İşbirlikli kablosuz sistemler için ağ kodlamalı tekrar gönderim isteği yöntemleri
Network coded automatic repeat request methods for cooperative wireless systems
Yazar: RAŞİT TUTGUN
Danışman: DOÇ. DR. EMRE AKTAŞ
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2015
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Tekrar gönderim isteği (ARQ), iletim güvenilirliğini arttırmak için haberleşme sistemlerinde kullanılan bir hata kontrol mekanizmasıdır. Kablosuz iletişim kanalının ilintili sönümlemeli doğası gereği paket hataları rasgele olmaktan çok grup halinde ortaya çıkabilmektedir. Bu gibi durumlarda geleneksel ARQ verimli olmaz ve bağlantı katmanındaki performansı ciddi şekilde düşer. Son yıllarda bu engeli aşmak için işbirlikli haberleşme kavramlarını ARQ içinde kullanmanın yöntemlerinin araştırıldığı çalışmalar literatürde görülmektedir. İşbirlikli haberleşme kavramı 2000'li yılların başından itibaren sönümlemeli kanallarda çeşitlemeyi sağlayan bir yöntem olarak yoğun biçimde incelenmiştir. Bu kavramın ARQ mekanizmasında kullanılması ise hatalı bir mesajı sürekli aynı sönümlenmiş kanaldan tekrar göndermek yerine bağımsız sönümlenmiş başka bir kanaldan göndererek çeşitlemeyi bağlantı katmanında sağlamış olur. Literatürdeki araştırmalar işbirlikli ARQ kullanmanın geleneksel ARQ kullanmaya göre avantajlarını analiz ve benzetim sonuçlarıyla göstermiştir.
İşbirlikli haberleşmenin bir genellemesi olarak görülebilecek ağ kodlamasının üzerindeki çalışmalar son yıllarda yoğunlaşmıştır. Ağ kodlamasında işbirliği yapan röle düğümleri kaynaktan aldıkları paketleri olduğu gibi hedefe göndermek yerine üzerinde işlem yaparak iletebilmektedirler. Bu işlem birden çok paketi hedefte ayrılabilecek şekilde birleştirmektir. Bu şekilde yapılan birleştirmelerin kanalın daha etkin bir biçimde kullanılmasını sağlayarak toplamdaki iletim hızlarında kazançlar sağladığı gösterilmiştir. 
Bu tez çalışması, işbirlikli ARQ protokollerinin ağ kodlaması ile etkinliğinin arttırılmasını amaçlamaktadır. Ağ kodlaması hem işbirliğinin getirdiği çeşitleme kazançlarını elde ettiği hem de paketler arası birleştirmenin getirdiği iletim hızı avantajını kullandığı için ARQ performansını arttırmak üzere ideal bir aday olarak durmaktadır. Bu alanda şu zamana kadar yapılmış olan çalışmalar ağ kodlamalı ARQ yöntemlerinin getireceği kazançları göstermektedir. Ancak mevcut ağ kodlamalı ARQ araştırmaları tekrar gönderim sürecinde işbirliği yapacak düğüm seçimini ve paket birleştirme seçeneklerini sınırlı senaryolar altında ele almaktadır. Tezin temel amacı, çok sınırlı durumları ele alan mevcut çalışmaların aksine, ağ kodlaması literatüründe iyi bilinen ancak henüz işbirlikli ARQ için çalışılmamış durum ve yöntemleri ağ kodlamalı işbirlikli ARQ çalışması kapsamında araştırmaktır. Bunun için tekrar gönderim düğümü seçimi üzerine yeni stratejiler geliştirilmiştir. Ayrıca fiziksel katmanda ağ kodlama için geliştirilmiş olan paket birleştirme yöntemlerinin ARQ'ya has bağlantı katmanına uyarlanması araştırılmıştır. Bu yöntemlerle özgün ağ kodlamalı ARQ stratejileri önerilmiş ve bunların başarımları incelenmiştir. Yeni stratejiler geliştirirken literatürde çoğunlukla kullanılan basit hata modellerinin aksine gerçekçi sönümlemeli kanal ve paket hata modelleri kullanılmıştır.

Abstract:
Automatic repeat request (ARQ) is an error control mechanism used to improve link reliability in communication systems. Due to the correlated fading nature of wireless communication channels, packets errors can occur in groups as opposed to occurring randomly. In those cases, traditional ARQ is not efficient and the link layer performance is significantly degraded. In order to overcome this, in recent years, studies which investigate the use of cooperative communication concepts in ARQ are seen in literature. The concept of cooperative communications has been investigated heavily as a means of providing diversity in fading channels since the early 2000s. The use of this concept in the ARQ mechanism provides the retransmission of an erroneous messages from a different channel rather than retransmitting it from the same channel, thus utilizing diversity in the link layer. Investigations in the literature show the advantages of cooperative ARQ compared with conventional ARQ via analysis and simulation results. 
Network coding, which can be seen as a generalization of cooperative communication, has received significant research attention recently. In network coding, the cooperative relay nodes can process and then forward the packets they receive from the source, as opposed to forwarding them directly. This processing is the form of combining multiple packets in such a way that they can be seperated at the destination. It has been shown that such combinations result in more efficient use of the channel, resulting in improved overall data rates. 
This thesis work aims to improve the efficiency of cooperative ARQ protocols using network coding. Network coding seems an ideal candidate for improving the performance of ARQ as it achieves the diversity gains provided by user cooperation, and also utilizes the data rate advantage of combining packets. The current investigations in this area show the gains of network coding ARQ methods. However current network coding ARQ researches are done for limited retransmitting node choice and limited packet combining scenarios. The main goal of this thesis, contrary to existing studies considering very limited cases, is to investigate the cases and methods which are well-known in the network coding literature, in the context of network coded cooperative ARQ.  To that end, novel strategies for the choice of retransmitting nodes were developed. In addition, adaptation of recent packet combining methods developed for physical layer to link layer for ARQ was investigated. Novel ARQ strategies using these methods were proposed, and their performance was investigated. As opposed to simple error models commonly used in the literature, realistic fading channel and packet error models were used to develop new strategies.