Uzaysal modülasyon ve uzay kaydırmalı anahtarlama sistemleri için çeşitleme yapılarının tasarımı ve performans analizi

Özgün uzaysal modülasyon (spatial modulation, SM) ve uzay kaydırmalı anahtarlama (space shift keying, SSK) sistemleri klasik çok-girdili çok-çıktılı (multiple-input multiple-output, MIMO) sistemlere alternatif olarak önerilmiştir. SM ve SSK sistemlerde, bir modülasyon aralığında yalnızca bir anten iletimde olduğu için, ideal olarak tek radyo-frekans (RF) devresi kullanmak yeterlidir. Bu durum sayesinde, SM ve SSK sistemlerde, kanallar-arası girişim problemi ve verici antenlerin senkronize çalışmasına olan ihtiyaç tamamen ortadan kalkar ve sistem karmaşıklığı azalır. Bu avantajlarının yanı sıra, SM/SSK sistemler sayesinde, klasik MIMO sistemlerden daha iyi hata performansı elde edilebilir. Öte yandan, SM/SSK sistemlerde, iletim sırasında tek bir verici anten aktif olduğu için verici anten çeşitlemesi elde edilememektedir. Bu durum, alıcı anten sayısı az iken hata performansında önemli düşüşlere neden olmaktadır. Bu açıdan, çeşitleme yapılarının SM/SSK sistemler ile birlikte uygulanması önemlidir. Bu tez kapsamında, SM/SSK sistemlerin çeşitleme yapılarıyla birlikte uygulandığı sistemler önerilmekte ve önerilen sistemler için analitik hata olasılığı hesabı yapılmaktadır. Bu kapsamda, ilk olarak Nakagami- m kanal varsayımı altında uçtan-uca SM ile verici anten seçimini (transmit antenna selection, TAS) birleştiren bir MIMO yapı üzerinde durulmuştur. Bu yapıda, kapasiteyi optimize anten seçimi yöntemi ile seçilen antenler üzerinden SM tekniği uygulanmaktadır. Ele alınan sistem için, alıcıdaki işaret-gürültü oranına ilişkin olasılık yoğunluk fonksiyonu (probability density function, PDF) elde edilmiştir. Elde edilen PDF kullanılarak, sistemin kesinti olasılığı kapalı formda elde edilmiştir. Ayrıca, sisteme ait kesinti olasılığı için asimptotik çeşitleme analizi yapılarak sistemin sağladığı çeşitleme kazancı matematiksel olarak ifade edilmiştir ve ele alınan sistemde, verici anten sayısının ve m parametresinin aldığı değerler arttıkça kesinti olasılığı performansının iyileştiği gösterilmiştir. Elde edilen analitik sonuçlar Monte Carlo benzetimleriyle desteklenmiştir. İlk kısımda kesinti olasılığı açısından incelenen verici anten seçimli SM sistem dışında, tezin geri kalan çalışmalarında SSK tekniği kullanılmıştır. Bunun nedeni, SSK sistemlerin sağladığı iyi performans, düşük karmaşıklık ve matematiksel analiz kolaylığıdır. Buna ek olarak, işbirlikli ağların sağladığı üstünlükler düşünülerek SSK tekniği ile işbirlikli ağları birleştiren yapılar üzerinde durulmuştur. Bu kapsamda ilk olarak, iki farklı işbirlikli MIMO yapı üzerinde durulmuştur. Bu yapılardan birinde anten seçimli SSK tekniği, diğerinde ise röle seçimli SSK tekniği kullanılmıştır. Anten seçimli SSK uygulanan işbirlikli MIMO yapıda, kaynaktaki verici antenler kaynak - hedef arasındaki yolun kanal katsayıları arasındaki Öklid mesafelerine göre seçilir. Daha sonra, seçilen antenler üzerinden SSK tekniği uygulanır. Kaynak ile hedef arasındaki doğrudan yola ek olarak, kaynaktan gönderilen işarete doğru karar veren röleler iletişime katılırlar. Önerilen sistemde verici anten sayısının iki olduğu durum için, tam simge hata oranı (symbol error rate, SER) elde edilmiştir. Dahası, verici anten sayısının ikinin herhangi bir pozitif tamsayı kuvveti olduğu durum için sisteme ait yaklaşık SER elde edilmiştir. Buna ek olarak, sistemin SER performansına ilişkin asimptotik çeşitleme analizi yapılmıştır. Önerilen sistemin, aynı sistem yapısına sahip anten seçimsiz SSK sistemden ve yüksek alıcı anten sayısı ve veri hızları için verici anten seçimli klasik M-QAM sistemden daha iyi performans sağladığı gösterilmiştir. Öte yandan SSK tekniği uygulanan röle seçimli yapıda, kaynağın verici antenleri üzerinden SSK tekniği uygulanır. Kaynak ile hedef arasındaki doğrudan görüş hattının yanında, kısmi röle seçimine göre seçilmiş bir röle kaynaktan aldığı bilgi işaretini kuvvetlendirerek hedefe iletir. Sisteme ait tam ve yaklaşık ortalama hata olasılıkları sırasıyla kaynaktaki anten sayısı iki ve ikinin herhangi bir pozitif tamsayı kuvveti için elde edilmiştir. Sistemin sağlayabildiği çeşitleme kazancını bulmak için ise asimptotik çeşitleme analizi yapılmıştır. Önerilen sistemin röle seçimli klasik işbirlikli tek-girdili çok-çıktılı (single-input multiple-output, SIMO) sistemden daha iyi hata performansı sağladığı gösterilmiştir. Bu tez çalışmasının son bölümünde, çok atlamalı ağların sağladığı yüksek kapsama alanı ve iletişim güvenilirliği göz önüne alınarak, bu ağların SSK sistemler ile birlikte uygulandığı yapılar üzerinde durulmuştur. Bu kapsamda SSK tekniği üç farklı çok atlamalı yapıda incelenmiştir. İncelenen ilk yapıda, çok atlamalı çok yollu bir sistem ele alınmıştır. Ele alınan yapıda, SSK tekniği yalnızca kaynakta uygulanmaktadır. Ayrıca, SSK simgesi kuvvetlendir-ve-aktar (amplify-and-forward, AF) ilkesine göre çalışan tek antenli işbirlikli röleler üzerinden kaynaktan hedefe iletilmektedir. Çok yollu bir sistem ele alındığı için, kaynaktan gönderilen işaret farklı yollar üzerinden hedefe ulaşmaktadır. Ele alınan sistemde kaynakta iki verici anten bulunan ve çok atlamalı tek yoldan iletim yapılan duruma ait çiftsel hata olasılığına ilişkin oldukça tutarlı bir alt sınır elde edilmiştir. Ayrıca, kaynakta ikinin pozitif tamsayı kuvveti kadar verici anten bulunan çok atlamalı çok yoldan iletim yapılan duruma ait ortalama bit hata oranı için yaklaşık bir ifade elde edilmiştir. Teorik analizin yanında, önerilen sistemin kaynakta klasik M-QAM uygulanan, tek-girdili çok-çıktılı yapıdan daha iyi hata performansı sağladığı gösterilmiştir. Elde edilen teorik sonuçlar bilgisayar benzetim sonuçlarıyla desteklenmiştir. Son bölümde incelenen ikinci yapıda, verici anten seçimli çok atlamalı SSK sistemin SER performansı incelenmiştir. Kaynak ile hedef arasında doğrudan görüş hattı bulunmayan bu yapıda, kaynakta ve rölelerde birden çok sayıda verici anten; hedefte ve rölelerde birden çok sayıda alıcı anten bulunmaktadır. Kaynakta seçilen antenler üzerinden SSK tekniği uygulanmaktadır. Röleler ise, kendilerine gelen işareti çözmekte ve kaynaktaki gibi seçilen verici antenler üzerinden SSK tekniği ile göndermektedir. Önerilen sistem için sisteme ait tam SER ile oldukça uyumlu yaklaşık ve asimptotik SER ifadeleri elde edilmiştir. Önerilen sistemin, aynı sistem yapısına sahip anten seçimsiz çok atlamalı SSK sistemden ve yüksek alıcı anten sayısı ve veri hızları için verici anten seçimli klasik çok atlamalı M-QAM sistemden daha iyi SER performansı sağladığı gösterilmiştir. Bu tez çalışmasında son olarak, yol seçimli çok atlamalı SSK sistem yapısı önerilmiştir. Kaynak ile hedef arasında doğrudan görüş hattı bulunmayan bu yapıda, kaynakta ve rölelerde birden çok sayıda verici anten; hedefte ve rölelerde birden çok sayıda alıcı anten bulunmaktadır. Bu yapıda, mevcut çok atlamalı yollar arasından en iyisi seçilmekte ve kaynaktan gönderilen işaret seçilen yolda bulunan röleler üzerinden atlamalı olarak hedefe ulaşmaktadır. Röleler, kendilerine gelen işareti çözmekte ve kaynaktaki gibi SSK esleme yaparak kendilerinden bir sonraki alıcı birime iletmektedir. Önerilen yol seçimli sistem için yaklaşık ve asimptotik SER ifadeleri kapalı formda elde edilmiştir. Kısacası, bu tez kapsamında gelecek nesil iletişim sistemleri için umut verici olan gelişmiş SM ve SSK teknikleri incelenmiştir. Bu açıdan, bu teknikler çeşitleme teknikleri ile birleştirilerek yeni sistemler önerilmiştir. Önerilen sistemlerin klasik MIMO sistemlere göre sağladığı üstünlükler ortaya konmuştur. Buna ek olarak, önerilen sistemlerin hata performanslarına ilişkin teorik ifadeler elde edilmiştir. Elde edilen teorik ifadeler bilgisayar benzetimleriyle desteklenmiştir.