Geri Dön

Design and performance analysis of relay-based cooperative overlay cognitive radio networks

Röle tabanlı işbirlikli üstüne serme bilişsel radyo ağlarının tasarımı ve başarım analizi

PDF İndir

  1. Tez No: 506528
  2. Yazar: SAID ABDELMONEIM ABDELWAHAB EMAM
  3. Danışmanlar: Prof. Dr. MEHMET ERTUĞRUL ÇELEBİ
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2018
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Telekomünikasyon Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 116

Özet

Telsiz iletişimin hızla artan büyümesi, artan sayıda gelişmiş telsiz uygulamalar ve servisler desteklemeye yönelik talebin artması nedeniyle, radyo spektrumunun kullanılabilirliği oldukça yetersiz olmaktadır. Ayrıca, birçok çalışma, spektrumun çoğunun verimli kullanılmadığını bildirmiştir. Böyle bir sorunu çözmek için, bilişsel radyo (cognitive radio -- CR), radyo spektrumunun kullanımının artırılması için umut verici bir teknoloji olarak önerilmiştir. Bu teknoloji yetersiz kullanım karşısında spektrum kıtlığını etkili bir şekilde çözebilir. CR ağlarında lisanssız ikincil kullanıcıların (secondary users -- SU) birincil kullanıcılar (primary users -- PU) için lisanslanmış radyo spektrumunun kullanmasına veya paylaşmasına aktif veya aktif olmadıklarında PU'lerin başarımını düşürmeden izin verilir. CR ile ilgili araştırma üç temel spektrum paylaşım yaklaşımı ile sınıflandırılabilir: araya karıştırma (interweave), altına serme (underlay), ve üstüne serme (overlay). Araya karıştırma yaklaşımında, SU'lerin sadece PU'ler aktif olmadığında spektrumu kullanmalarına izin verilir. Altına serme yaklaşımında, SU'ların, PU'lerin alıcılarında kabul edilebilir bir girişim seviyesi ile spektrumları PU'ler ile paylaşmasına izin verilir. Üstüne serme yaklaşımında, SU'ların akıllı olmaları ve PU'ler arasındaki iletişimi işbirlikli olarak sürdürmeleri ya da geliştirebilmeleri ve aynı anda kendi iletişim için spektruma erişebildikleri varsayılmaktadır. Bu tez boyunca üstüne serme yaklaşımını ele alıyoruz. Kıt spektrumun verimli kullanımını daha da artırmak için uzaysal modülasyon (spatial modulation -- SM) ve ortogonal olmayan çoklu erişim (non-orthogonal multiple access -- NOMA) gibi, çeşitli modülasyon ve çoklu erişim teknikleri önerilmiştir. SM ve NOMA, spektrum kullanımını ve ağ kapasitesini verimli bir şekilde geliştirmek için, sırasıyla uzaysal ve güç alanları kullanırlar. SM, çoklu giriş çoklu çıkış (multiple input multiple output -- MIMO) sistemlerinde kanallararası girişim ve anten arası eşzamanlama sorununu etkin bir şekilde ortadan kaldıran uzaysal çoğullama tekniği olarak önerilmiştir. SM, her işaretleşme aralığında sadece bir verici antenin aktif olmasına izin verir; yani her işaretleşme aralığında sadece bir radyo frekans zinciri kullanılır. SM, klasik genlik ve faz modülasyonu (amplitude and phase modulation -- APM) tekniklerinin kullanımının yanı sıra bilgi aktarımı için aktif anten indisini kullanarak spektral verimliliği artırır. SM'nin başarımını daha da artırmak için verici anten seçimi (transmit antenna selectıon -- TAS) teknikleri önerilmiştir: özellikle kapasite en uygun hale getirmek için anten seçimi (capacity optimized antenna selection -- COAS) ve Öklid uzaklığını en uygun hale getirmek için anten seçimi (Euclidean distance optimized antenna selection -- EDAS). Öte yandan, NOMA, 5G sistemleri için bir spectrum-verimli çoklu-kullanıcı erişim adayıdır. NOMA, aynı zaman/frekans kaynak bloğu ile ancak farklı güç seviyelerine sahip birden fazla kullanıcıyı destekler. Buda geleneksel ortogonal çoklu erişim (orthogonal multiple access -- OMA) tekniklerine göre spektral verimliliği önemli ölçüde artırır. İki kullanıcılı bir senaryoda, NOMA, daha düşük kanal kazancı olan kullanıcıya daha yüksek güç ve daha iyi kanal kazancı olan kullanıcıya daha az güç ayırır. Daha iyi kanal kazancı olan kullanıcı, sinyal tespiti için ardışık girişim iptalini (successive interference cancellation -- SIC) kullanırken, zayıf kanal kazancı olan kullanıcı, diğer kullanıcının sinyalini girişim olarak düşünür ve doğrudan sinyal kestirimi yapar. NOMA'nın başarımı, kullanıcı eşleştirmesi kullanılarak geliştirilebilir, diğer bir deyişle, kullanıcıların birbirleriyle daha farklı kanal kazanımlarını eşleştirir. Çeşitli araştırmacılar, üstüne serme CR ağlarında SM'yi araştırdılar ve ikincil vericide SM'yi kullanmayı uyguladılar. İkincil verici, birincil vericinin sembolünü birincil alıcıya aktarmak için APM tekniğini kullanırken, kendi mesajını ise ikincil alıcıya iletmek için anten indisini kullanmıştır. NOMA'nın CR ağlarında uygulanması son zamanlarda, sistem başarımını daha da iyileştirmek için, kesinti olasılığı, kapasite analizi, enerji verimliliği ve güç tahsisi teknikleri ile ilgili sorunların araştılması birçok araştırmacının ilgisini çekmiştir. Bu tez çalışmasında, üstüne serme CR ağlarında NOMA, SM ve TAS tekniklerinin birleştirmesi amaçlanmaktadır. NOMA ve SM'nin birleştirmesi, güç ve uzaysal alanları kullanarak ağın spektral verimliliğini arttırır. TAS tekniklerinin kullanımı birincil alıcıya sağlanan hizmet kalitesini (quality of service -- QoS) artırmakta ve sistemin enerji verimliliğini arttırmaktadır. İlk olarak, NOMA'yı üstüne serme CR ağlarında hem yukarı yönlü bağlantı (uplink) hem de aşağı yönlü bağlantı (downlink) içerisinde tek anten kullanıcılarıyla uyguladık. Bölüm 3'te, NOMA ve fiziksel katman ağı kodlamasını (physical layer network coding -- PLNC) kullanarak üstüne serme CR ağları için iki yönlü bir iki fazlı spektrum paylaşım protokolü önermekteyiz. Bu protokolün başlıca katkısı şudur: SU (bir röle olarak çalışan), PU'lerin arasındaki iki yönlü iletimi sürdürür ve diğer SU ile iki yönlü bir iletim oluşturur. Buda daha yüksek spektral verimlilik ve dolayısıyla geliştirilmiş sistemin kapasitesi literatürde önerilen bazı protokollere göre daha iyi sonuç verir. Bu çalışmada hem PU'ler hem de SU'lar için kesinti olasılıkları için kapalı biçim ifadeleri türetilmiş ve Monte Carlo bilgisayar benzetimleri yardımıyla değerlendirilmiştir. Bölüm 4'te, üstüne serme CR ağlarında NOMA ve SM'nin birleştirmesi inceledik. Çoklu anten birincil verici (primary transmitter -- PT), birincil alıcı (primary receiver -- PR), ikincil verici (secondary transmitter -- ST) ve ikincil alıcıdan (secondary receiver -- SR) oluşan bir üstüne serme CR ağını ele almaktayız. Önerilen protokol ST'nin hem PR'ye hem de SR'ye NOMA ve SM kullanarak aynı anda iletmesine izin verir. NOMA ve SM'nin kullanımı hem PR hem de SR için spektral verimliliği artırır. NOMA ile, SR SIC kullanıp, PR'nin yönelen sinyalini çözüp alınan sinyalinden çıkarır, ve sonra kendi sinyalini çözer. PR ise kendi sinyalini çözmek için, SR'nin yönelen sinyali bir girişim olarak ele alarak, direkt çözme yapar. Bu, alıcıların her alıcıda her iki SM sembolünü ortak olarak algılamak zorunda olduğu NOMA'sız duruma kıyasla önemli ölçüde çözme karmaşıklığını azaltır. İlave olarak, PR için daha yüksek bir hizmet kalitesi (QoS) sağlamak için, PR'ye göre ST'de TAS tekniklerinin uygulanmasını önerdik. İlk olarak, ST'nin PR'ye SM iletimi için PR'ye göre en yüksek kanal kazancı olan antenleri atadığı COAS kullanımını değerlendirdik. PR tarafından, bu, birincil sembolün yüksek kazançlı kanallardan birinden ( PR'ye göre) gönderilmesini ve ikincil sembolün düşük kazançlı kanallardan ( PR'ye göre) gönderilmesini sağlayacaktır, ve PR'de ikincil girişiminin azalmasıyla sonuçlanacaktır. Buda AS olmayan durumla karşılaştırıldığında PR'nin başarımını artıracaktır. Öte yandan, SR tarafından, ST'nin antenlerinin yeni sıralaması SR'ye göre hala rastgele olduğu için SR'nin başarımını ortalama olarak etkilenmeyecektir. Önerilen protokolün başarımı, PR ve SR'deki ortalama sembol hatası olasılıkları (symbol error probability -- SEP) için üst sınırların türetilmesi yoluyla araştırılmış ve Monte Carlo bilgisayar benzetimleri yardımıyla değerlendirilmiştir. Bölüm 5'te, üstüne serme CR ağlarında NOMA, SM ve EDAS yöntemlerinin birleşimini inceledik. PR'ye göre ST'de EDAS kullanımı, PR'nin SEP'inin azaltılmasında önemli ölçüde sonuç vermektedir; çünkü PR'deki SM simge kümesinin elemanları arasından en düşük Öklid mesafesini en büyükleyen anten alt-kümesini seçer. Bölüm 4'te görüldüğü gibi bu SR'nin başarımını ortalama olarak etkilemeyecektir, çünkü ST'deki antenlerin yeniden sıralaması, SR'ye göre rastgele kalır. PR ve SR için BPSK kullanılması ve ST'deki verici antenlerden iki verici anten seçimi için PR'nin SEP'i için bir üst sınırın türetilmesi yoluyla önerilen protokolün başarımını değerlendirdik. Ayrıca, önerilen protokolün başarımını COAS ve AS olmayan protokollar ile Monte Carlo bilgisayar benzetimleri yardımıyla karşılaştırdık. Son olarak, CR'de NOMA ve SM'nin kullanımı, güç ve uzaysal alanların kullanımı yoluyla daha fazla veriyle daha fazla kullanıcıya hizmet verilmesini sağlar ve spektral verimliliği ve dolayısıyla sistem kapasitesini artırır. CR ağlarında NOMA-SM'ye TAS tekniklerinin uygulamalarının, PR protokolünün başarımını, SR'nin performansını etkilemeden önemli ölçüde iyileştirdiği gösterilmiştir. Bu da, ikincil vericinin iletim gücünde önemli bir tasarruf sağlayarak, ağın enerji verimliliğini arttırır. Ayrıca önerilen protokol CR-NOMA-SM'nin EDAS ile başarımının, COAS ile CR-NOMA-SM'ye kıyasla çok daha fazla iletim çeşitliliği sağladığı gösterilmiştir, ama artan karmaşıklığın bir sonucu olarak, düşük karmaşıklığı EDAS algoritmaları kullanılarak azaltılabilir.

Özet (Çeviri)

As the rapid growth of wireless communications to meet the fast growing demand for supporting an increasing number of advanced wireless applications and services, the availability of the radio spectrum becomes extremely scarce. In addition, several studies reported that most of the allocated spectrum is not efficiently utilized. To deal with such a problem, cognitive radio (CR) was proposed as a promising technology for boosting the utilization of the radio spectrum, since it could efficiently resolve the spectrum scarcity versus under-utilization dilemma. In CR networks, unlicensed secondary users (SUs) are allowed to use/share the radio spectrum licensed for primary users (PUs) when they are inactive/active, without degrading the performance of the PUs. Research on CR has been divided into three main spectrum-sharing paradigms: interweave, underlay, and overlay. In the interweave paradigm, SUs are allowed to use the spectrum only when PUs are inactive. In the underlay paradigm, SUs are allowed to share the spectrum with PUs with an acceptable levels of interference at PUs' receivers. Throughout this thesis we consider the third paradigm, the overlay model, in which SUs are assumed to be smart and capable of cooperatively maintain or improve the communication between PUs while also gaining access to the spectrum for their own communication. For further increasing the efficient utilization of the scarce spectrum, various modulation and multiple access techniques have been recently proposed such as spatial modulation (SM) and non-orthogonal multiple access (NOMA). NOMA exploits the power domain and SM exploits the spatial domain to efficiently improve the spectrum utilization and the network capacity. SM was proposed as a spatial multiplexing technique that effectively remove inter-channel interference (ICI) and inter-antenna synchronization in multiple input multiple output (MIMO) systems; by allowing only one transmit antenna to be activated at any time interval (i.e., only one radio frequency chain at any transmit interval). SM increases the spectral efficiency by utilizing the active antenna index for conveying information besides the usage of conventional amplitude and phase modulation (APM) techniques. For further enhancement in the performance of SM, transmit antenna selection (TAS) schemes were proposed for SM systems; specifically capacity optimized antenna selection (COAS) and Euclidean distance optimized antenna selection (EDAS). EDAS was shown to outperform COAS but with increased complexity. On the other hand, NOMA is a promising spectral efficient multi-user access candidate for 5G systems. NOMA supports multiple users within the same time/frequency/code resource block but with different power levels that significantly improves the spectral efficiency over conventional orthogonal multiple access (OMA) schemes. In a two-user scenario, NOMA allocates higher power to the user with poor channel gain and less power to the user with better channel gain. The user with better channel gain uses successive interference cancellation (SIC) for signal detection while the user with the poor channel gain uses direct decoding considering the signal for the other user as interference. The performance of NOMA can be improved by using user-pairing, i.e., by pairing the users with more distinctive channel gains with each other. Various researchers have investigated SM in overlay CR networks, where they considered using SM at a secondary transmitter that uses the APM technique to relay the symbol of a primary transmitter while using the antenna index to transmit its own message to a secondary receiver. The application of NOMA in CR networks has also attracted many researchers to investigate problems related with outage probability, capacity analysis, energy efficiency and power allocation schemes to further improve the system performance. In this thesis, we study the combination of NOMA, SM, and TAS schemes in overlay CR networks. Joining NOMA and SM altogether increases the spectral efficiency of the network by exploiting the power and spatial domains. The use of TAS schemes improves the quality of service provided for the primary receiver and enhances the energy efficiency of the system. We first started by applying NOMA in overlay CR networks in both the uplink and downlink with single antenna users. In chapter 3, we propose a two-way two-phase spectrum sharing protocol for the overlay CR paradigm using NOMA and physical layer network coding (PLNC). In our proposed protocol, not only the SU (working as a relay) maintains the two-way transmission between the PUs, it also establishes a two-way transmission with the other SU that results in higher spectral efficiency and hence improved system capacity over other protocols proposed in literature. Closed form expressions for the outage probabilities for both PUs and SUs have been derived and validated through Monte Carlo simulations. In chapter 4, we studied the combination of NOMA and SM in overlay CR networks. We considered an overlay CR network that consists of multiple antennas primary transmitter (PT), primary receiver (PR), secondary transmitter (ST) and secondary receiver (SR). The proposed protocol allows ST to transmit simultaneously using NOMA and SM to both PR and SR. The usage of NOMA and SM increases the spectral efficiency for both PR and SR. With NOMA, SR uses SIC to detect the signal intended for PR and then cancels it to detect its own signal, while PR uses direct decoding to detect its own signal considering the intended signal for SR as an interference. This decreases the detection complexity considerably compared to the case without NOMA in which the detectors are required to jointly detect both SM symbols at each receiver. Furthermore, to provide higher quality of service (QoS) for PR, we considered the application of TAS schemes at ST in accordance with PR. We first considered the usage of COAS where ST assigns the antennas with highest channel gains with respect to PR for SM transmission toward PR. From PR's side, this will ensure that the primary symbol will be sent over one of the channels with high gain (with respect to PR) and the secondary symbol will be sent over one of the channels with low gain (with respect to PR), which will result in decreasing the secondary interference at PR – compared with the case without antenna selection (AS) – and therefore will enhance the performance of PR. On the other hand, from SR's side, the new ordering of the antennas of ST is still random with respect to SR and hence will not affect the performance of SR on the average. The performance of the proposed protocol is investigated through derivations of upper bounds for the average symbol error probabilities (SEP) at PR and SR and validated through Monte Carlo simulations. In chapter 5, we studied the combination of NOMA, SM and EDAS in overlay CR networks. Employing EDAS at ST in accordance with PR results in decreasing the SEP of PR significantly; since it selects the antenna subset that maximizes the minimum squared Euclidean distance for the SM constellation at PR. Similar to chapter 4, this will not deteriorate the performance of SR since re-ordering of the antennas at ST remains random with respect to SR. We evaluate the performance of the proposed protocol by derivation of an upper bound for the SEP of PR for the case of using BPSK for both PR and SR and selection of two transmit antennas from the transmit antennas at ST. Also we compare the performance of the proposed protocol with that of COAS and with that of without-AS through Monte Carlo simulations. Finally, the use of NOMA and SM in CR increases the spectral efficiency and hence the system capacity by allowing more users to be serviced with higher data rates through the use of power and spatial domains. Introducing TAS schemes to NOMA-SM in overlay CR networks has been shown to improve the performance of the protocol for PR significantly without affecting the performance of SR, resulting in significant savings in the transmit power of the secondary transmitter that improves the energy efficiency of the network. It has also been shown that the performance of the proposed protocol CR-NOMA-SM with EDAS provides much more transmit diversity compared to CR-NOMA-SM with COAS; but with a trade-off of increased complexity which can be reduced by the use of low complexity EDAS algorithms.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    709250

    Derin öğrenme yöntemlerinin çöz ve aktar tabanlı işbirlikli haberleşme sistemlerindeki performansının incelenmesi

    Performance analysis of deep learning methods in decode and forward based cooperative communication systems

    BİLGEHAN AKDEMİR

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiYıldız Teknik Üniversitesi

    Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. HACI İLHAN

  2. Tez No

    665558

    İşbirliğine dayalı ortam erişim kontrol protokolü tasarımı ve analizi

    Cooperative medium access control protocol design and analysis

    MUHAMMET ALİ KARABULUT

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2021

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiYıldız Teknik Üniversitesi

    Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. HACI İLHAN

  3. Tez No

    467125

    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

    FERHAT YARKIN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2017

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. İBRAHİM ALTUNBAŞ

  4. Tez No

    697344

    Yeni nesil haberleşme sistemlerinde derin öğrenme tabanlı sezici tasarımı ve başarım analizi

    Deep learning based detector design and performance analysis in new genration communication systems

    AHMET EMİR

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2021

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiZonguldak Bülent Ecevit Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. HAKAN KAYA

  5. Tez No

    310495

    Alıcı çeşitlemeli işbirlikli sistemlerin sönümlemeli ve gölgelemeli kanallardaki hata performans analizi

    Error performance analysis of cooperative systems with receiver diversity over fading and shadowing channels

    YASEMİN SİTTİ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2011

    Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. İBRAHİM ALTUNBAŞ

Geri Dön