Ortak hedefli röleli telsiz iletişim sistemlerinde bit ve enerji verimliliği analizi

Teknolojinin hızla ilerlemesine bağlı olarak daha küçük boyutlardaki donanımların işlem sığasının önemli ölçüde artmasıyla telsiz iletişim sistemlerinde karmaşıklığı daha yüksek, fakat başarımı çok daha iyi yöntemlerin kullanılması mümkün olmuştur. Dolayısıyla 90'lı yıllarda önerilen yüksek başarımlı kanal kodlama teknikleri 2000'lerde pratik olarak gerçeklenebilir hale gelmiştir. Seleflerine göre kanal sığasını daha verimli kullanan bu sistemlerle telsiz iletişim sistemleri başarımında önemli bir sıçrama gerçekleştirilmiş ve UTRAN, 802.11 gibi protokol standartlarıyla telsiz iletişim sistemleri telli iletişim sistemlerine alternatif sunabilir konuma gelmiştir. 2006 sonrasında ise önce akıllı telefonların, sonrasında tablet ve ultrabook gibi aygıtların yaygınlaşmasıyla geniş bant iletişim ihtiyacı duyan gezgin birim sayısında önemli bir artış olmuştur. Bu durum araştırmacıların telsiz iletişim sistemlerine olan ilgisini arttırmış ve daha yoğun akademik eğilimlerle telsiz iletişim tekniklerinin başarımındaki yükseliş ivmelenmiştir. Günümüzde E-UTRAN (LTE-A) ve 802.11ac gibi standartlarla gigabit mertebesinde veri bloklarını bir saniye içerisinde aktarmak mümkün hale gelmiştir. Yukarıda belirttiğimiz ve on seneden az bir sürede gerçekleştirilen ilerlemede çok girişli – çok çıkışlı (MIMO) sistemlerin payı büyüktür. Literatürde bulunan çeşitli çalışmalarda doğru koşullarda tasarlanan MIMO yapıları uzay – zaman kod tasarımlarıyla kullanılarak sistem başarımında çok önemli kazanımlar sağlandığı görülmüştür. Öte yandan işlem gücü artarken, boyutların genellikle küçüldüğü gezgin birimlerde istenen miktarlarda anten çoğullaması sağlamak çoğunlukla olanaksızdır. Bu noktada araştırmacılar iletişim sistemindeki farklı kullanıcıların birbirlerine ya da iletişim ağındaki adanmış röle birimlerinin işaretleşmeye yardım ettikleri sanal anten dizilerinin telsiz iletişim sistemlerinde kullanımını önermişlerdir. Sistem içerisindeki farklı birimlerin işbirliğine dayanan bu yapılar MIMO ağlarıyla aynı derecede başarım sağlayabiliyor olmaları nedeniyle ilgi odağı konumundadır. Telsiz iletişim sistemlerine ilişkin diğer önemli bir nokta zaman, frekans, kod gibi kaynakların sistemdeki kullanıcılar için ortak olması ve artan uç birim sayısıyla birlikte hızı koruyabilmek için bu kaynakları arttırmak gerektiğidir ki çoğu zaman bu olanaksızdır. Bu durum telsiz iletişim sistemlerinin sığası için sınırlayıcı bir etkendir. Fakat işbirlikli iletişim sistemlerinin önerilmesine paralel olarak ortaya atılan ağ kodlamalı sistemler aynı kaynakların farklı kullanıcılar tarafından eş – zamanlı kullanımına olanak sağlamıştır. İlk olarak ağ kodlaması (SNC), sonrasında ise fiziksel katman ağ kodlaması (PNC) sistem kaynaklarının daha verimli kullanarak daha yüksek sistem sığalarına, iletim hızlarına olanak sağlamıştır. Bu tez çalışmasında, işbirlikli iletişim sistemleri ağ kodlamalı iletişim yapıları altında incelenerek bit iletim ve enerji verimliliği ekseninde analiz edilmiştir. Röle ve hedefin paylaşıldığı iki kaynak birimli örnek bir iletişim sistemi için altı farklı protokol önerilmiş olup bu yapılar birbirleriyle ve literatürdeki iki yönlü sistemlerle aynı koşullar altında karşılaştırılmıştır. Protokoller güvenilirlik ve hız odaklı iki farklı tasarım ölçütüyle oluşturulmuştur. Hızlı olan protokollerde amaç hedefe en kısa sürede en fazla bilgi bitini iletmek iken güvenilir sistemlerde hedefin hem kaynaklar hem de röle tarafından mutlaka besleniyor olması amaçlanmıştır. Protokoller, kaynakların farklı zaman ve aynı zaman aralıklarında iletim yaptıkları durumlar için iki farklı gruba ayrılmıştır. Aynı zamanda iletim yaptıkları sistemler eş – zamanlı sistemler olarak adlandırılmış olup fiziksel katman ağ kodlamalı yapıdadırlar. Ayrık – zamanlı iletim yaptıkları durumda ise kaynakların iletimi klasik zaman çoğullamalı yapıdadır; buna karşın röle birimi ağ kodlamalı olarak iletim yapmaktadır. Bu nedenle ayrık – zamanlı sistemlerin klasik zaman çoğullamalı yapılarla ağ kodlamalı yapıların bir karması olduğu söylenebilir. Tüm tasarımlarda hata yayılımını engellemek için röle ve/veya hedef birimlerinde ARQ uygulanmıştır. Önerilmiş olan bu altı protokolün bit iletim verimliliği ve enerji verimliliği kuramsal çıkarımlarla ve benzetim sonuçlarıyla incelenmiştir. Başarımın iletim hızının kanal sığasının üstünde ya da altında kalması durumuna göre hesaplandığı bit iletim verimliliği için herhangi iki düğüm arasındaki anlık işaret – gürültü oranına bağlı kanal sığasının, iletim hızının altında kalması durumunda bu iki düğüm arasındaki iletişimin servis dışı kalacağı söylenebilir. Bu bilgiden hareketle bit iletim verimliliğine, kanal sığalarının altında kalarak hedef birime iletilen ortalama bit sayısı denilebilir. Enerji verimliliği ise iletilen bu ortalama bit sayısı için harcanan enerji miktarıdır. Benzetim sonuçlarıyla desteklendiği üzere sistemlerin ayrı ayrı tasarımlarıyla ilişkili olmakla beraber genel olarak eş – zamanlı sistemlerin daha yüksek en büyük bit iletim hızlarına ulaşabildiği, ayrık – zamanlı sistemlerinse düşük işaret – gürültü oranı ya da yüksek iletim hızlarında başarımlarını daha uzun süre koruyabildikleri söylenebilir. ARQ'yu hedefte uygulamanın ise rölede uygulamaya göre bit iletim verimliliği anlamında daha etkin bir çözüm olduğu belirtilebilir. Enerji verimliliği anlamında kötü ortam koşullarına daha az duyarlı olan (düşük SNR, yüksek hız) ayrık – zamanlı sistemler genel olarak daha başarılıdır. Hedefte ARQ uygulayan sistemler ise rölede ARQ uygulayan sistemlere göre daha verimlidir. Serbest uzay yol kaybının dikkate alındığı durumlarda röle konumunun uygun seçimiyle rölenin ARQ uyguladığı sistemlerin başarım artışı daha fazla olmakta, hatta düşük işaret – gürültü oranlarında rölede ARQ'lu sistemler yukarıda varılan yargının aksine hedefte ARQ'lu sistemleri bit iletim verimliliği anlamında geçebilmektedir. Benzer bir yorum enerji verimliliği üzerine de yapılabilir.