Analysis of antenna diversity techniques in conventional and relayed communication systems

Abstract

Telsiz haberleşme kanallarının iletilen işaretler üzerinde yol kaybı, gölgeleme ve çok yollu sönümleme gibi bozucu etkileri vardır. Anten çeşitlemesi, telsiz haberleşme kanallarının bozucu etkilerini özellikle de çok yollu sönümleme etkisini azaltmada en etkili tekniklerden biridir. Röle yardımlı haberleşme telsiz haberleşme kanalının etkilerine karşı bir başka etkili yöntemdir. Bu tezde gelecek nesil haberleşme sistemlerinin muhtemel adayları olan yüksek performanslı haberleşme sistemlerinin tasarımı ve analizi amaçlanmıştır. Bu tip haberleşme sistemlerinin performanslarını incelemek amacıyla, analitik performans ifadeleri elde edilerek Monte Carlo simülasyonları ile geçerlenmiştir. Bu tezde, anten çeşitleme teknikleri klasik ve röleli ağlarda incelenmiştir. İncelenen ağlar, birçok verici ve alıcı anten çeşitleme tekniğini içermektedir. Başlangıçta, dik uzay-zaman blok kodlama ve modülasyon çeşitleme tekniği Nakagami-m sönümlemesi için incelenmiştir. Ardından, on farklı anten çeşitleme tekniği için birleşik bir analiz genelleştirilmiş-K sönümlemesi için sunulmuştur. Sonrasında, kanal gölgeleme bilgisi tabanlı yeni bir anten seçim tekniği ve bu tekniğin performansı genelleştirilmiş-K sönümlemesi için incelenmiştir. Akabinde, verici anten seçimi tekniğinin farklı alıcı anten çeşitleme teknikleri ile performansı mükemmel olmayan geribesleme kanalının varlığında Nakagami-m sönümlemesi için incelenmiştir. Sonrasında, birçok kuvvetlendir-aktar tipi iki atlamalı çok antenli ağın performansı birleşik bir şekilde Nakagami-m sönümlemesi için incelenmiştir. Daha sonra, birçok çöz-aktar tipi çok atlamalı ağın performans ifadeleri Nakagami-m sönümlemesi için türetilmiştir. Son olarak, iki atlamalı çok antenli bir ağ için bir pratik senaryo; mükemmel olmayan geribesleme kanalının varlığında, Rayleigh sönümlemesi için incelenmiştir. Sonuçlardan çok antenli tekniklerin hem geleneksel hem de röleli haberleşme sistemlerin çeşitleme derecesini arttırarak telsiz haberleşme kanalların etkilerini bertaraf etmekte çok verimli olduğu görülmüştür. İlaveten röleli haberleşme sistemlerin performansı en zayıf atlama tarafından belirlenmektedir. Bununla birlikte geribesleme hatasının varlığında performans önemli ölçüde kötüleşmektedir.Wireless communications channels have some disruptive effects on the transmitted signal such as path loss, shadowing, and multi-path fading. Antenna diversity and relay-assisted communications are the most effective techniques to mitigate the disruptive effects. In this thesis, design and analysis of high performance wireless communication systems, which are the possible candidates of next generation systems, is aimed. In order to quantify the performance of such systems, analytical performance expressions are derived and validated by Monte Carlo simulations. In this thesis, antenna diversity techniques are analyzed in conventional (point-to-point) and relayed communication networks. The investigated networks include several transmit and receive antenna diversity techniques. First, orthogonal space-time block coding and modulation diversity technique is analyzed for Nakagami-m fading. Then, a unified performance analysis of ten different multi-antenna techniques is presented for generalized-K composite fading. Later, a new antenna selection scheme based on shadowing side information is investigated and performance expressions are derived for generalized-K composite fading channels. Next, performance of transmit antenna selection is studied for different receive antenna diversity techniques in the presence of imperfect feedback channel for Nakagami-m fading. Then, a unified performance analysis for multi-antenna dual hop amplify-and-forward relay networks is presented, the performance expressions are derived for Nakagami-m fading. Next, performance expressions of decode-and-forward multi-hop relay networks are derived in a unified manner for Nakagami-m fading. Finally, performance of a dual hop relay network in the presence of imperfect feedback channel is studied over Rayleigh fading channels. Results show that multi-antenna techniques are very effective to mitigate the effects of wireless communications channels by improving diversity orders of both conventional and relayed communication systems. In addition, performance of relayed communication networks is dominated by the weakest hop. Besides, performance of both single and dual hop communication systems drastically degrades in case feedback error exists.