Otomatik yineleme istemeli işbirlikli iletimde enerji hasatlama

OTOMATİK YİNELEME İSTEMELİ İŞBİRLİKLİ İLETİMDE ENERJİ HASATLAMA ÖZET Günümüz dünyasında iletişim alanında kullanılan veri miktarı, iletişim hızları ve küresel anlamda ağlara bağlı aygıt sayısı hızla artmakta, kullanılan uygulamalar ve teknolojiler aynı hızla gelişmektedir. Buna karşın pil teknolojileri aynı hızda gelişmediğinden, gün içerisinde birçok kullanıcı şarj problemi yaşamaktadır. 2G ağlar, ses; 3G ağlar, ses ve veri; 4G ağlar ise geniş bant internet hizmeti için tasarlanmışlardır. 4G'nin ötesinde bir teknolojiye (5G) erişmek için, iletişim kaynaklarının ve işlem gücünün ağlar ile gezgin aygıtlar arasında dağıtmak, bununla beraber oldukça fazla kıyaslama ve karar mekanizması içeren görevleri yerine getirmek, zengin içerik ve uygulamaları kesintisiz çalıştırmak için sisteme bağlı en küçük aygıtlara dahi güç sağlamak gerekecektir. Söz konusu bu yeni nesil ağlar ve standartlar için iletişim ve kıyaslama işlemlerinin birleşmesinin getireceği karmaşıklık gibi birçok zorluğu çözmek gerekecektir. Telsiz teknolojiler; fiber, bakır veya DSL gibi kablolu teknolojilere kıyasla çok daha fazla enerji tüketir. Telsiz erişim ağları belirgin şekilde, bulut ortamındaki enerjinin en büyük ve en verimsiz tüketicisidir. Telekomünikasyon altyapısı ile kullanıcı arasındaki nihai bağlantı, bulut sisteminin tamamı göz önüne alındığında enerji tüketiminin en çok olduğu noktadır. 3G teknolojileri kablolu bağlantılardan yaklaşık 15 kat daha fazla enerji kullanırken 4G teknolojilerinde bu oran 23 kata ulaşmıştır. 5G 'nin enerji tüketiminde bu oranın hangi boyutta olacağı hakkında ise henüz net bir veri yoktur. Geniş çerçeveden bakıldığında 5G, nesnelerin interneti (IoT – Internet Of Things) teknolojisi sayesinde her zaman, her yerden, her şeyi birbirine bağlamayı hedeflemektedir. IoT ile birlikte giyilebilir aygıtlar, akıllı telefonlar, tabletler ve sensörler, vb. diğer aygıtlar kullandığımız uygulamalar ve hizmetler ile birlikte çalışacaktır. 5G ile birlikte, karşılaştırma işlemlerinin her alandaki iletişim sistemlerinde yoğun bir biçimde kullanıldığını göreceğiz. Giyilebilir aygıtlar gibi trilyonlarca nesnenin bu işlemlere kesintisiz devam edebilmesi için bu karşılaştırma işlemleri için gereken enerjiye sahip olmaları gerekir. IoT 'nin hızla büyüyen sınırsız enerji tüketimini dengelemekte başarılı olması için bir takım yeni çözümlere gereksinim duyulmaktadır. Bu amaçla IoT aygıtlarının düşük güçlü aygıtlar olması beklenmekte olup Cisco 'nun 2020 'de 50 milyar olacağını öngördüğü IoT aygıtlarının sayısı, bugün kullanılan akıllı telefonların ve tabletlerin toplam sayısından çok daha fazladır. Bu aygıtlar ile bağlı oldukları şebekeler ve veri merkezleri tarafından tüketilen enerji dikkate alınırsa, IoT ile oluşacak enerji tüketimi, enerji tüketiminin büyüme oranını etkileyici bir şekilde arttıracaktır. Bu bağlamda IoT çalışmalarında, üzerinde yoğun bir şekilde çalışılan spektrum etkinliği yanında bir başka zorlu konu olarak enerji verimliliği ortaya çıkmıştır. Bunun nedeni, daha yüksek iletim hızı ve çok büyük sayılardaki bağlantılı akıllı aygıtların daha fazla enerji tüketmesi gerçeğidir. Bu sebeple, enerji tüketiminin nasıl azaltacağı ve enerjinin etkin bir şekilde nasıl kullanılacağı önemlidir. Bu kısıtlamayı aşmak ve 5G ağların beklenen gelişmeyi gösterebilmesi için, yeni nesil aygıtlar önceki nesillerdekilerden çok daha hızlı ve akıllı olmak zorundadırlar. Bu sebeple ağ içerisinde bulunan düğümler/kullanıcılar sadece son kullanıcı olmaktan fazlasını sağlamak ve diğer kullanıcılar için röle görevi görmek zorundadırlar. Telsiz iletişimde, kaynağın hedefe doğrudan yeterli bilgi iletemediği durumlarda iki noktanın arasında bir yerde bulunan bir röle yardımıyla bilginin hedefe iletilmesinin sağlandığı iletişim biçimine işbirlikli iletişim denir. Bu tür sistemlerde pil problemleriyle başa çıkmak için önerilen çözümlerden biri de rölede Enerji Hasatı (EH) yapmaktır. Rölede enerji hasatı yapmak için enerji ve bilgiyi aynı anda taşıyan radyo işaretleri (RF) kullanılır. Bu sayede röle kaynaktan aktarılan işareti hedefe iletirken dış bir enerji kaynağına gereksinim duymaz ve pilinde depoladığı enerjiyi kendi iletimi için kullanabilir. Rölenin enerji kaynağından bağımsız çalışabilir olması durumunda enerji hasatlama ve bilgi aktarımı işlemi temelde iki farklı protokol ile uygulanmaktadır. Bunlardan biri zaman anahtarlamalı aktarım protokolü (TSR) diğeri ise güç bölmeli aktarım protokolüdür (PSR). Diğer yandan, 5G sistemlerde başarım artırımı için kullanılması öngörülen radyo erişim tekniklerinden biri dik olmayan çoklu erişim (NOMA - Non-Orthogonal Multiple Access) 'dir. NOMA, aynı zaman aralığı veya frekans bandından, birden çok bilgi işaretinin güç paylaşımı yoluyla toplanarak iletilmesine dayanmaktadır. NOMA 'nın, alıcı tarafa uygulanan bir ardışık girişim giderme (SIC) işlemiyle, 4G gezgin iletişim sisteminde yaygın olarak kullanılan dik çoklu erişim (OMA - Orthogonal Multiple Access) tekniği ile karşılaştırıldığında sistem verimliliği ile kullanıcı adilliği arasında daha iyi bir ödünleşim sağlayacağı düşünülmektedir. Bu teknikle 5G iletişimde kullanıcıların veri hızı gereksinimlerini karşılamanın mümkün olması beklenmektedir. Bu tez kapsamında, bir kaynak, bir röle ve iki hedef düğümünden oluşan ARQ-tabanlı bir işbirlikli iletişim ağında enerji hasatlamanın etkileri Rayleigh sönümlemeli kanallarda incelenmektedir. İlk olarak, kaynağın aynı veri paketini iki hedef düğüme ve röleye doğrudan ilettiği bir yayın kanalı ele alınmıştır. İletim iki hedef düğümde başarılı olduğunda bu düğümler kaynağa ve röleye bir onay (ACK) işareti göndermektedir. Aksi durumda, iki seçenek vardır: Röle söz konusu veri paketini başarıyla almış ve onay (ACK) işareti göndermişse, işbirliği yapmakta ve bu paketi ikinci kez hedef düğümlerine iletmektedir. Röle paketin alımında başarısız olmuş ve onaylamama (NACK) işareti göndermişse bu kez kaynak paketi yeniden hedef düğümlere doğrudan iletmektedir. Her veri paketinin yalnız bir kez yeniden iletimine (röleden veya kaynaktan) izin verilmektedir. Rölenin iletim enerjisi yalnız bir veri paketinden enerji hasatlanarak sağlanmaktadır. Bu anlamda, rölede tampon bulunmamaktadır. Buna bağlı olarak, çöz-ilet (DF) protokolünün gecikme-sınırlı kullanımı söz konusudur. İkinci olarak, NOMA tekniği aynı ağ yapısına uygulanmış ancak kaynağın her hedef düğüme iletilecek ayrı bir veri paketi olduğu varsayılmıştır. Aynı ARQ iletim yapısında kaynaktan ve röleden, uygun bir güç paylaşımıyla süperpoze edilmiş birinci ve ikinci hedefe ilişkin veri paketleri iletilmekte ve daha güçlü kanal durumuna sahip hedef düğümde SIC işlemini gerçekleştirilirken zayıf kanala sahip hedef düğüm kendi paketini diğer paketi gürültü gibi kabul ederek çözmektedir. Her iki durumda da amaç ARQ yardımıyla sistemin güvenilirliğini, rölede enerji hasatlayarak da enerji verimliliğini artırmaktır. Enerji hasatlamak amacıyla TSR ve PSR protokolleri kullanılmaktadır. Göz önüne alınan sistemlerin başarımları ağdaki kanalların servis kesilme olasılıklarına bağlı olarak elde edilen verim bakımından değerlendirilmektedir. SNR, hedeflenen veri hızı, zaman ve güç paylaşım oranları, enerji hasatlama verimi gibi çeşitli sistem parametrelerinin verime etkileri göz önüne alınmıştır. Analitik verim ifadeleri her durumda kapalı biçimde elde edilmekte, elde edilen kuramsal sonuçlar bilgisayar benzetim sonuçlarıyla desteklenmektedir. Elde edilen sonuçlar işbirliği amacıyla röle kullanmanın doğrudan kaynaktan iletim durumuna göre sistem verimini önemli ölçüde artırdığını ayrıca enerji hasatlamak amacıyla PSR protokolünün kullanımının TSR protokolüne göre her durumda daha üstün başarım sağladığını göstermektedir.