Geri Dön

Relaying opportunities for wireless networks by applying network coding

Kablosuz ağlar için ağ kodlamalı aktarma fırsatları

PDF İndir

  1. Tez No: 557222
  2. Yazar: SEMİHA TEDİK BAŞARAN
  3. Danışmanlar: PROF. DR. GÜNEŞ ZEYNEP KARABULUT KURT
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2019
  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: 144

Özet

Klasik röle (aktarma düğümü) yardımlı haberleşme sistemlerinde, ara düğümler (röle) aldıkları işaretlerin içeriğini değiştirmeden onları sadece depolar ve diğer ara düğümlere ya da alıcı düğüme iletir. Gelecek nesil haberleşme sistemleri ise yüksek veri hızı ve düşük iletim gecikmesi ihtiyaçlarını sağlamayı hedeflemektedir. Bu yüzden röle düğümlerindeki işlemlerin güç tüketimi ve band genişliği kullanımı açısından daha verimli bir şekilde gerçekleştirilmesine ihtiyaç vardır. Band genişliği ve güç gibi sınırlı ağ kaynaklarının röle düğümlerinde etkili bir şekilde kullanılması, veri iletim hızının artırılması ve iletim gecikmesinin düşürülmesi açısından kritik bir öneme sahiptir. Literatürde önerilen ağ kodlama (network coding, NC) tekniği bahsedilen bu beklentileri karşılayabilme potansiyeli olan etkili bir çözüm olmaya adaydır. NC tekniği farklı röle birimlerine farklı kod kümeleri atayabilen, çoklu kullanıcı ve röle durumlarına uyum sağlayabilen esnek bir yapıya sahiptir. Bu yüzden NC tekniği, yoğun ağ kullanıcılarının bulunduğu durumlarda, ölçeklenebilirlik problemini çözebilecek bir yöntem olarak kullanılmaya uygundur. Ayrıca, NC kullanılarak hem veri iletim hızı artırılabilir hem de düşük iletim gecikmeleri elde edilebilir. Belirlenmiş kod kümelerinin kullanıldığı klasik ağ kodlama yapılarından farklı olarak, kod katsayılarının sonlu bir kümeden rastgele seçilerek üretildiği rastgele ağ kodlama (random linear network coding, RLNC) tekniği literatürde önerilmiştir. RLNC şeması, her bir röle düğümünde, kod katsayılarının belirlenen sonlu bir kümeden eşit olasılıklı ve bağımsız olarak rastgele üretilmesi prensibine dayanmaktadır. RLNC tekniği özellikle durumları dinamik olarak değişen ağ bileşenleri olması durumunda, esnek planlama özelliği sayesinde verimliliğin artırılmasını sağlar. NC ve RLNC, kablosuz sistemlere uygulandığında ise kablosuz kanalın doğası gereği her yöne yayılım yapma özelliğinden dolayı sırasıyla işbirlikli ağ kodlama (network coded cooperation, NCC) ve işbirlikli rastgele ağ kodlama (random network coded cooperation, RNCC) sistemleri karşımıza çıkmaktadır. Bu tezde, sınırlı olan röle, güç ve band genişliği kaynaklarının verimli bir şekilde kullanılmasını amaçlayan çeşitli aktarma uygulamaları tasarlanmaktadır. Öncelikle, RNCC sisteminin kapsamlı kod çözme başarısızlığı analizi yapılmaktadır ve klasik NC çalışmalarındaki tüm röle düğümlerinin kullanılması gerekliliğinin getirdiği karmaşıklık, önerilen tekli röle seçimi tekniği sayesinde azaltılmaktadır. Ek olarak, kodlama katsayıları üretilirken ağ topolojisinin göz önüne alındığı yeni bir ağ kodlama şeması önerilmiştir. Servis sağlanan kullanıcı sayısının maksimum seviyeye taşınırken minimum güç harcanması, bu tezin bir diğer katkısını oluşturmaktadır. Bu kapsamda frekans seçici kanallarda ağ kodlama içeren, band genişliği açısından verimli bir çoklu erişim şeması önerilmiştir. Tezin son ana faydası ise, ağ güvenilirliği ve maksimum akış minimum kesinti (max-flow min-cut) teoremi kullanılarak, herhangi bir yapılandırılmamış kablosuz ağ sisteminin kuramsal başarım ve ergodik kapasite limitlerinin belirlenmesidir. Öncelikle, bu tez kapsamında ilk bakış açısı olarak röle birimlerinin verimli kullanıldığı iletim teknikleri sunulmaktadır. Kablosuz kanaldaki RNCC sisteminin, kod çözme başarısızlığı olasılığını hesaplamak için yeni bir şema önerilmektedir. Kod çözme başarısızlığı hesaplanırken, kodlama matrisinin tam ranklı olması koşulu kullanılmaktadır. Çok röleli sistem modelinin yanı sıra, hem tek röleli hem de tek röle seçimli durumlara ait teorik ifadeler elde edilmektedir. Bu sonuçların geçerliliği, kapsamlı Monte Carlo benzetimleri ile doğrulanmaktadır. Ayrıca, RLNC tekniğinin gerçek zamanlı sistemlerde kullanım avantajını kanıtlamak amacıyla yazılım tabanlı radyo birimlerinden oluşan bir uygulama senaryosu tanıtılmaktadır. Geleneksel NC ve RLNC tekniklerinde, kanal durumlarını göz önüne almadan kod katsayıları üretilmektedir. RLNC tekniğinin kablosuz kanallarda kapsamlı başarım analizinin yanı sıra, röle birimlerinin daha etkin bir şekilde kullanılması amacıyla, kablosuz kanalın bağlantı durumlarını göz önünde bulunduran yeni bir kodlama şeması üzerine çalışılmaktadır. Bu doğrultuda, ikili tabanda işlem yapan, kablosuz kanal tarafından uyarılmış kodlama (wireless channel induced coding, WiCiC) şeması önerilmiştir. Önerilen WiCiC şemasında, ikili alandaki kod katsayıları kanal durum bilgisi (channel state information, CSI) kullanılarak üretilmektedir. Tam CSI'nın bilindiği duruma göre daha az katı bir kural olan 1-bitlik düzeyleştirilmiş CSI bilgisinin röle birimlerinde mevcut olduğu varsayımı kullanılmaktadır. CSI bilgisinin mevcut olmadığı ya da özellikle kodlama katsayıları üretilirken göz önüne alınmadığı durumlarda, kablosuz kanaldaki bozulmalardan dolayı başarım kayıplarının önüne geçilmesi için kod katsayılarının daha büyük sonlu kümeden seçilmesi zorunlu hale gelmektedir. Kod katsayılarının ikili alandan seçilmesi, kod çözme karmaşıklığını klasik NC ve RLNC'ye göre önemli oranda azaltmaktadır. Böylece, önerilen WiCiC şeması hem kodlama hem de kod çözme karmaşıklığının düşük olması sayesinde pratik gerçeklemelerde kullanılmaya oldukça uygun bir tekniktir. İkinci bakış açısı olarak da güç tüketimi ve band genişliğinin verimli kullanıldığı sistemlerin tasarımı üzerine yoğunlaşılmaktadır. Dik frekans bölmeli çoklu erişim (orthogonal frequency-division multiple access, OFDMA) tekniği, hem spektral hem de güç verimliliğinin artırılması için tasarım serbestliği sağlamaktadır. OFDMA'deki alt taşıyıcılara güç ve frekans ataması işlemi, birleşimsel optimizasyon problemi şeklinde tanımlanmaktadır. Kullanıcılar arasında adaleti garanti eden, kesintideki alt taşıyıcı sayısını ve iletim gücünü en aza indirmeyi amaçlayan bir optimizasyon problemi önerilmiştir. Hem en iyi hem de en iyiye çok yakın olan daha düşük karmaşıklığa sahip ikinci bir algoritma önerilmiştir. Bu iki algoritma, hem kesinti olasılığı hem de güç tüketimi açısından literatürdeki çalışmalara göre önemli avantajlar sağlamaktadır. Kısıtlı kaynakların ayrı ayrı verimli kullanılmasına yönelik çalışmaların ardından, bu kaynakların kullanımı ortak olarak optimize edilmiştir. Çoklu kullanıcılar arasında dikliği sağlayarak frekans çeşitleme kazancından yararlanmak amacıyla, OFDMA tekniği, NCC-OFDMA olarak adlandırılan ağ kodlamalı işbirlikli sistemlerde bir çoklu erişim tekniği olarak düşünülmüştür. Frekans seçici kanallarda OFDMA, band genişliği kullanımında akıllı alt taşıyıcı tahsisine izin veren esnek bir yapıya sahiptir. NCC'nin OFDMA ile birleştirilmesi, etkin kaynak kullanımı açısından uygulanabilir iletim yapılarına olanak tanımaktadır. Tek bir röle seçimi (single relay selection, SRS) tekniği, tüm röle düğümlerinin kullanıldığı duruma göre karmaşıklığı önemli miktarda azaltmaktadır ve bu model, NCC-OFDMA-SRS olarak adlandırılmaktadır. NCC-OFDMA-SRS sisteminin kod çözme başarısızlığı ifadesinin birinci dereceden yakınsaklığı türetilmiştir ve bu sonuçlar benzetimlerle doğrulanmaktadır. Buna ek olarak, maksimum çeşitleme kazancına erişildiğini gösteren asimptotik kod çözme başarısızlığı ifadeleri elde edilmiştir. Tez kapsamında ilgilenilen son konu ise yapılandırılmamış kablosuz ağların kesinti başarımı analizidir. Kablosuz bağlantılar hataya ve bozulmaya yatkın olduğu için kablosuz ağların başarım limitlerinin belirlenmesi oldukça önemli ve temel bir problemdir. Bu kapsamda, çizge teorisine ait ağ güvenilirliği bakış açısı, yol sayma ve kesinti kümesi sayma teknikleri kullanılarak hem ilişkili hem de ilişkisiz kanal durumlarında genelleştirilmiş kablosuz ağlara ait ağ kesinti polinomu elde edilmiştir. Maksimum akış minimum kesinti teoremi ile çeşitleme kazancı ve kodlama kazancı gibi haberleşme sistemleri için anahtar başarım ölçütleri ilişkilendirilmiştir. Ayrıca, ağ kesinti polinomu kullanılarak raslantısal topolojiler için ergodik kapasite sonuçları elde edilmiştir. Bu sayede, yapılandırılmamış kablosuz ağlar için farklı senaryolardaki, hem başarım sonuçları hem de asimptotik başarım limitlerini belirleyebilecek kapsamlı bir hesaplama aracı önerilmiştir. Özet olarak, bu tezde kablosuz ağlar için NC kullanılarak röle, güç ve band genişliği açısından verimli kaynak kullanım şemaları sunulmuştur. Bu yapılara ait ayrıntılı çeşitleme kazancı, kesinti olasılığı ve kod çözme başarısızlığı olasılığı sonuçları elde edilmiştir. Bu doğrultuda, gelecek nesil kablosuz sistemlerde kullanılmaya aday olabilecek çok çeşitli aktarma uygulamaları önerilmiştir. Bu çalışmalara ek olarak, çizge teorisi temelleri kullanılarak genelleştirilmiş kablosuz sistemlere ait başarım sınırları elde edilmiştir. Böylece, kablosuz sistemlerin tasarım aşamasında sistemin verimliliğini artırmak için bu başarım limitleri kullanılabilecektir.

Özet (Çeviri)

In classical relay-aided communication systems, intermediate nodes are able to store and forward received signals to a destination or other intermediate nodes without modifying the content of the received information packets. However, the next generation communication technologies target high data rate and low latency based on the real-time applications in dense network scenarios. Therefore, the efficient utilization of network resources (power and bandwidth) becomes critical at intermediate nodes in order to both increase the throughput and reduce the transmission delay. Network coding (NC) based on mixing packets at relay nodes is proposed as an efficient solution that meets high throughput and low delay demands. By using NC, an increase in data rate and low transmission latency become possible since NC has a flexible nature for an extension to multi-source multi-relay case by assigning different code sets to each relay. Thus, NC can be considered as an effective tool that serves to all of the network users. Furthermore, it can be used as a promising solution for scalability problems in dense networks. While predetermined code sets are used in conventional NC, code coefficients are generated randomly in random linear network coding (RLNC). In RLNC, code coefficients have a uniform distribution and they are independently chosen from a finite field. RLNC yields a flexible scheduling opportunity based on the dynamically changing network components and provides improved efficiency. As cooperation emerges due to the naturally occurring broadcasting over wireless channels, the applications of NC and RLNC in wireless networks enable network coded cooperation (NCC) and random network coded cooperation (RNCC), respectively. In this thesis, we design and characterize various relaying opportunities considering the efficient usage of three types of resources, namely relay, power, and bandwidth, by applying NC in wireless networks. We initially provide a decoding failure probability analysis framework for RNCC systems and propose a relay selection scheme to alleviate the complexity of the usage of all relay nodes. In addition, we propose a topology-aware NC scheme to improve the system reliability. Besides, minimizing power consumption of the wireless systems while maximizing the number of served users is another contribution of the thesis. Designing bandwidth efficient multiple access schemes for NC in frequency-selective channels is also handled. The final main benefit is the determination of the asymptotic performance limitations of unstructured wireless topologies through relating network reliability perspective with max-flow min-cut theorem. Accordingly, we provide efficient transmission architectures at the relay nodes as a first perspective. A new framework is proposed for computing decoding failure probability of RNCC over wireless channels. The full rank condition of the encoding matrix, indicating the successful decoding of the source symbols at the destination node, is utilized. Also, the results belonging to a single relay case and a relay selection scheme are investigated. The validity of the presented theoretical expressions is demonstrated through identical simulation results. An implementation scenario is also presented to show the practical usage effectiveness of RLNC in real time applications by using software defined radio nodes. Conventional NC and RLNC techniques do not take into account the channel conditions while determining network code coefficients. In addition to the characterization of the performance framework of RNCC systems, we propose a new coding scheme called wireless channel induced coding (WiCiC) by considering channel-awareness for the efficient usage of relay nodes in basic operations. We assume that 1-bit quantized channel state information (CSI) is available at the relay nodes, which is a less strict requirement than full CSI knowledge. In the absence of topology awareness, higher field sizes are required to obtain linearly independent codewords because of the wireless channel impairments for RLNC. Due to operating in binary field, the decoding process of the proposed scheme is quite simple compared to conventional network codes and RLNC in higher order fields. In addition, the proposed WiCiC scheme achieves the exact performance of the exhaustive codeword search providing considerably reduced complexity. Therefore, the introduced coding algorithm is convenient for practical implementation thanks to its lower encoding and decoding complexities in wireless networks. As the second perspective, power efficient solutions are designed for wireless networks by considering the efficient bandwidth utilization. Orthogonal frequency-division multiple access (OFDMA) technique not only provides efficient design freedom for improving spectral and power efficiencies but also overcomes the destructive effects of the frequency-selective channel by exploiting multiuser diversity. It also allows effective assignment of limited radio resources to users. Firstly, the joint assignment problem of subcarriers and limited transmission power is addressed as a combinatorial optimization problem for the OFDMA system. To ensure fairness among users while jointly minimizing the total transmit power, the minimization of the number of outage subcarriers is selected as the objective function. An optimal algorithm based on the application of Hungarian method is proposed by utilizing randomly weighted complete bipartite graphs. A reduced complexity algorithm is presented as well. The proposed algorithms reduce the number of outage users compared to the benchmark works and provide significant power savings. After defining individually efficient usage scenarios of the limited resources, we jointly optimize the utilization of all of them. To exploit frequency diversity gain while ensuring orthogonality among multiple users, OFDMA technique is considered as a multiple access scheme for NCC systems, referred to as NCC-OFDMA. Owing to its natural characteristics, such as allowing scalability and providing robustness to channel impairments, NCC can be easily adapted to dense network deployments. Since OFDMA offers a flexible design on bandwidth usage by letting smart subcarrier allocation schemes in frequency-selective channels, combining NCC with OFDMA enables feasible transmission schemes for efficient resource utilization. A single relay selection (SRS) technique is used to mitigate the complexity of utilizing all relay nodes. This system model is referred to as NCC-OFDMA-SRS. In addition, the asymptotic decoding failure probability expressions of the system are obtained, demonstrating that the achievable maximum diversity gain results are attained. The final goal of the thesis is to determine the outage performance analysis of wireless networks for unstructured network topologies. The performance limitations of an arbitrary network topology, comprised of the links that are prone to errors and erasures, constitute an essential problem. The network reliability perspective of the graph theory is invoked to obtain the network outage polynomial of generalized wireless networks by enumerating paths and cut-sets of its graph representation for both uncorrelated and correlated wireless channels. We evaluate the network outage polynomial by utilizing individual link outages, through the use of path enumeration, cut-set enumeration, and terminal-reliability approaches. A relationship between the max-flow min-cut theorem and key communication performance indicators, namely diversity and coding gains, is established. An ergodic capacity analysis of networks with arbitrary topologies is also provided in terms of network outage polynomial. Accordingly, we provide a comprehensive tool that can be used to specify the asymptotic performance limitations under various implementation schemes. In summary, we propose various efficient resource utilization schemes from the relay, power, and bandwidth perspectives associating with NC in wireless networks. In addition, we present extensive performance analyses of the proposed schemes from the aspects of diversity gain, outage probability, and decoding performance. Accordingly, we introduce an overall relaying approach which is a candidate to be utilized in next generation wireless networks. Furthermore, we obtain the performance bounds of generalized wireless networks by applying the concepts of graph theory. Therefore, the performance bounds that provide an additional insight into the system restrictions can be preferred to improve system efficiency.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    183261

    Kablosuz iletişim sistemleri bina içi yayılımında engellerin etkilerinin incelenmesi

    Investigations of the effecets of obstacles on wireless communications indoor propagations

    KADİR UZUN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2006

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiZonguldak Karaelmas Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. ERTAN ÖZTÜRK

  2. Tez No

    777772

    Modulation options for OFDM-based waveforms

    OFDM tabanlı dalga biçimleri için modülasyon seçenekleri

    AHMAD MOHAMMAD ABD-ALGHANI JARADAT

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Medipol Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği ve Siber Sistemler Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HÜSEYİN ARSLAN

  3. Tez No

    371918

    Resource management for multiuser systems with multiple antennas in wireless networks

    Kablosuz ağlarda çoklu antenli çoklu kullanıcılı sistemler için kaynak yönetimi

    İLHAN BAŞTÜRK

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2014

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİzmir Yüksek Teknoloji Enstitüsü

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. BERNA ÖZBEK

  4. Tez No

    572682

    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

    İngilizce

    2019

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiZonguldak Bülent Ecevit Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ HAKAN KAYA

  5. Tez No

    304941

    Barriers and opportunities for integrating sustainable product design into Ankara small and medium-sized furniture enterprises

    Ankara mobilya endüstrisindeki küçük ve orta ölçekli işletmelerinin sürdürülebilir ürün tasarımına entegrasyonuna dair fırsatlar ve engeller

    MEHMET ERÇİN OKURSOY

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2012

    Endüstri ve Endüstri MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Endüstri Ürünleri Tasarımı Bölümü

    DOÇ. DR. OWAİN FRANCİS PEDGLEY

Geri Dön