Sürekli Fazlı Frekans Kaydırmalı Anahtarlama Modülasyonu Kullanan İşbirlikli Çeşitleme Sistemleri

Abstract

Sürekli fazlı modülasyonun (CPM) sahip olduğu, özellikle doğrusal olmayan kuvvetlendirici kullanımına ilişkin üstünlükler onu dağıtılmış yapıdaki telsiz iletişim sistemlerinde doğrusal modülasyonlara iyi bir alternatif yapmaktadır. Sağladığı spektral üstünlükler ve enerji verimli sistem tasarımına olanak tanıması da göz önüne alındığında, CPM'nin, işbirlikli haberleşmeye dayalı olarak dağıtık yapıda çalışacak olan gelecek nesil iletişim sistemlerinde kullanılmasının olası olduğu görülecektir. Oysa işbirlikli haberleşme literatürü incelendiğinde, CPM kullanımıyla ilgili çalışmaların azlığı dikkat çekmektedir. Bu boşluğu doldurmak ve CPM'nin üstünlüklerine sahip işbirlikli sistem tasarımı yapmak amacıyla, bu doktora tezinde, röleli/işbirlikli sistemler için belirli ölçütlere dayanarak CPM'nin özel bir biçimi olan sürekli fazlı frekans kaydırmalı anahtarlama (continuous phase frequency phase shift keying, CPFSK) modülasyonlu dağıtılmış uzay-zaman kafes kodlar tasarlanmış ve bu kodlar için hata başarım analizleri yapılmıştır. Literatürde yer alan ve doğrusal modülasyonlar için verilen bir takım ölçütlerin CPFSK için de kullanılabileceği anlaşılmış ve kod tasarımları bu ölçütlere dayandırılmıştır. Kullanılan modülasyonlara ait sürekli zaman işaretlerinin vektörel karşılıkları, hem ölçütlerde yer alan Öklid uzaklığı benzeri değerlerin belirlenebilmesi, hem Rayleigh sönümleme etkisinin iletilen CPFSK işaretlere yansıtılabilmesi, hem de alıcıda Viterbi Algoritması'nda kullanılacak metriklerin hesaplanabilmesi amacıyla literatürde yer alan bir takım yöntemlerden yola çıkarak bulunmuştur. Ele alınan kod tasarım ölçütleri ile birden dörde kadar röle içeren sistemler için tasarlanan dağıtılmış uzay-zaman CPFSK kafes kodlarının literatürde var olan referans kodlara göre daha iyi hata başarımı sağladığı gösterilmiştir. Ayrıca hata başarımını daha da iyileştirmek amacıyla, bu tezde tasarlanan dağıtılmış uzay-zaman CPFSK kafes kodları kullanan ve dik olmayan AF iletim yapan röle seçimli yeni sistemler tasarlanmış ve yeni bir genelleştirilmiş röle seçim ölçütü önerilmiştir. Bildiğimiz kadarıyla, röleli/işbirlikli sistemler için, bir ölçüte göre dağıtılmış uzay-zaman CPFSK kafes kod tasarımları ve CPFSK kullanan röle seçimli sistemler ilk kez bu tez kapsamında yapılan çalışmalarla gerçeklenmiş olmaktadır.

Continuous phase modulation (CPM) is a good alternative to linear modulations in collocated multiple or distributed-antenna wireless communication systems, thanks to the advantages related to non-linear power amplifiers. It is possible to consider CPM as the modulation for next generation distributed cooperative telecommunication systems because of its spectral efficiency and compatibility on energy-efficient system design. Yet it is noteworthy that the effort on CPM utilization is relatively less when the research on cooperative communications is reviewed. In order both to fill this gap and to constitute cooperative/relay systems with advantages of CPM, we design distributed space-time trellis codes with continuous phase frequency phase shift keying (CPFSK) modulation, which is a special case of CPM, based on some particular design criteria for cooperative/relay systems and analyze error performance of the proposed codes within this Ph.D. thesis. Based on the design criteria previously proposed in the literature for linear modulations, new distributed space-time CPFSK trellis codes are designed by conducting an exhaustive code search. In order to calculate Euclidean type distance values of the design criteria, simulate the effect of Rayleigh fading on CPFSK signals, and compute metrics of the Viterbi algorithm at the receiver, vector components of the signals of the utilized CPFSK modulation types are derived stimulated by some existing methods. It is shown that the distributed space-time CPFSK trellis codes designed for one to four relay systems based on the design criteria perform better than the reference codes in the literature. We then design a novel non-orthogonal AF system, which employs distributed CPFSK codes, with relay selection, to further improve the error performance and propose a new generalized relay selection criterion. To the best of our knowledge, distributed space-time CPFSK trellis codes are initially designed based on a particular design criterion, and relay selection systems with CPFSK are introduced for the first time as a result of the work completed for this thesis.