Çoklu erişim röle kanallarında evre uyumsuz işbirlikli iletişim teknikleri

Abstract

Telsiz haberleşme sistemlerinde karşılaşılan en önemli sorunlardan birisi sönümlemedir. İşaret gücünün düşmesine neden olan sönümleme etkisinin çözümünde kullanılan yöntemlerden biri çeşitlemedir. Çeşitleme uzay, zaman ve frekans gibi boyutlarda yapılmaktadır. Bu yaklaşımlardan uzay (anten) çeşitlemesi özellikle çok girdili çok çıktılı (Multiple Input Multiple Output, MIMO) sistemlerde kullanıldığı ve sağladığı üstün performans artışı ve diğer çeşitleme teknikleri ile birlikte kullanıma elverişli olması nedeniyle öne çıkmaktadır. Ancak, çoklu anten kullanmak baz istasyonları için uygun olmasına karşın, boyut ve batarya gücü sınırları nedeniyle gezgin birimler için çok uygun değildir ve bu engele alternatif bir çözüm olarak, “işbirlikli iletişim” tekniği yaygın olarak kullanılmaktadır. İşbirlikli röleli iletişimde, kaynaktan gönderilen mesajlar hedefe iletilirken, hücre içindeki uygun diğer kullanıcılar veya röleler üzerinden genelde kuvvetlendir ve ilet (amplify and forward, AF) veya çöz ve ilet (decode and forward, DF) gibi aktarma yöntemleriyle iletilmektedir. İşbirlikli iletişimde, gezgin birimler tek verici / tek alıcı antene sahip olsalar bile tüm sistemde dağıtılmış (distributed) 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 ve iletim hızını artırabileceği görülmüştür. 2 İşbirlikli iletişim sistemlerinde ortaya çıkan önemli problemlerden birisi, mevcut radyo terminallerinin aynı frekans bandında hem alıcı hem verici olarak çalışmaması nedeniyle ortaya çıkan ve sistemdeki terminal sayısıyla orantılı olarak artan spektral verimlilik kayıplarıdır. Söz konusu band genişliği azalması problemini ortadan kaldırmak üzere röle düğümlerinin aldıkları işaretleri birleştirip yeni paketler oluşturarak hedefe iletim yaptığı ağ kodlaması yaklaşımı önerilmiştir [6]. Böylelikle iletilen paket sayısı azaltılarak ağ kapasitesinde artış, gecikmenin ve tampon belleğin azalması, yönlendirmenin basitleşmesi ve paket iletim gücünün düşmesi gibi birçok önemli avantaj elde edilmektedir. Çok sayıda kullanıcının bir veya daha fazla sayıda röle üzerinden ortak bir hedefe iletim yaptığı çoklu röle erişim kanalı (Multiple Access Relay Channel, MARC) ağ kodlamasının önde gelen uygulamalarındandır. İşbirlikli iletişim sistemlerinin üzerine yapılmış çalışmaların büyük çoğunluğunda alıcı terminallerde kanal durum bilgisinin mükemmel bir şekilde bulunduğu ve evre uyumlu (coherent) algılama yapıldığı varsayılmaktadır. Kanalın iletilen sembolün hızına göre yavaş değişmesi halinde vericiden gönderilen pilot dizileri ile alıcının düzgün bir kanal kestirimi yapması sağlanabilmektedir. Bununla birlikte kanalın hızlı değiştiği ve taşıyıcı frekansının hatalı kullanıldığı bazı durumlarda kanal kestirim maliyeti oldukça artabilmektedir. Bu sorunu ortadan kaldırmak için evre uyumsuz iletişim önerilmiştir. Bu tezde DF tabanlı işbirlikli röle sistemlerinde çoklu erişim röle kanalları (MARC) ile ilgili algoritmalar incelenerek yeni algoritmalar önerilmiştir. Bu sistemlerde farklı kablosuz kanal yapıları ele alınmıştır. Öncelikle ele alınan sistemlerin hata performansları yani Monte Carlo benzetimleri bilgisayar ortamında gerçekleştirilmiştir ve türetilen teorik sonuçlarla örtüştüğü gözlemlenmiştir. Ayrıca, bu tezde 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. En büyük olabilirlik (Maximum likelihood, ML) tabanlı sezim, logaritmik olabilirlik (Log-likelihood ratio, LLR) tabanlı iletim, en yaygın kullanılan hata yayılımı azaltıcı yöntemlerdir. Sonuç olarak, bu tezdeki çalışmalarla gelecekteki telsiz iletişim ağları tasarımlarına yeni yöntemler önerilerek ve çeşitli senaryolardaki analizlerle yardımcı olunması sağlanacaktır.