Coding schemes for energy harvesting and multi-user communications
Enerji hasadı yapılan ve çok-kullanıcılı haberleşme sistemleri için kodlama yöntemleri
- Tez No: 482312
- Danışmanlar: PROF. DR. TOLGA METE DUMAN
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2017
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 171
Özet
Kablosuz sensör ağları, radyo frekans tanımlama sistemleri ve kablosuz beden ağları dahil olmak üzere birçok kablosuz iletişim ve ağ uygulaması enerji hasadı ve kablosuz enerji transferinden yararlanabilir. Enerji hasadının bu tip uygulamalara getirileri arasında, enerji bakımından kendine yeterlilik, erişimi zor yerlerde kullanım olanağı, daha küçük batarya ile ve hatta bataryasız çalışabilen kablosuz birimler sayılabilir. Böyle sistemler, çalışmak için gerekli enerjiyi güneş, termal ya da kinetik enerji gibi yenilenebilir bir enerji kaynağından veya radyo frekansı sinyalleri, yapay ışık vb. gibi insan yapımı bir kaynaktan elde ederler. Enerji hasadı yapılan ağlarla ilgili devre ve cihaz mühendisliği bakımından uzun süredir tasarım ve geliştirmeler yapılıyor olsa da, bu sistemlerin iletişim açısından belirli kısıtlamalarını ele alan çalışmalar ancak son zamanlarda yapılmaya başlanmıştır. Özellikle fiziksel katmanda olmak üzere, önemli zorluklar ve sorunlar aşılmayı beklemektedir. Yukarıdaki zorlukların bazılarıyla mücadele etme isteğiyle, bu tezdeki amacımız enerji hasatlı ve çok-kullanıcılı senaryolar için kapasiteye yaklaşan kodlama şemalarının tasarımı ve analizidir. Bu senaryolar için düşük yoğunluklu parite kontrol (LDPC) kodlarıyla sıralanmış doğrusal olmayan kodlardan yararlanılmıştır. Öncelikle, ortak enerji ve bilgi transferi için özel olarak yeni kod tasarım yaklaşımları çalışılmış, dış LDPC kodlarıyla seri sıralanmış doğrusal olmayan kafes kodlayıcı (NLTC) kullanımı sunulmuş ve dış LDPC kodunun dışsal bilgi transferi (EXIT) analizine dayalı optimizasyonu öncesinde NLTC tasarlamak için uygun bir algoritma geliştirilmiştir. Tasarlanan kodların mevcut noktadan-noktaya (P2P) kodlardan daha iyi başarıma sahip oldukları, zaman değişimli doğrusal kod kullanma alternatifini ve LDPC kodlarının doğrusal olmayan belleksiz eşleyicilerle (NLMM) sıralamasıyla elde edilen referans alternatifini performans açısından geride bıraktıkları görülmüştür. Bu kodlama yöntemi, alıcı kısmında batarya modundaki belleği yok sayan ve bu belleği kafes tabanına dahil eden iki farklı kodçözme varsayımı kullanılarak enerji hasadı kanalı (EHC) için uygulanmıştır. P2P kodlarıyla ve referans şemalarıyla karşılaştırıldığında, yeni tasarlanan kodların tutarlı bir şekilde daha iyi performans sağladığı görülmüştür. Bu kod tasarımı yaklaşımı, hafızasız ayrık girişim kanalları (DMIC) için Han-Kobayashi (HK) kodlama ve çözümleme stratejisi de kullanılarak genişletilmiştir. Sıralanmış kodlama şeması için kararlılık koşulu elde edilmiş ve bu koşul EXIT analizini kullanan dış LDPC kodu tasarlama işleminde kullanılmıştır. Tasarlanan kodların HK alt bölgesinin optimal sınırına yakın oran çiftlerini başardığı ve zaman paylaşımlı tek kullanıcılı kodları geride bıraktığı kanıtlanmıştır. Ayrıca, iki kullanıcılı sönümlenmeli Gauss girişim kanalı için kısa uzunluklu kafes tabanlı kodlar kullanarak kod tasarım prensipleri araştırılmıştır. Sonuç olarak, enerji hasadı yapan vericilere sahip iki kullanıcılı girişim kanalı için açık ve çalıştırılabilir kod tasarlama problemi üzerinde durulmuş, DMIC ve EHC için geliştirilenlere benzer teknikler kullanan bir tasarım yöntemi geliştirilmiştir.
Özet (Çeviri)
Many wireless communication and networking applications can benefit from energy harvesting and wireless energy transfer including wireless sensor networks, radio frequency identification systems and wireless body networks. Some of the advantages that energy harvesting provides for such applications include energy self-sufficiency, ability to implement them in hard-to-reach places, reducing the required battery size or even removing the battery completely from the wireless units. In such systems the required energy for the system operation is obtained from a renewable energy source such as solar, thermal or kinetic energy or from a man-made source such as radio frequency (RF) signals, artificial light, etc. While there has been decades of designs and developments of energy harvesting nodes from circuit and device engineering perspectives, only recent studies consider the specific constraints of these systems from a communications point of view, and significant challenges and problems still remain unsolved, particularly, at the physical layer. With the motivation of addressing some of the above challenges, our main focus in this thesis is the design and analysis of capacity approaching coding schemes for several energy harvesting and multiuser scenarios; in particular, by exploiting nonlinear codes concatenated with low-density parity-check (LDPC) codes for these scenarios. First, novel code design approaches are studied for the joint energy and information transfer specifically, employment of nonlinear trellis codes (NLTCs) in serial concatenation with outer LDPC codes is proposed, and an algorithm is developed to design the NLTCs prior to optimizing the outer LDPC code using the EXIT analysis. The designed codes are shown to improve upon the off-the-shelf point-to-point (P2P) codes and outperform the alternative of utilizing linear codes with time switching and the reference scheme of concatenating LDPC codes with nonlinear memoryless mappers (NLMMs). This coding approach is then examined for the energy harvesting channel (EHC) implementing two decoding approaches at the receiver side wherein the first one ignores the memory in the battery state, while the second one incorporates this memory into the trellis. Compared with the P2P codes and the reference schemes, the newly designed codes consistently offer better performance. This code design approach is explored for the case of discrete memoryless interference channels (DMICs) implementing the Han-Kobayashi (HK) encoding and decoding strategy as well. A stability condition is derived for the concatenated coding scheme and it is utilized in the process of designing the outer LDPC code employing the EXIT analysis. It is demonstrated that the designed codes achieve rate pairs close to the optimal boundary of the HK subregion and outperform the single user codes with time sharing. Furthermore, code design principles are also investigated for the two-user Gaussian interference channel with fading employing trellis-based codes with short block lengths. Finally, the problem of designing explicit and implementable codes is studied for a two-user interference channel with energy harvesting transmitters, and a design framework is proposed employing similar techniques developed for the DMIC and EHC.
Benzer Tezler
- New combined non-orthogonal multiple access techniques for wireless networks
Telsiz iletişim ağları için yeni birleşik dik olmayan çoklu erişim teknikleri
SEDA ÜSTÜNBAŞ GAVAS
Doktora
İngilizce
2023
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HASAN ÜMİT AYGÖLÜ
- Code design for energy harvesting and joint energy and information transfer using run length limited codes
Enerji hasadı ve ortak enerji ve bilgi transferi için çalışma uzunluğu sınırlı kodları kullanarak kod dizaynı
MERT ÖZATEŞ
Yüksek Lisans
İngilizce
2018
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiMühendislik Bilimleri Ana Bilim Dalı
PROF. DR. TOLGA METE DUMAN
- Semiconductor quantum dots driven by radiative and nonradiative energy transfer for high-efficiency hybrid leds and photovoltaics
Yarı iletken nanokristal kuvantum noktacıkların ışımalı ve ışımasız enerji transferi kullanımı ile verimliliği artırılmış melez ışık yayan diyotlar ve güneş gözeleri
BURAK GÜZELTÜRK
Yüksek Lisans
İngilizce
2011
Bilim ve Teknolojiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü
DOÇ. DR. HİLMİ VOLKAN DEMİR
- 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
- Bilişsel radyo ağları için uzaysal modülasyonlu spektrum paylaşım protokolleri
Spatially modulated spectrum sharing protocols for cognitive radio networks
SEDA ÜSTÜNBAŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HASAN ÜMİT AYGÖLÜ