Design and performance analysis of diversity schemes for spatial modulation and space shift keying systems
Uzaysal modülasyon ve uzay kaydırmalı anahtarlama sistemleri için çeşitleme yapılarının tasarımı ve performans analizi
- Tez No: 467125
- Danışmanlar: PROF. DR. İBRAHİM ALTUNBAŞ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2017
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Telekomünikasyon Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 119
Özet
Özgün uzaysal modülasyon (spatial modulation, SM) ve uzay kaydırmalı anahtarlama (space shift keying, SSK) sistemleri klasik çok-girdili çok-çıktılı (multiple-input multiple-output, MIMO) sistemlere alternatif olarak önerilmiştir. SM ve SSK sistemlerde, bir modülasyon aralığında yalnızca bir anten iletimde olduğu için, ideal olarak tek radyo-frekans (RF) devresi kullanmak yeterlidir. Bu durum sayesinde, SM ve SSK sistemlerde, kanallar-arası girişim problemi ve verici antenlerin senkronize çalışmasına olan ihtiyaç tamamen ortadan kalkar ve sistem karmaşıklığı azalır. Bu avantajlarının yanı sıra, SM/SSK sistemler sayesinde, klasik MIMO sistemlerden daha iyi hata performansı elde edilebilir. Öte yandan, SM/SSK sistemlerde, iletim sırasında tek bir verici anten aktif olduğu için verici anten çeşitlemesi elde edilememektedir. Bu durum, alıcı anten sayısı az iken hata performansında önemli düşüşlere neden olmaktadır. Bu açıdan, çeşitleme yapılarının SM/SSK sistemler ile birlikte uygulanması önemlidir. Bu tez kapsamında, SM/SSK sistemlerin çeşitleme yapılarıyla birlikte uygulandığı sistemler önerilmekte ve önerilen sistemler için analitik hata olasılığı hesabı yapılmaktadır. Bu kapsamda, ilk olarak Nakagami- m kanal varsayımı altında uçtan-uca SM ile verici anten seçimini (transmit antenna selection, TAS) birleştiren bir MIMO yapı üzerinde durulmuştur. Bu yapıda, kapasiteyi optimize anten seçimi yöntemi ile seçilen antenler üzerinden SM tekniği uygulanmaktadır. Ele alınan sistem için, alıcıdaki işaret-gürültü oranına ilişkin olasılık yoğunluk fonksiyonu (probability density function, PDF) elde edilmiştir. Elde edilen PDF kullanılarak, sistemin kesinti olasılığı kapalı formda elde edilmiştir. Ayrıca, sisteme ait kesinti olasılığı için asimptotik çeşitleme analizi yapılarak sistemin sağladığı çeşitleme kazancı matematiksel olarak ifade edilmiştir ve ele alınan sistemde, verici anten sayısının ve m parametresinin aldığı değerler arttıkça kesinti olasılığı performansının iyileştiği gösterilmiştir. Elde edilen analitik sonuçlar Monte Carlo benzetimleriyle desteklenmiştir. İlk kısımda kesinti olasılığı açısından incelenen verici anten seçimli SM sistem dışında, tezin geri kalan çalışmalarında SSK tekniği kullanılmıştır. Bunun nedeni, SSK sistemlerin sağladığı iyi performans, düşük karmaşıklık ve matematiksel analiz kolaylığıdır. Buna ek olarak, işbirlikli ağların sağladığı üstünlükler düşünülerek SSK tekniği ile işbirlikli ağları birleştiren yapılar üzerinde durulmuştur. Bu kapsamda ilk olarak, iki farklı işbirlikli MIMO yapı üzerinde durulmuştur. Bu yapılardan birinde anten seçimli SSK tekniği, diğerinde ise röle seçimli SSK tekniği kullanılmıştır. Anten seçimli SSK uygulanan işbirlikli MIMO yapıda, kaynaktaki verici antenler kaynak - hedef arasındaki yolun kanal katsayıları arasındaki Öklid mesafelerine göre seçilir. Daha sonra, seçilen antenler üzerinden SSK tekniği uygulanır. Kaynak ile hedef arasındaki doğrudan yola ek olarak, kaynaktan gönderilen işarete doğru karar veren röleler iletişime katılırlar. Önerilen sistemde verici anten sayısının iki olduğu durum için, tam simge hata oranı (symbol error rate, SER) elde edilmiştir. Dahası, verici anten sayısının ikinin herhangi bir pozitif tamsayı kuvveti olduğu durum için sisteme ait yaklaşık SER elde edilmiştir. Buna ek olarak, sistemin SER performansına ilişkin asimptotik çeşitleme analizi yapılmıştır. Önerilen sistemin, aynı sistem yapısına sahip anten seçimsiz SSK sistemden ve yüksek alıcı anten sayısı ve veri hızları için verici anten seçimli klasik M-QAM sistemden daha iyi performans sağladığı gösterilmiştir. Öte yandan SSK tekniği uygulanan röle seçimli yapıda, kaynağın verici antenleri üzerinden SSK tekniği uygulanır. Kaynak ile hedef arasındaki doğrudan görüş hattının yanında, kısmi röle seçimine göre seçilmiş bir röle kaynaktan aldığı bilgi işaretini kuvvetlendirerek hedefe iletir. Sisteme ait tam ve yaklaşık ortalama hata olasılıkları sırasıyla kaynaktaki anten sayısı iki ve ikinin herhangi bir pozitif tamsayı kuvveti için elde edilmiştir. Sistemin sağlayabildiği çeşitleme kazancını bulmak için ise asimptotik çeşitleme analizi yapılmıştır. Önerilen sistemin röle seçimli klasik işbirlikli tek-girdili çok-çıktılı (single-input multiple-output, SIMO) sistemden daha iyi hata performansı sağladığı gösterilmiştir. Bu tez çalışmasının son bölümünde, çok atlamalı ağların sağladığı yüksek kapsama alanı ve iletişim güvenilirliği göz önüne alınarak, bu ağların SSK sistemler ile birlikte uygulandığı yapılar üzerinde durulmuştur. Bu kapsamda SSK tekniği üç farklı çok atlamalı yapıda incelenmiştir. İncelenen ilk yapıda, çok atlamalı çok yollu bir sistem ele alınmıştır. Ele alınan yapıda, SSK tekniği yalnızca kaynakta uygulanmaktadır. Ayrıca, SSK simgesi kuvvetlendir-ve-aktar (amplify-and-forward, AF) ilkesine göre çalışan tek antenli işbirlikli röleler üzerinden kaynaktan hedefe iletilmektedir. Çok yollu bir sistem ele alındığı için, kaynaktan gönderilen işaret farklı yollar üzerinden hedefe ulaşmaktadır. Ele alınan sistemde kaynakta iki verici anten bulunan ve çok atlamalı tek yoldan iletim yapılan duruma ait çiftsel hata olasılığına ilişkin oldukça tutarlı bir alt sınır elde edilmiştir. Ayrıca, kaynakta ikinin pozitif tamsayı kuvveti kadar verici anten bulunan çok atlamalı çok yoldan iletim yapılan duruma ait ortalama bit hata oranı için yaklaşık bir ifade elde edilmiştir. Teorik analizin yanında, önerilen sistemin kaynakta klasik M-QAM uygulanan, tek-girdili çok-çıktılı yapıdan daha iyi hata performansı sağladığı gösterilmiştir. Elde edilen teorik sonuçlar bilgisayar benzetim sonuçlarıyla desteklenmiştir. Son bölümde incelenen ikinci yapıda, verici anten seçimli çok atlamalı SSK sistemin SER performansı incelenmiştir. Kaynak ile hedef arasında doğrudan görüş hattı bulunmayan bu yapıda, kaynakta ve rölelerde birden çok sayıda verici anten; hedefte ve rölelerde birden çok sayıda alıcı anten bulunmaktadır. Kaynakta seçilen antenler üzerinden SSK tekniği uygulanmaktadır. Röleler ise, kendilerine gelen işareti çözmekte ve kaynaktaki gibi seçilen verici antenler üzerinden SSK tekniği ile göndermektedir. Önerilen sistem için sisteme ait tam SER ile oldukça uyumlu yaklaşık ve asimptotik SER ifadeleri elde edilmiştir. Önerilen sistemin, aynı sistem yapısına sahip anten seçimsiz çok atlamalı SSK sistemden ve yüksek alıcı anten sayısı ve veri hızları için verici anten seçimli klasik çok atlamalı M-QAM sistemden daha iyi SER performansı sağladığı gösterilmiştir. Bu tez çalışmasında son olarak, yol seçimli çok atlamalı SSK sistem yapısı önerilmiştir. Kaynak ile hedef arasında doğrudan görüş hattı bulunmayan bu yapıda, kaynakta ve rölelerde birden çok sayıda verici anten; hedefte ve rölelerde birden çok sayıda alıcı anten bulunmaktadır. Bu yapıda, mevcut çok atlamalı yollar arasından en iyisi seçilmekte ve kaynaktan gönderilen işaret seçilen yolda bulunan röleler üzerinden atlamalı olarak hedefe ulaşmaktadır. Röleler, kendilerine gelen işareti çözmekte ve kaynaktaki gibi SSK esleme yaparak kendilerinden bir sonraki alıcı birime iletmektedir. Önerilen yol seçimli sistem için yaklaşık ve asimptotik SER ifadeleri kapalı formda elde edilmiştir. Kısacası, bu tez kapsamında gelecek nesil iletişim sistemleri için umut verici olan gelişmiş SM ve SSK teknikleri incelenmiştir. Bu açıdan, bu teknikler çeşitleme teknikleri ile birleştirilerek yeni sistemler önerilmiştir. Önerilen sistemlerin klasik MIMO sistemlere göre sağladığı üstünlükler ortaya konmuştur. Buna ek olarak, önerilen sistemlerin hata performanslarına ilişkin teorik ifadeler elde edilmiştir. Elde edilen teorik ifadeler bilgisayar benzetimleriyle desteklenmiştir.
Özet (Çeviri)
Novel single radio-frequency (RF) chain spatial modulation (SM) and space shift keying (SSK) systems are proposed as an alternative to conventional multiple-input multiple-output (MIMO) systems. In this thesis work, advanced SM/SSK systems are proposed and the performance of these systems is investigated and the advantages against the conventional MIMO systems are demonstrated. In this study, at first, the outage performance of point-to-point MIMO scheme combining SM with transmit antenna selection (TAS) is investigated in Nakagami-m channels for arbitrary m values. In this scheme, transmit antennas which maximize capacity of the system are selected for transmission and then SM is applied by using the selected transmit antennas. For this system, probability density function (PDF) of the received signal-to-noise ratio is derived and then, a closed-form expression for the outage probability of the system is derived by using this PDF. The asymptotic diversity analysis is also performed to demonstrate the achieved diversity order of the system. It is shown that outage performance of the system is improved when fading parameter m and/or number of transmit antennas increase. The derived analytical results are validated by Monte Carlo simulations. Besides the investigation of SM with TAS in Nakagami-m fading channels, due to its simplicity, good performance and low complexity, SSK is considered in the proposed schemes at the rest of the thesis. In this context, cooperative MIMO schemes combining SSK with TAS and relay selection, respectively, are proposed. In the cooperative MIMO scheme combining SSK with TAS, source transmit antennas are selected based on the Euclidean distances between source and destination channel fading coefficients. SSK is applied by using the selected transmit antennas. Besides the direct link transmission between source and destination, the relays which decode the signal transmitted from the source correctly, take part in the transmission. Exact expression and tight lower bound for symbol error rate (SER) of the proposed SSK system with TAS and cooperative relays are derived when the number of selected antennas is two and an arbitrary integer power of two, respectively. Moreover, an asymptotic diversity analysis for SER of the system is also performed to demonstrate the achievable diversity order of the system. It is shown that the proposed SSK system with TAS outperforms SSK system without TAS. It is also indicated that the proposed SSK system with TAS outperforms the conventional MIMO system, which employs antenna selection at source, for high data rates and sufficient number of receive antennas. On the other hand, in the cooperative MIMO scheme combining SSK with relay selection, SSK transmission is considered by using the source transmit antennas. In addition to the direct link transmission, a relay, which is selected according to partial relay selection technique, amplifies the data received from the source and forwards it to the destination. An exact and considerably accurate upper-bound expression for the average error probability of the proposed cooperative SSK system with relay selection are derived when the number of source transmit antennas is equal to two and an arbitrary integer power of two, respectively. An asymptotic diversity analysis is also performed to demonstrate the achievable diversity orders of the systems. It is shown that the proposed SSK system with partial relay selection outperforms the conventional cooperative single-input multiple-output (SIMO) system with partial relay selection. At the last chapter of the thesis, the performance of SSK modulation in multi-hop relay networks is investigated. In this context, the SSK is studied in three different multi-hop relay schemes. In the first scheme, a multi-hop multi-branch SSK system with amplify-and-forward (AF) cooperative relays is proposed. A MIMO scheme, in which source and destination are equip with multiple transmit and receive antennas, respectively, is considered. In this scheme, SSK is applied using the source transmit antennas and the single-antenna AF relays are used to amplify and forward the transmitted signals from the source to the destination in each hop of each branch. A considerably accurate lower-bound expression on the pairwise error probability of multi-hop single-branch SSK system and approximate expression on the bit error probability of multi-hop multi-branch SSK system are derived for the cases that numbers of transmit antennas are two and an arbitrary positive integer power of two at the source, respectively. It is shown that the proposed SSK system outperforms the classical single-input multiple-output systems for especially high data rates. The derived analytical results are validated by computer simulations. In the second scheme, SER analysis is performed for multi-hop SSK system with TAS. In this scheme, SSK is applied on the selected antennas at each hop. It is assumed that there is no line of sight transmission between source and destination and each receiving terminal decodes and forwards its received signal and maps the decided information bits to the selected antennas according to SSK modulation. For the proposed system, approximate and asymptotic SER expressions are derived and the theoretical results are verified by computer simulations. It is shown that the proposed system provides better error performance than the multi-hop SSK system without TAS, and it is also indicated that the proposed system outperforms conventional M-QAM system for especially high data rates and sufficient number of receive antennas at the destination. Finally, in the third scheme, a multi-hop decode-and-forward SSK system with path selection is proposed. In this scheme, the best path is selected among available multiple branches and source communicates with destination hop by hop through the relays of the selected path. SSK is applied by using source's and the relays' transmit antennas. Closed-form approximate and asymptotic SER expressions are derived for the proposed SSK system with path selection. Consequently, performance of the new proposed SM/SSK systems with diversity schemes is studied in this thesis. The advantages of SM/SSK systems with diversity schemes against the conventional MIMO systems are demonstrated. Moreover, analytical expressions corresponding to error probability of the proposed systems are derived. The derived analytical results are validated via comprehensive computer simulations.
Benzer Tezler
- Design and performance analysis of relay-based cooperative overlay cognitive radio networks
Röle tabanlı işbirlikli üstüne serme bilişsel radyo ağlarının tasarımı ve başarım analizi
SAID ABDELMONEIM ABDELWAHAB EMAM
Doktora
İngilizce
2018
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Prof. Dr. MEHMET ERTUĞRUL ÇELEBİ
- Multiple input multiple output transmission techniques and link adaptation in wireless systems with dual-polarized antennas
Çift yönlü kutuplanmış antenli kablosuz sistemlerde çok girdili çok çıktılı iletim teknikleri ve link uyarlama
YAKUP KILIÇ
Yüksek Lisans
İngilizce
2009
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiBoğaziçi ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. EMİN ANARIM
YRD. DOÇ. DR. MUTLU KOCA
- Conventional NOMA and the interplays with cooperative communication and spatial modulation: Performance evaluation and analysis under imperfect SIC
Geleneksel dik olmayan çoklu erişim (NOMA) ve NOMA'nın işbirlikli iletişim ve uzaysal modülasyonla birlikte uygulanması: Hatalı ardışık girişim engelleyici (SIC) altında performans değerlendirmesi ve analizi
FERDİ KARA
Doktora
İngilizce
2019
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiZonguldak Bülent Ecevit ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ HAKAN KAYA
- Ortak hedefli röleli telsiz iletişim sistemlerinde bit ve enerji verimliliği analizi
Goodput and energy efficiency analysis for wireless relayed communication systems with common destination
SİNAN ATAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HASAN ÜMİT AYGÖLÜ
- Birleşik gölgelemeli ve sönümlemeli kanallar üzerinden işbirlikli iletişimde yol seçimi
Path selection in cooperative communications over composite shadowing and fading channels
ALİ KARADEMİR
Yüksek Lisans
Türkçe
2013
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İBRAHİM ALTUNBAŞ