Performance of relayed diversity communication techniques

Abstract

Bu tezde röleli ve çeşitlemeli haberleşme ağları, yarı (tam) çift yönlü iletim teknikleri (HD/FD), çöz (kuvvetlendir)-ve-aktar (DF/AF) röle iletim protokolleri ve dik(-olmayan) çoklu erişim (OMA/NOMA) teknikleri için Rayleigh, Nakagami-m ve genelleştirilmiş-K sönümlemeli/gölgelemeli ortamlarda incelenmiştir. Söz konusu sistemler haberleşmede kapsama alanını genişletmekte, güç tüketimini azaltmakta, spektrum verimliliğini arttırmakta, yüksek veri hızını gerektiren hizmetleri sunmakta ve kitlesel bağlantıyı gerçekleştirmektedir. Sönümlemenin bozucu etkisini azaltan uzaysal çeşitleme tekniği bu sistemlerde irdelenmiştir. Çok-girişli çok-çıkışlı sistemlerin sağladığı performans kazancını korumak fakat donanım karmaşıklığını azaltmak için de genelleştirilmiş anten seçimi (AS) yapılmıştır. Uzaysal çeşitlemenin yararlarını sağlamak için yardımlaşmalı haberleşmede röle seçimi (RS) de incelenmiştir. İlk olarak çok antenli iki kaynaktan ve tek antenli bir HD AF röleden oluşan iki yönlü bir sistemde yavaş sönümlemeli Rayleigh kanallar için genelleştirilmiş AS çalışılmıştır. Sonraki adımda, bütün birimlerin çok antenli olduğu iki yönlü sistem, rölede alıcı/verici AS ve kaynaklarda genelleştirilmiş AS için incelenmiştir. Son olarak da FD DF tek antenli röle ve çok antenli FD iki kaynaktan oluşan iki yönlü sistem Rayleigh sönümleme için çalışılmıştır. Bu sistemde önceki sistemlerin aksine röle ve kaynaklar arasındaki yolların aynı olmadığı varsayılmış ve kaynaklarda iletim ve alım için bir çift anten seçen yeni bir alıcı-verici anten seçim yöntemi önerilmiş ve analiz edilmiştir. İncelenen diğer üç sistemde RS tek yönlü iletimin yapıldığı ağlarda incelenmiştir. Birinci çalışmada kaynak ve hedef arasında direk görüş hattının olup olmamasını da içerecek şekilde genelleştirilmiş RS ele alınmıştır. Bu sistemde FD iletim AF rölelerle Rayleigh kanallarda gerçekleştirilmiştir. Diğer iki sistemde ise NOMA tabanlı iletim için iki aşamalı RS yapılmıştır; birinci kullanıcının veri hızını sağlayan DF rölelerin alt kümesi belirlendikten sonra ikinci kullanıcının veri hızını maksimize eden röle seçilerek FD/HD iletim gerçekleştirilmiştir. İlki iki kaynaklı olup Nakagami-m sönümlemeli ortamlar için incelenirken ikincisi ise tek kaynaklı olup genelleştirilmiş-K dağılımlı ortamlar (gölgelemeli sönümleme) için çalışılmıştır. Her iki sistemde hatalı ardışık karışım iptali de ele alınmıştır. Son olarak, DF çok atlamalı sistem direk görüş hattının olup olmaması durumunda Nakagami-m kanal için revize edilmiştir.In this thesis, relayed diversity communication networks are investigated over Rayleigh, Nakagami-m, and generalized-K wireless media for half/full-duplex (HD/FD) transmission schemes, amplify/decode-and-forward (AF/DF) relay protocols, and (non-) orthogonal multiple access (OMA/NOMA) techniques. Improvement of coverage area, reduction of power consumption, effective utilization of bandwidth, services with high data rates, and massive connectivity are provided by the systems under consideration. Moreover, to mitigate degradation effects of fading, space diversity technique is considered with generalized antenna selection (AS) to reduce hardware complexity but keeps offered performance gain of multi-input multi-output systems. Additionally, cooperative communication is also investigated with relay selection (RS) to provide benefits of spatial diversity. Firstly, generalized AS for both transmission and reception over slow Rayleigh fading channels is elaborated in a two-way system with multi-antenna sources and an AF HD relay equipped with a single antenna. Secondly, the two-way system is investigated with multi-antenna sources and a multi-antenna relay where a single antenna is selected at the relay in addition to generalized AS at the sources. Thirdly, single AS for FD transmission and non-reciprocity of forward and backward paths between the sources and DF relay is considered for the two-way system with multi-antenna sources and a single antenna relay, where a novel transceiver antenna selection method selecting a pair of antennas for transmission and reception at terminal sources is proposed and analyzed. In the remaining three works, RS is investigated for unidirectional relayed networks. In the first work, generalized RS is investigated for an FD AF multi-relay cooperative (diversity) system with(out) a direct path between the source and destination is studied over slow Rayleigh fading channels. The last two works implementing RS out of multi HD/FD DF relays in two stages to maximize the data rate of the second user with providing priority to the first user are based on NOMA technique, where the first one is over Nakagami-m fades with two sources and the second one is over generalized-K fades with a single source. Imperfect successive interference cancellation is also considered for both systems. Finally, DF multi-hop system over Nakagami-m fades is revised with(out) a direct link between the source and destination.