İşbirlikli uzaysal modülasyonun farklı sönümlenmeli kanallardaki performans analizi

Abstract

Yeni nesil kablosuz haberleşme sistemleri ile ulaşılması beklenen ultra hızlı veri oranı ve dev bant genişliği gibi önemli hedeflerin gerçekleşmesi için halen sürdürülen çalışmalarda geleneksel yöntemler yetersiz kalmaktadır. Bu çalışmalar esnasında araştırmacıların veri iletimi için geliştirdiği yenilikçi yollardan biri olarak karşımıza çıkan uzaysal modülasyon (SM, spatial modulation) tekniği; spektral verimlilik, enerji verimliliği ve donanım sadeliği gibi açılardan geleneksel yöntemlere üstünlük sağlamaktadır. SM'nin bu avantajları, yeni nesil teknolojiler için umut verici olsa da pratikte karşılaşılabilecek sorunlara karşı davranışı literatürde yeterli düzeyde incelenmemiş ve işbirlikli sistemlerle birlikte kullanımı için optimum sonuçlar henüz önerilmemiştir. Bu tez çalışmasında; SM tekniğinin, pratikte karşılaşılan donanımsal hatalardan biri olan eş evre (I) ve dik evre (Q) dengesizliği (IQI, in-phase and quadrature-phase imbalance) etkisi altındaki davranışları çeşitli senaryolar üzerinden incelenmiştir. Bu senaryoların oluşturulmasında, sistemlere esneklik kazandırmak adına farklı SM türleri ve çeşitli sönümlenmeli kanal yapıları ele alındığı gibi; kanal tahmin hataları da dikkate alınmıştır. Bazı senaryolar için, sistem performansını daha iyi anlamak amacıyla karmaşıklık analizi gibi ek çözümler sunulmuştur. Diğer yandan SM tabanlı teknikler, sistem güvenilirliğini ve servis kalitesini artırdığı bilinen işbirlikli mimarilere uyumlandırılmış ve sistem performansı incelenmiştir. IQI etkisi altındaki SM tabanlı işbirlikli sistemler için optimum çözümler önerilmiş ve kapalı form denklemleri türetilmiştir. Spesifik olarak, tasarlanan tüm sistemlerin hata performansı, optimum en yüksek olabilirlik tahmini (MLD, maximum likelihood detection) metodu ile analitik olarak çözümlenmiş ve elde edilen sonuçlar bilgisayar simülasyonları ile desteklenmiştir. Tüm bu çalışmalar neticesinde, yeni nesil teknolojilerin tasarımında IQI etkisinin ciddi bir şekilde göz önünde bulundurulması gerektiği, SM'nin bu hatayı gidermede kullanılabilecek oldukça etkili bir yöntem olduğu ve işbirlikli yapıların SM tabanlı sistemlerin performansını ciddi oranda artırdığı görülmüştür.

Traditional methods are inadequate for the continuing studies that are anticipated to achieve the important goals of the next-generation wireless communication systems, such as ultra-high data rate and enormous bandwidth. Spatial modulation (SM) technique, which is an innovative way of data transmission that was developed by the researchers during these studies, outperforms the conventional methods such in terms of spectral efficiency, energy efficiency and hardware simplicity. Although these advantages of the SM are promising for the next generation technologies, its behavior against the problems, which can be experienced during the practical applications, has not been investigated sufficiently in the literature and the optimal solutions for its utilization with cooperative systems have not been proposed, yet. In this thesis study, the behaviors of SM under the effect of in-phase (I) and quadrature phase (Q) imbalance (IQI), which is one of the hardware impairments that can appear in practice, has been investigated by considering various scenarios. Not only different SM types and various fading channel structures have been considered to bring flexibility to the systems but also channel estimation errors have been taken into account while creating these scenarios. Some additional solutions, such as complexity analysis, are presented for some of the scenarios to better understand the system performance. On the other hand, SM-based techniques have been adapted to cooperative architectures, which are known that they increase the system reliability and quality of service, and the system performance has been investigated. Optimum solutions have been proposed for the SM-based cooperative systems under the effect of IQI and closed form equations have been derived. Specifically, the error performances of the designed systems are solved analytically by optimal maximum likelihood detection (MLD) method, and the obtained results are supported by computer simulations. In consequence of all these studies, it is observed that the effect of IQI needs to be considered seriously while designing next generation technologies, SM is a very efficient method that can be utilized to avoid this error, and cooperative structures considerably improve the system performance of the SM-based systems.