By selecting suitable relay for both communication and spectrum sensing, the system efficiency is improved.
A new cooperation scenario and relay selection algorithm is proposed for wireless networks using cooperative spatial modulation. The proposed method is based on the selection of best relay for spatial modulation. In addition, spatial modulation was implemented by selecting 4 best relays from 4 different relay groups, resulting improved performance. The average symbol error probabilities are calculated to test the transmission performance of the proposed method using computer simulations. Results show that the proposed cooperative spatial modulation scheme improves the system performance.
In this thesis, it will be improved the quality of communication with the help of communication techniques in cooperative communication networks.