On the performance of cooperative diversity with amplify-and-forward relays over weibull fading channels

İşbirlikli kablosuz haberleşme için kuvvetlendir-ve-aktar tipi weibull sönümleme kanalı üzerinden performans analizi

PDF İndir

Tez No: 510107
Yazar: BAKARY GUINDO
Danışmanlar: PROF. DR. AHMET HAMDİ KAYRAN
Tez Türü: Yüksek Lisans
Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
Yıl: 2018
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: 89

Özet

Kablosuz iletişim kanalı, gürültü, yol kaybı, sönümleme, gölgelendirme ve parazit gibi çok fazla kanal bozukluğuna maruz kalmaktadır. Bu bozucu faktörlerin hepsinde, çoklu yol ile üretilen sönümleme, iletilen iki veya daha fazla sürüm arasındaki parazitten dolayı en şiddetli sinyali ve bu sinyal amplitüdünün kısa sürede hızlı rastgele dalgalanması sonucunda sistemin güvenilirliğini ve performansını önemli ölçüde düşürür ve güvenilirlik sağlar. Bu nedenle, son yıllarda kablosuz iletişimde performans iyileştirme çok araştırma konusu olmuş, çok yollu sönümleme etkisini azaltmak ve kablosuz kanalları geliştirmek için farklı yöntem ve teknikler uygulanmıştır. Araştırmacılar tarafından önerilen etkin yöntemlerden biri, MIMO tarafından kısaca belirtilmiş çoklu girişli çoklu çıkış sistemleri olarak adlandırılan bir yöntemdi. Bu teknik, aynı zamanda anten alanı çeşitliliği olarak da adlandırılır ve kablosuz iletişimde sönümlemenın zararlı etkilerini hafifletmek için güçlü araçlarını yeniden üretir; MIMO'nun arkasındaki temel fikirler, iletimde ve alıcı düğümlerde çoklu antenlerin kullanılmasıyla çeşitlilik yaratır; alıcı, bir sinyal yerine gönderici sinyallerinin birden çok kopyasını gönderir, bu yüzden sinyallerin tüm kopyalarının aynı anda sön ihtimali son derece düşüktür. MIMO'nun bir başka önemli avantajı, gerekli bant genişliği veya yayın gücündeki artış olmaksızın kanal kapasitesinde potansiyel olarak artmaktadır. Tüm bu varlıklara rağmen, MIMO, ekipmanların büyüklüğü, hesaplama kapasitesi gereksinimleri ve güç tüketimi nedeniyle modern kablosuz cihazlara yerleştirilmesinde pratik kısıtlamalara sahiptir. Bu kısıtlamaları ortadan kaldırmak için, verici ve alıcı düğümlerde tekli anten kullanabilen alternatif bir teknik önerilmiştir; işbirlikli iletişimi, kablosuz ortamın yayın niteliğinden yararlanır ve komşu röle düğümlerinin, kaynak düğümlerden hedef düğümlere bilgi ileterek işbirliği yapmasına izin verir , işbirliğine dayalı iletişim, MIMO sistemlerine anten alan çeşitliliği kazandırır, kapsama alanını arttırır ve vericide büyük güç kullanmaya gerek kalmadan kanal kapasitesini önemli ölçüde arttırır. Bir işbirlikli evresi iki zaman aralığından oluşur. İlk zaman aralığında kaynak, rölelere ve hedefe bir sembol yayınlar. İkinci zaman diliminde, röleler alınan sembolü işler ve bazı spesifik röle stratejisine veya protokolüne göre hedefe yönlendirir. Günümüzde farklı geçiş stratejilerinin bütün bir yelpazesi mevcuttur ancak küresel olarak iki büyük gruba ayrılabilir: Çöz ve Aktar (DF) ya da non-rejeneratif ve Kuvvetlendir ve Aktar (AF) ya da rejeneratif, literatürde başka bir sınıflandırma bulunabilir, ancak bu tezin sonucunda yukarıdaki sınıflamayı inceleyeceğiz ve ayrıca, geçiş stratejisinin ortogonal kanal modunda çalıştığını ve Zaman Dupleks Birimi'nin terminallerin sınırlamasından dolayı sembolleri iletmek ve almak için kullanıldığını varsayacağız aynı zamanda aynı frekansta. Kuvvetlendir ve Aktar (AF), kaynak düğümden gelen sinyali yükseltmek için röle üzerinde kullanılabilen en popüler ve en basit işbirlikli sinyal stratejisidir ve aslında herhangi bir kod çözme işlemi yapmadan hedef düğüme tekrar gönderir Alınan sinyallerinin çoğaltılmış bir versiyonunu tekrar tekrar göndererek analog tekrarlayıcılar gibi davranır, bu da rejeneratif olmayan röle olarak da adlandırılır, bir amplifikasyon parametresiyle çarpma olan amplifikasyon işlemi alınan gücü normalleştirmek için kullanılır. Bu stratejinin en büyük avantaji,düşük karmaşıklık uygulaması ve gç kısıtlamaları nedeniyle, bu stratejinin dezavantajı, röle düğümleri, alınan gürültüyü aynı anda yükselttiği gerçeğidir. Yakın tarihli araştırmalar, AF işbirliğine dayalı çeşitliliğin DF stratejisinden ve doğrudan işbirlikli olmayan iletişimden daha düşük bit hata oranına (BER) yol açtığını göstermiştir. Öte yandan, DF stratejisinde alıcıdaki karmaşıklık, AF stratejisindeki ile karşılaştırıldığında daha yüksektir, röle düğümü, kaynak düğüm tarafından iletilen alınan sinyali çözer, onu yeniden kodlar ve hedef düğümüne bunu tekrar belirterek bunu tekrar gönderir kod çözme işlemi sırasında ilave gürültü çıkarılır, ancak geçiş düğümündeki sembol yanlış olabilir, bu nedenle genel sistem performansı sembol kod çözme başarısına bağlıdır. DF stratejisinin röle üzerindeki ilave gürültüyü azaltmada ikinci röle stratejisine göre avantajı olmasına rağmen, röle yanlış algılanması nedeniyle hata yayılımı problemlerine maruz kalmaktadır. Bu tezin kapsamı, yukarıdaki tüm konuları tartışmak, kanal bozulması sorununu gidermek ve çeşitlilik teknikleri ile genel sistemin performansını artırmak için, işbirliğine dayalı iletişim ağı çoklu röleleri olarak düşünülmüştür. Çeşitlilik teknikleri, aynı sinyalin iki veya daha fazla kopyasını birden çok kez iletmekten ibaret olup, bu kopyaların en az birinin doğru şekilde alınması veya çeşitlilik dallarından en az birinin daha yüksek anlık sinyal-gürültüye sahip olması bekleniyor oranı. Alıcı ve transmeter anten sayısını artırmadan kablosuz iletişim sisteminde çeşitliliğe sahip olmanın bir alternatifi, işbirliğine dayalı çeşitlilik kullanmaktır. Bu tezde, bağımsız ve özdeş dağıtılan Weibull üzerinden Amplified-and-forward işbirlikli çeşitlilik sistemlerinin performansını analiz ettik. maksimum frekans birleştirme (Maksimum Oran Kombinasyonunu) kullanarak hedef santraldeki toplam SNR'nin moment üretme fonksiyonu (MGF) için kapalı form ifadesi türetilir. Maksimum oran birleştirmenin (MRC) arkasındaki temel fikir, L röle şubesini ve alıcı SNR'yi en üst düzeye çıkarır, başka bir deyişle, L şube çeşitliliğinin anlık sinyal-gürültü oranını kombine etme tekniği ile MRC, her dal için ayrı sinyal-gürültü oranının toplamıdır. Tüm birleştirme yöntemleri arasında, MRC, girişimin yokluğunda optimaldir, ölçülmesi zor olabilecek her daldaki zamanla değişen SNR'nin kesin bilgisini gerektirir, Weibull dağılımının toplamının olasılık yoğunluk fonksiyonunu ele alacağız. linklerin kanal katsayıları karşılıklı olarak birbirinden bağımsızysa ve bu hantal görevin üstesinden gelmek için aynı ise, Moment Generating based-approach (MMS) ve en yüksek rölenin algoritmasını kullanırız ki bu algoritma röleyi en yüksek anlık sinyal-to- gürültü oranını K rölelerinden hedef kaynağına kadar değiştirir, bu nedenle yalnızca herhangi bir zamanda en iyi röle düğümü (K rölelerinden) kullanılır. Aslında, algoritma minimum sinyal gücünü en üst düzeye çıkarır ve gerekli kanal sayısını azaltır ve tam çeşitlilik düzeni korur. Sonunda, MRC'yi uyguladıktan sonra, yalnızca kaynaktan hedefe doğru olan doğrudan bağlantıyı ve en yüksek anlık SNRYönetici fonksiyonlar tabanlı yaklaşımı üreten işbirlikli kablolu iletişim sisteminde performans metriklerinin analizini yapmak, bu yaklaşım dijital iletişimin sönümleme kanallarının birleşik hata oranı analizine bir yaklaşım olarak popülerlik kazanıyor, performans ölçümleri durma gibi olasılık ve sembol hata oranları, çok kanallı bir alıcı sistemdeki bir çeşitlilik birleştirici çıktısındaki SNR'nin MGF'si ile ifade edilebilir; bu nedenle, performans metriklerinin analizini büyük ölçüde basitleştirmek için kullanılır, MGF'nin kullanımı olasılık yoğunluğunun toplamını hesaplama zorluğundan gelen moment üretme çeşitliliğini analiz etme anlık SNR ve anlık SNR toplamının dağılımı üzerinden entegrasyon gerektiren ortalama hata olasılığı ve kesilme olasılığı hesaplanırken, bu toplamın dağılımı, aynı veya farklı olan çeşitlilik dallarının rasgele sayıları için çoğunlukla cloed formunda değildir. her daldaki farklı sönümleme dağılımı, kapalı formda olsa bile sayısal olarak değerlendirmenin zor olabileceği Moment Generating temelli yaklaşımı kullanmanın bir diğer nedeni, bunun yerine anlık SNR toplamı için MGF'nin ortalama hata olasılığını ifade eden motivasyondur, bu entegrasyon zorluklarını ortadan kaldırır. Bağımsızlık kaybolan bağlantıların bağımsız olduğu ancak mutlaka aynı şekilde dağıtılmadığı zaman. Sönümleyici kanallar üzerindeki işbirliğine dayalı iletişimin çeşitliliğini tarayan maksimum oranın performansı, son literatürde pek çok ilgi odağı haline gelmiştir. işbirlikliin performansını tartışırken bulunabilir Çoklu röleye sahip bir sistemde, bu sistemler için modelin çoğu genelde Rayleigh sönümleme kanallarını ya da bağımsız olarak eşit olarak dağıtılan Nakagami'yi ya da hatta Rician sönümleme kanallarını varsayar, bu sönümleme modelleri uygun bir sönümleme kanal modeli olmayabilir, çünkü Weibull sönümleme kanalını seçeriz; hem iç hem de dışta radyo yayılım ortamlarında ve mobil iletişim sistemlerinde çok yollu sönümleme kanallarını tanımlamak için esnek istatistiksel bir model. Bu tez, kesintisizlik olasılığının performansını ve güçlendiren ve ileten geçiş stratejisinin ortalama simge hata oranlarını idenndependent üzerinde analiz eder ve aynı dağıtılmış Weibull sönümleme kanalları için maksimum oran kombinasyon tekniği kullanılmıştır, böylece doğrudan bağlantının anlık SNR'si, yani kaynaktan hedefe ve dolaylı bağlantı en iyi röle seçim kriterini birleştirmek için kullanılmıştır Hedefin sonuna kadar SNR için MGF'nin kapalı form ifadesi, MATLAB, MATHEMATICA, MAPLE gibi ortak matematiksel yazılım paketinde bulunan Meijer G-fonksiyonu / genelleştirilmiş hipergeometrik fonksiyon yardımıyla türetilir. Toplam MGF'den elde edilen bu, performans metriklerini analiz etmede yardımcı olur.

Özet (Çeviri)

The wireless communication channel suffers from much channel impairments such as noise, path loss, fading, shadowing and interference .Among all those degrading factors, fading which is produced by multipath is the most severe due to the interference between two or more versions of the transmitted signal which arriving at the destination at slightly different times and the rapid random fluctuation of those signal amplitude over a short period of time resulting to the drastic degradation of the reliability and the performance of the overall system and the reliability . For this reason, during the last decade wireless communication performance improvement has been the subject of lot of investigation, different methods and techniques have been implemented in order to mitigate the effect of multipath fading and improve the wireless channels. One of the efficient technique proposed by researchers was the so called multiple input multiple output systems commonly abbreviated by MIMO. This technique is also referred as antenna space diversity and represents a powerful means of mitigating the deleterious effects of fading in wireless communication, the basic ideas behind MIMO is the use of multiple antennas at the transmitting and the receiving nodes in order to create diversity, the receiver is supplied multiple replicas of the transmitting signals instead of one signal, so the likelihood that all replicas of the signals will fade simultaneously is extremely reduced. another major advantage of MIMO is potentially increase in the channel capacity without any expansion in the required bandwidth or increase in the transmit power. Despite all these assets, MIMO has practical constraints on its deployment in modern wireless devices due the size of equipment, computational capacity requirements and power consumption. To counteract these constraints an alternative technique that can use single antenna at the transmitting and receiving nodes was proposed, cooperative communication takes advantage of the broadcasting nature of wireless medium and allowing neighboring relay nodes to cooperate in communication by forwarding information from source nodes to destination nodes, cooperative communication provides space diversity gain equivalent to MIMO systems, enhance coverage and substantial increase channel capacity without increase the power of the transmitter. A cooperative phase consists of two time-slots. In the first time-slot, the source broadcasts a symbol to the relays and to the destination. In the second time-slot, the relays process the received symbol and forward them to the destination according to some specifics relay strategy or protocol. Nowadays it exists a whole gamut of different relaying strategies but they can globally be classified into two big groups: Decode-and-Forward (DF) or non-regenerative and the Amplify-and-Forward (AF) or regenerative, in the literatures another classification can be found but throughput this thesis we shall consider the above-mentioned classification and we shall also assume that the relay strategy operate in orthogonal channels mode and Time Duplex Division is used due to the limitation of the terminals to transmit and receive the symbols in the same time at the same frequency. The Amplified-and-forward (AF) is the most popular and the simplest cooperative signaling strategy that can be used at the relay to amplify the received signal from the source node and retransmits it to the destination node without doing any specific decoding, in fact it acts as analog repeaters by retransmitting an amplified version of their received signals for this reason it is also called non regenerative relaying , the amplification process which is the multiplication with an amplification parameter is used to normalize the received power. The main advantage of this strategy is its low -complexity implementation and its power constraints, the disadvantage of this strategy is the fact that, the relay nodes amplified the received noise at the same time. Recent research has shown that AF cooperative diversity leads to significantly lower bit error rate (BER) than DF strategy and direct non-cooperative communication. On the other hand, in DF strategy the complexity at the receiver is higher in comparison to that in the AF strategy, the relay node decodes the received signal transmitted by the source node, re-encode it and then retransmit it to destination node noting that during the decoding process the additive noise is removed but symbol at the relay node may be incorrect, therefore, the overall system performance depends on the success of the symbol decoding. Although DF strategy has the advantage over the latter relay strategy in reducing the additive noise at the relay, it suffers from the error propagation issues due the incorrect detection of the relay. The scope of this thesis is to discuss all the above issues, cooperative communication network multiple-relays is considered in order to mitigate the problem of channel impairments and improve performance of overall system through diversity techniques. Diversity techniques consist of transmitting independently two or more copies of the same signal multiple times, the expectation is that at least one of these replicas will be received correctly, or at least one of the diversity branches will have the higher instantaneous signal-to-noise ratio. One alternative to have diversity in wireless communication system without increasing the number of the receiver and transmitter antennas is through the use of cooperative diversity. In this thesis, we shall analyze the performance of cooperative communication with Amplified-and-forward relays strategy over i.i.d (independent and identical distributed) Weibull fading channels using maximum ratio combining (MRC), a closed form expression for the moment generating function (MGF) of the total SNR at the destination node is derived. The fundamental idea behind maximum ratio combining (MRC) is to combine the signals coming from the Lth relaying branch and maximize the receiver SNR, in other words the instantaneous signal-to-noise ratio of the L branch diversity with the combining technique MRC is the sum of the individual signal-to-noise ratio for each branch. Among all the combining techniques MRC is the optimal in the absence of interference however its implementation requires exact information of the instantaneous SNR on each cooperative diversity branch, which sometimes can be difficult to find, because we shall deal the probability density function of sum of Weibull distribution even if the channel coefficients of the links are mutually independent and identical, to overcome this cumbersome task, we use the Moment Generating based-approach (MGF) and the algorithm of the best relay which consist selecting the relay with the highest instantaneous signal-to-noise ratio among the L branch from the Kth relays to the destination source, so only the best relay node (out of K relays) is used at any time. In fact, the algorithm maximizes the minimum signal strength and reduce the number of required channel and maintain full diversity order. At the end, after applying the MRC, we deal only with the direct link from the source to the destination and a link which has the highest instantaneous SNR. For the analyses of the performance metrics in cooperative wireless communication system the moment generating function based-approach, these approach is gaining popularity as a approach to unified error rate analysis of digital communications un fading channels, the performance metrics like as the outage probability and symbol error rates can be expressed in terms of the MGF of the SNR at the output of a diversity combiner in a multiple-channel receiver system, so it is used in order to greatly simplify our analysis of performance metrics, the use of MGF in diversity analysis of the moment generating come from the difficulty in computing the sum of probability density function of the instantaneous SNR and also when computing outage probability and the average probability of error which require integration over the distribution of the sum of the instantaneous SNR , the distribution of this sum is often not in closed-form for any number of branches of diversity with the same or different fading distribution on each branch , even when it is in closed form it can be difficult to evaluate numerically, another motivation of using the Moment Generating-based approach is that expressing the average error probability in terms of the MGF for the sum of instantaneous SNR instead of its probability density function eliminates these tedious integration Specifically, when the diversity branch are independent non identical (i.n,d ). The performance of the maximum ratio combing diversity of cooperative communication over fading channels has gained much interest, many papers in the recent literature could be found discussing the performance of cooperative system with multiple-relay, most of the model for these systems typically assume either Rayleigh fading channels or independent identically distributed Nakagami or even Rician fading channels , these fading models may not be an appropriate fading channel model, we choose Weibull fading channel because it is a flexible statistical model for describing multipath fading channels in both indoor and out-door radio propagation environments and mobile communication systems. This thesis analyzes the performance of the outage probability and the average symbol error rates of the amplify-and-forward relay strategy over independent and identical distributed Weibull fading channels, the maximum ratio combining technique has been used, in order to combine the instantaneous SNR of the direct link i.e. from the source to the destination, and the indirect link and the best relay selection criteria at the destination is used. The closed-form expression of the MGF for the end -to-to SNR at the destination is derived with the help of Meijer G-function/Generalized hypergeometric function which is available in common mathematical software package such as MATLAB, MATHEMATICA, MAPLE. This derived of the total MGF is helpful in analyzing the performance metrics.

Benzer Tezler

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
2011
Mühendislik Bilimleri İstanbul Teknik Üniversitesi
Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. İBRAHİM ALTUNBAŞ
Tez No
349739
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 Mühendisliği İstanbul Teknik Üniversitesi
Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İBRAHİM ALTUNBAŞ
Tez No
320847
İşbirlikli haberleşme sistemlerinin farklı sönümlü kanallardaki başarım analizleri için yeni matematiksel ifadelerin türetilmesi
Derivation of new mathematical expressions for performance analysis of cooperative communication systems over different fading channels
NURİ KAPUCU
Yüksek Lisans
Türkçe
2012
Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Erciyes Üniversitesi
Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. İBRAHİM DEVELİ
Tez No
252483
İşbirlikçi çeşitlemeli sistemlerde güç tahsis katsayılarının eniyilenmesi ile bit-hata başarımının arttırılması
Improvement of the bit error performance of cooperative diversity networks through optimization of power allocation coefficients
MERT DEVA
Yüksek Lisans
Türkçe
2008
Elektrik ve Elektronik Mühendisliği İstanbul Teknik Üniversitesi
Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET ERTUĞRUL ÇELEBİ
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
2017
Elektrik ve Elektronik Mühendisliği İstanbul Teknik Üniversitesi
Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İBRAHİM ALTUNBAŞ

Geri Dön