Eφαρμογές τεχνικών συνεργατικής προώθησης και συνεργατικής διαφορικότητας σε ασύρματα δίκτυα

Abstract

Αντικείμενο της εργασίας αυτής είναι η μελέτη συνεργατικών πρωτοκόλλων σε δίκτυα με ένα ή και περισσότερους κόμβους μεταγωγής. Εξετάζονται ειδικότερα δύο συνεργατικά πρωτόκολλα και η απόδοση που αυτά έχουν σε κανάλια με λογαριθμοκανονικές διαλείψεις. Στην εισαγωγή της διπλωματικής εργασίας γίνεται αναφορά, στις διάφορες μορφές διαφορικότητας που μπορούν να υπάρξουν στις ασύρματες μεταδόσεις, καθώς επίσης και στη διαφορικότητα λήψης. Εισάγεται ακόμα η έννοια της συνεργατικής διαφορικότητας. Στο δεύτερο κεφάλαιο μελετάται το ασύρματο μέσο μετάδοσης, τα φαινόμενα μικρής και μεγάλης κλίμακας που εμφανίζονται σε αυτό, και η στατιστική προσέγγιση του. Αναφορά γίνεται στη χωρητικότητα του καναλιού και τα μεγέθη που σχετίζονται με αυτή όπως η ιδία και αμοιβαία πληροφορία. Τέλος εξετάζεται το κανάλι μεταγωγής και τα όρια χωρητικότητας που παρουσιάζονται σε αυτό. Στο τρίτο κεφάλαιο μελετώνται οι στρατηγικές προώθησης που μπορούν να εφαρμοστούν σε ένα συνεργατικό δίκτυο από του κόμβους μεταγωγής (ενίσχυση και προώθηση(AF), η συμπίεση και προώθηση(CF) και η αποκωδικοποίηση και προώθηση(DF)). Δίνονται επίσης οι ρυθμοί μετάδοσης που μπορούν να επιτευχθούν για εργοδικά κανάλια μετάδοσης. Στο τέταρτο κεφάλαιο, αφού γίνει αναλυτική περιγραφή της τεχνικής MRC, κατηγοριοποιούνται και εξετάζονται διάφορα πρωτόκολλα εκπομπής για την περίπτωση μη εργοδικού περιβάλλοντος διαλείψεων και εφαρμογή της προαναφερθείσας MRC τεχνικής διαφορικής λήψης στο δέκτη. Τα πρωτόκολλα κατηγοριοποιούνται σε σταθερά και προσαρμοζόμενα και εξετάζεται η απόδοση των διαφόρων σχημάτων συνεργασίας που προκύπτουν. Στο κεφάλαιο 5, μελετώνται δύο συγκεκριμένα πρωτόκολλα συνεργατικής διαφορικότητας για την περίπτωση του απλού συνεργατικού δικτύου με έναν κόμβο μεταγωγής, που διατυπώθηκαν από τους Majid Safari και Μurat Uysal. Μελετάται η απόδοση που τα πρωτόκολλα αυτά έχουν σε κανάλια με λογαριθμοκανονικές διαλείψεις(μεταδόσεις σε περιβάλλοντα εσωτερικού χώρου) με τη χρήση ανώτατων ορίων όσον αφορά τους ρυθμών σφαλμάτων bit (BER), για τον υπολογισμό των οποίων χρησιμοποιούνται οι πιθανότητες λάθους ανά ζεύγος bit(PEP). Εξετάζεται η απόδοση που τα πρωτόκολλα αυτά έχουν για διάφορες τιμές του SNR και θέσεις του κόμβου μεταγωγής. Παρουσιάζονται επίσης, οι βελτιώσεις απόδοσης που προκύπτουν, όταν εφαρμόζεται βέλτιστη κατανομή ισχύος (opa) στις μεταδόσεις, έναντι της ίσης κατανομής (epa). Ο υπολογισμός της βέλτιστης κατανομής ισχύος προκύπτει μέσω της αντίστοιχης ελαχιστοποίησης της BER, συναρτήσει δύο κατάλληλων παραμέτρων. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιούμε τη συνάρτηση fmincon του λογισμικού MATLAB®. Στο έκτο κεφάλαιο επεκτείνονται τα δύο προαναφερθέντα πρωτόκολλα που μελετήθηκαν στο κεφάλαιο 5, για περιπτώσεις ύπαρξης Ν κόμβων μεταγωγής. Διατυπώνονται οι νέες τιμές PEP που ανταποκρίνονται στην περίπτωση αυτή. Στη συνέχεια βρίσκονται τα ανώτατα όρια των ρυθμών σφαλμάτων bit (BER) για περιπτώσεις Ν=1,2,3 κόμβων μεταγωγής και συγκρίνονται με τη βοήθεια διαγραμμάτων, οι διαφορές μεταξύ βέλτιστης κατανομής ισχύος (opa) και ίσης κατανομής (epa) που προκύπτουν για διάφορες θέσεις των κόμβων μεταγωγής και τιμές του SNR. Παρουσιάζονται τέλος οι βελτιώσεις, τόσο του οpa όσο και του epa -για συγκεκριμένες τιμές του SNR και θέσεις των κόμβων μεταγωγής- με την αύξηση του αριθμού N των κόμβων μεταγωγής. Για την εξαγωγή των αποτελεσμάτων και τις βελτιστοποιήσεις όσον αφορά την κατανομή ισχύος στις μεταδόσεις που πραγματοποιούνται σύμφωνα με τα δύο πρωτόκολλα, χρησιμοποιήθηκε παρομοίως με πριν, το λογισμικό MATLAB® και η συνάρτηση fmincon.

The subject of this thesis is the study of different cooperative protocols in networks containing one or more relays. This thesis focuses specially on two cooperative protocols and the performance they have in lognormal fading channels. In introduction, several diversity forms are proposed, which can be used in wireless channels. The meaning of receiver diversity and its forms, as well as cooperative diversity, are mentioned in this chapter. In chapter 2, impairments that affect the signal transmitted through wireless medium are summarized. Large and small propagation effects, as well as statistical characterization of wireless channels, are examined. Finally, relay channel properties and its capacities limits are analyzed at the end of this chapter. Chapter 3 addresses different cooperative strategies which can be used in a cooperative diversity network (i.e. amplify and forward(AF), compress and forward(CF), decode and forward(DF). Rates can be achieved with these strategies in ergodic channels are studied. In chapter 4, Maximum Ration Combining (MRC) technique is further studied. Several cooperative diversity protocols are categorized, in case of non-ergodic fading channels. The performance of different cooperating schemes (are forming by fixed and adaptive cooperative strategies) is examined. In chapter 5 we study two cooperative protocols designed by Majid Safari and Murat Uysual applied in single relay cooperative network. The fading coefficients of the wireless channels are modeled using lognormal distribution (modeling indoor propagation fading effects). Performance of these protocols is analyzed using upper bounds on Bit Error Rate(BER), calculating using pair wise error probabilities(PEPs). The performance comparison of optimal power allocation schemes (opa) to equal power allocation (epa) ones is studied-for both protocols- (for different SNR values and distances of the relay between source and receiver). We minimize BER, optimizing two parameters in order to find optimized versions (opa) of these protocols. For this reason, we use fmincon function of MATLAB® software. Chapter 6 investigates the expansion of the two protocols-of chapter five- in cooperative networks containing N relay nodes. We find new PEPs correspond to this case, and upper bounds on BER in case of N=1,2,3 relay nodes. We use diagrams to compare the performance of opa and epa for different SNR values and distances of relays. Finally, we study the improvement of the performance (for both protocols) for a specific value of SNR and given distances of relays, as their number is increasing. We use MATLAB® function fmincon to optimize different power allocation schemes, process the results and study the performance of these protocols.