Klasik ve ağ kodlamalı OFDMA sistemlerde alt-taşıyıcı atama

Telsiz haberleşmedeki performansı etkileyen en temel unsurlardan olan sönümleme, güvenilir ve kaliteli bir iletişim için problem teşkil etmektedir. Sönümlemenin yanında iletim hızı, bandverimliliği, kaynak ataması gibi unsurlar da sistemlerin performansını büyük ölçüde etkilemektedir. Sönümleme etkisini azaltmak için kullanılan tekniklerden biri olan işbirlikli çeşitleme sayesinde haberleşme sistemlerinin hata performansı, iletim hızından kayıp karşılığında iyileşmektedir. Ağ kodlama tekniği, işbirlikli sistemlerin iletim hızındaki bu kaybı önlemek amacıyla geliştirilmiş ve üzerinde son zamanlarda yoğun biçimde çalışmalar yapılan tekniklerden biridir. Ağ kodlamanın geliştirilmiş bir versiyonu olan rastgele ağ kodlamada ağ düğümlerine gelen veri paketleri, rastgele üretilen katsayılar ile çarpılarak kodlanmaktadır. Böylece rastgele ağ kodlamada, paket kaybına ve gecikmeye karşı daha çok direnç sağlanmaktadır. Aynı zamanda rastgele ağ kodlama ile sistemlerin iletim oranı ve bandverimliliğinin de iyileşmesi sağlanmaktadır. Telsiz haberleşmede, iletim oranı ve bandverimliliği ile yakından ilişkili olan önemli bir problem de kaynak ataması problemidir. Sınırlı frekans bandının sistemde bulunan kullanıcılar tarafından olabildiğince verimli bir şekilde kullanılması gerekmektedir. OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, Dik Frekans Bölmeli Çoğullama) tekniği, frekans seçici kanallar üzerindeki iletişim güvenilirliği ve esnekliğini geliştirme potansiyeli nedeniyle; halihazırdaki ve gelecek nesil haberleşme sistemleri için önem teşkil etmektedir. OFDM'in çok kullanıcılı iletişim için önemli bir uygulaması da OFDMA'dir (Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access, Dik Frekans Bölmeli Çoğullama Erişimi). Özellikle çok kullanıcılı sistemlerde mevcut kaynakları, bandgenişliği sınırlamaları altında en uygun şekilde kullanmak gerekmektedir. Gelişen teknolojinin ve gezgin cihazları kullanan kullanıcı sayısının artmasıyla kaynak ataması, günümüzde büyük bir problem olarak karşımıza çıkmaktadır. OFDMA sistemlerinde kaynak ataması ile ilgili olarak alt-taşıyıcılar kullanılmaktadır ve veriler bu alt-taşıyıcılar aracılığıyla iletilmektedir. Kullanıcılara en uygun şekilde alt-taşıyıcı ataması yapılarak mevcut kapasite en uygun biçimde kullanılabilmektedir. Bir sistemde, alt-taşıyıcı ataması yaparak kullanıcıların mümkün olduğunca az kesinti durumunda kalmaları sağlanmaktadır. Alt-taşıyıcı atamasına ilişkin olarak, bir OFDMA sistemi, diyagram kuramı kapsamındaki rastgele ikili diyagram modeli ile gösterilebilmektedir. Rastgele ikili diyagramlarda, maksimum eşleme yöntemleri ile mevcut alt-taşıyıcılar kullanıcılara, en az sayıda kullanıcıyı kesintide bırakacak şekilde atanabilmektedir. Her kullanıcı, alt-taşıyıcı atanması bakımından aynı fırsata sahip olmaktadır. Rastgele ikili diyagramlarda maksimum eşleme ile alt-taşıyıcı ataması yapmak için Hopcroft-Karp algoritmasını kullanarak geliştirilen RVRHK (Random Vertex Rotation based Hopcroft-Karp, Hopcroft-Karp tabanlı Rastgele Düğüm Döndürmesi) algoritması kullanılmaktadır. Elde edilen sonuçlara göre, sadece maksimum eşleme algoritmaları ile alt-taşıyıcı ataması yaparak çeşitleme kazancı elde edilebilmektedir. RVRHK algoritmasının yanında, daha genel durumlar için en uygun alt-taşıyıcı ataması yapılması ile ilgili olarak ℋ-eşleme yaklaşımından yararlanılmıştır. ℋ-eşleme yaklaşımının ele alındığı alt-taşıyıcı atama algoritması olarak RVRHK'nın daha geliştirilmiş hali olan R^2 EHK (Random Rotation and Expansion based Hopcroft-Karp, Hopcroft-Karp tabanlı Rastgele Döndürme ve Çoğullama) algoritması kullanılmaktadır. Bu tezde, literatürde ilk olarak RVRHK ve R^2 EHK algoritmalarının sağladığı performans Nakagami-m kanallar için incelenmiştir. Bunun yanında, farklı kullanıcı ihtiyaçlarına uygun biçimde, Çoklu-R^2 EHK algoritması geliştirilmiştir. Gerçekten de, faydalanılan çalışmaların hepsinde kullanıcıların karşılamaları gereken iletim oranı her zaman sabit olarak kabul edilmiştir. Bir OFDMA sistemindeki kullanıcıların farklı servisleri kullanmaları durumunda, her kullanıcının farklı bandgenişliği ihtiyacı olacağından her kullanıcıya atanması gereken alt-taşıyıcı sayısı ve de her kullanıcının karşılaması gereken iletim oranı farklı olmaktadır. Bu nedenle, literatürde ele alınmayan ve diyagram kuramı ile geliştirilen yeni atama yöntemleri geliştirilerek kullanıcılara farklı sayıda alt-taşıyıcı atanması konusu ve kullanıcıların karşılamaları gereken iletim oranlarının farklı olma durumları da tez kapsamında ele alınmaktadır. Sabit sayıda alt-taşıyıcı atamasına göre farklı sayılarda alt-taşıyıcı atamasında, daha az sayıda alt-taşıyıcı ataması yapılan kullanıcılar, sistemin genel performansını belirlemede baskın olmaktadırlar. Kullanıcıların karşılaması gereken iletim oranı sabit iken, sistemdeki herhangi bir kullanıcıya diğerlerinden çok daha az sayıda alt-taşıyıcı ataması yapıldığında o sistemin genel performansı, her kullanıcıya sabit sayıda alt-taşıyıcı ataması yapılan sistemin genel performansına göre kötüleşmektedir. Buradaki amaç, kullanıcıların ihtiyaçlarına yönelik atama yapmak olduğundan performanstan ödün verilmektedir; fakat kullanıcıların ihtiyaçlarına göre başarılı bir şekilde alt-taşıyıcı ataması yapılabilmektedir. Ayrıca, kullanıcıların karşılaması gereken iletim oranlarının, atanacak olan alt-taşıyıcı sayısı ile orantılı olarak belirlenmesi durumunda tüm kullanıcılar aynı performansı vermektedirler. Bu tezin son bölümünde, klasik OFDMA sistemi için yapılan analizler, ağ kodlamalı OFDMA sistemlerine genelleştirilmiştir. Ağ kodlamalı OFDMA sistemlerinde, alt-taşıyıcıları kullanıcılara bağlayan yolları göstermek amacıyla ikili bir hiperdiyagram modeli önerilmektedir. Hiperdiyagramlar üzerinden ağ kodlamalı OFDMA sistemlerinde, kullanıcıların kesinti olasılıkları en az olacak şekilde alt-taşıyıcı ataması yapılmaktadır. Ağ kodlamalı bir OFDMA sisteminde, röle kullanımından dolayı elde edilen çeşitleme derecesi, klasik OFDMA sistemlerinde elde edilen çeşitleme derecesine göre artmaktadır. Böylece, kesinti olasılığı da oldukça iyileşmektedir. Tezden elde edilen sonuçlara göre sistemdeki kullanıcıların veri türlerine ve iletim hızlarına göre alt-taşıyıcı ataması yaparak sistemdeki bandgenişliği en uygun şekilde kullanılabilmektedir ve sistem verimi olabildiğince artırılmaktadır. Ağ kodlamalı OFDMA sistemleri daha karmaşık yapıya sahip olduğundan kaynak ataması, hız ve bandverimliliğinin hedeflenen şekilde sağlanması için kullanıcıların ihtiyaçları doğrultusunda alt-taşıyıcı ataması yapmak çok büyük avantajlar sağlamaktadır. Ağ kodlama tekniklerinin, gelecek nesil haberleşme sistemlerinde yer alacağı düşünüldüğünde, bu tez kapsamında önerilen yöntemler ve elde edilen sonuçlar, OFDMA kullanan yeni nesil telsiz haberleşme sistemlerinde alt-taşıyıcı ataması konusuna farklı bir bakış açısı getirmekte ve yeni çalışmalar için fikirler vermektedir.