Bilişsel radyo için uzay zaman kodlamaya dayalı girişimsiz spektrum paylaşımı

Yeni nesil telsiz iletişim sistemleri ve gezgin sistemler daha yüksek veri hızlarının yanında, maksimum bant genişliği kullanımına da gereksinim duyarlar. Son yıllarda, literatürde bazı teknikler telsiz sistemlerin yüksek veri hızlarını destekleyeceği çeşitli şekillerde ortaya konulmuştur. Ancak, yüksek veri hızlarını destekleme gereksinimini karşılamada, spektrumun çoğunun lisanslı kullanıcılara ait olduğu spektrum tahsis tablosunda olduğu gibi spektrum yetersizliği problemiyle karşılaşılır. Bununla birlikte, spektrum ölçümleri frekansa, coğrafi konuma ve zamana bağlı olarak spektrumun büyük bir kısmının sürekli olarak kullanılmadığını göstermektedir. Sonuç olarak, yüksek veri hızlarını desteklemek için spektrum dağılımını kabul edilebilir servis kalitesine göre yöneterek kaynakların verimli bir şekilde kullanılması gerekmektedir. Bu nedenle, telsiz iletişimde mevcut spektrumu paylaşarak spektrum yetersizliği problemini ortadan kaldırmak için pek çok yaklaşım ortaya atılmıştır. İki farklı telsiz sistemin önceliklerine göre aynı frekans bandında çalıştığı bilişsel radio (CR) spektrum kullanımını arttırmak ve spektrum yetersizliğini çözmek için potansiyel bir yol olarak kabul edilmiştir. CR ilerideki yeni nesil kablosuz sistemler için yenilikçi bir teknik ve gelişen bir araştırma alanıdır. CR'da lisanslı bandlara erişmek için ikincil kullanıcılar (SU) tarafından araya yerleştirme, altına serme ve üstüne serme teknikleri kullanılabilir. Araya yerleştirme tekniğinde, SU'lar birincil kullanıcılara (PU) girişim yaratmadan spektrum boşluklarını kullanmak için PU'ların varlığını ya da yokluğunu sezerler. Altına serme tekniğinde, eğer PU'lardaki girişim önceden belirlenmiş bir girişim seviyesinin altındaysa, SU'lara lisanslı spektrumu kullanma hakkı verilir. Üstüne serme tekniğinde ise, lisanssız kullanıcılar genellikle lisanslı spektrumu paylaşmak için spektrum sahiplerinin yararına işbirliği yaparak bir bedel öderler. Literatürde karma ve toplamsal kodlama teknikleri gibi farklı spektrum paylaşım türleri önerilmiştir. Toplamsal kodlamada SU, PU'nun ve kendi işaretini birleştirir, sonra birincil alıcıya (PR) ve ikincil alıcıya (SR) yayın yapar. Ancak bu teknik her iki kullanıcının alıcılarında önemli girişime neden olur. Sistemin, spektrumdan yarar sağlamak ve PU ile işbirliği yapmak için farklı teknikleri bir araya getirdiği karma yöntemlerden de yaralanılabilir. İletilen işarete kanalların sönümleme etkisini azaltabilen, modülasyon çeşitlemesi olarak da bilinen bir çeşitleme tekniği işaret uzayı çeşitlemesidir (SSD). SSD fazladan band genişliği ya da güç kullanmadan sönümlemeli kanallarda başarımı artırır. SSD işleminde veri iletiminin öncesinde modülasyonlu işaret kümeleri belli bir açı ile döndürülür ve döndürülen işaretler arasındaki minimum çarpımsal uzaklık maksimize edilir. Döndürülmüş işaret kümesine koordinat serpiştirmeli dik tasarım (CIOD) uygulandıktan sonra düzensiz bir modülasyonlu işaret kümesi elde edilir. Normalde işbirlikli haberleşmede verinin alıcıya iletilmesi birden fazla zaman aralığı aldığı için tüm sistemin band verimliliği düşer. Ancak, SSD ve CIOD tekniklerini sistem yapısında kullanmak sistemin karmaşıklığını artırmadan işbirlikli sistemlerde band verimliliğini kolaylıkla artırabilir. Bu tezde, üstüne serme yöntemiyle çalışan bilişsel radyo için iki farklı spektrum paylaşım protokolü önerilmiştir. İlk protokolde, birincil sistem her biri bir antenle donatılmış bir birincil verici (PT) ve bir birincil alıcı (PR) ile ikincil sistem ise her biri bir antenle donatılmış bir ikincil verici (ST) ve bir ikincil alıcı (SR) dan oluşmaktadır. Birincil sistem ile işbirliği çerçevesinde, SU'nun PU ya ait spektrum bandını kullanmasına izin verilmektedir. Bu çalışmada hem spektral verimliliği ve çeşitlemeyi artırmak hem de iki kullanıcının karşılıklı girişimini ortadan kaldırmak amacıyla üç zaman aralığında iki kullanıcının iletimini sağlayan CIOD uzay zaman kodlaması kullanan bir iletim protokolu önerilmektedir. İlk zaman aralığında, PT kendi işaretini PR ve ST'ye iletir ve ST iletilen işareti çözmeye çalışır. ST, PU nun işaretini doğru çözerse, serpiştirilmiş birincil işaret koordinat çiftini PR'ye ikinci zaman aralığında iletilmektir ve PR, PT ve ST'den aldığı işaretler yardımıyla işareti çözmeye çalışır. Ancak, ST'nin PT'den aldığı işareti doğru çözemediği durumda, PR sadece ilk zaman aralığında PT den gelen işarete dayanarak iletilen işareti çözmeye çalışır. Son olarak, ST üçüncü zaman aralığında kendi (ikincil) işaretini SR'ye iletir. Önerilen protokolde ikincil kullanıcıya ayrı bir zaman aralığı ayrılması iki kullanıcı arasındaki girişimi kaldırırken iki birincil işaretin CIOD yardımıyla iki zaman aralığında iletilmesi üç kanal kullanımı başına iki birincil işaretin iletilmesini sağlamakta, böylece iki kanal kullanımı başına bir birincil işaretin iletildiği referans sistemlere göre kanalın daha verimli kullanılmasını sağlamaktadır. PT ile ST arasında bir kritik uzaklık tanımlanmakta, ST, PT ye bu uzaklıktan daha yakın olduğu sürece PU nun servis kesilme olasılığı spektrum paylaşımı olmadığı durumdakine eşit veya daha düşük olmaktadır. Rayleigh sönümlemeli kanalda, PU ve SU nun servis kesilme olasılıkları için kapalı biçimde kuramsal ifadeler türetilmekte, hedeflenen farklı hızlar için protokolun başarımı değerlendirilmektedir. Kuramsal sonuçların bilgisayar benzetimleriyle bütünüyle uyum içerisinde olduğu görülmektedir. Önerilen protokol için hem PU nun hem de SU nun başarımında ST de toplamsal kodlamanın kullanıldığı literatürde verilen referans protokole göre önemli kazançlar elde edilmektedir. Diğer yandan birincil kullanıcının bit hata olasılığı için kuramsal bir üst sınır elde edilmekte, sonuçlar bilgisayar benzetimleriyle desteklenmektedir. Beklendiği gibi bilgisayar benzetim sonuçları artan işaret-gürültü oranı ile kuramsal üst sınıra yaklaşmaktadır. Son olarak, ikincil kullanıcının BER başarımı klasik doğrudan iletime eşdeğerdir. 4QAM ve 16QAM modülasyonları ve ST ile SR arasındaki uzaklığın farklı değerleri için elde edilen BER başarım eğrileri önerilen protokolun toplamsal kodlamalı referans protokole üstünlüğünü ortaya koymaktadır. İkincil protokolde birincil kullanıcı, birer antenli PT ve PR den oluşurken ikincil kullanıcı için ST iki antenli olup SR bir antenlidir. ST bir önceki protokolden farklı olarak en büyük oran birleştirme (MRC) ve Alamouti uzay-zaman kodlama tekniklerinden yararlanmaktadır. Protokol yine üstüne serme tekniğine dayalı olup spektral verimliliği artırma, çeşitleme sağlama ve alıcılarda girişimi önleme amacıyla CIOD ve Alamouti uzay zaman kodlama teknikleri bir arada kullanılmaktadır. Protokol PU nun iki, SU nun bir işaretini üç zaman aralığında iletmektedir. Birinci zaman aralığında PT iki birincil işaretin yalnız gerçel ve sanal kısımlarını PR ve ST ye iletmekte, ST iki anteni yardımıyla MRC uygulayarak bu iki birincil işareti yalnız gerçel ve sanal bileşenlerinden çözmekte, ikinci zaman aralığında ilişkin sanal ve gerçel bileşenleri bir araya getirerek birinci anteninden PR ye iletmektedir. Kendi ikincil işaretini ise aynı anda ikinci anteninden SR ye iletmektedir. Üçüncü zaman aralığında ise ikinci zaman aralığında ilettiği işaretlere Alamouti uzay zaman blok kodlaması uygulayarak her iki anteninde iletmektedir. ST, PT den gelen işareti çözemezse ikinci ve üçüncü zaman aralıklarında Alamouti koduna uygun biçimde kendi işaretini iletmektedir. Protokol hem PR hem de SR de Alamouti kodlamanın getirdiği tek simge çözme özelliğiyle girişimi ortadan kaldırmakta ayrıca her iki kullanıcı için uzay çeşitlemesi sağlamaktadır. Tezde birincil kullanıcının bit hata olasılığı için kuramsal bir üst sınır türetilmekte, üst sınırın geçerliliği bilgisayar benzetim sonuçlarıyla desteklenmektedir. PT, ST ve PR arasındaki farklı uzaklık değerleri için sonuçlar irdelenmekte, protokolun sağladığı BER başarım kazancı referans protokolle karşılaştırılarak ortaya konmaktadır. Diğer yandan, ikincil kullanıcının BER başarımı klasik Alamouti kodununkine eşdeğer olmakta, ST ile SR arasındaki uzaklığın çeşitli değerleri ve 16QAM modülasyonu için irdelenmekte, doğrudan iletim durumu ve toplamsal kodlamanın kullanıldığı referans protokolle karşılaştırılarak üstünlüğü ortaya konmaktadır.