FPGA TABANLI DİJİTAL HABERLEŞME SİSTEMLERİNİN SYSTEM GENERATOR ARACI İLE ANALİZİ

Sayısal haberleşme sistemlerinde, verici tarafından iletilen verinin alıcı tarafına minimum hata ile ulaştırılması arzu edilmektedir. Ancak iletilen veri, kullanılan modülasyon tekniği, kodlama ve kanal yapısına dayalı çeşitli sebeplerden dolayı bozulmaya maruz kalmaktadır. Bu bozulma, iletim süresince alıcıya ulaşan hatalı bitlerin sayısının bütün bitlere oranı “bit hata oranı” BER olarak tanımlanmaktadır ve bu oran iletişim sisteminin kalitesini belirlemektedir. Günümüzde yapılan akademik çalışmalarda haberleşme sistemlerini analiz etmek için genellikle Matlab benzetim programları kullanılmaktadır. Ancak, bu şekilde yapılan ölçümlerin zaman alıcı olmasının yanı sıra benzetim programlarının da gerçek bir haberleşme sistemini tam olarak temsil etmediği düşünülmektedir. Bu sebeple, bir haberleşme sisteminin FPGA gibi paralel çalışan hızlı modüllerle gerçekleştirilmesi ve bu sistem üzerinden gerekli ölçümleri yapılmasının daha hızlı, gerçeğe yakın ve özgün olacağı düşünülmektedir.Bu çalışma ile BPSK (iki seviyeli faz kaydırmalı anahtarlama) ve QPSK (dört seviyeli faz kaydırmalı anahtarlama) modellerine uyarlanabilen FPGA (Alan Programlanabilir Kapı Dizileri) tabanlı bir gömülü haberleşme sistem tasarımı gerçekleştirilmiştir. Tasarlanan sistem daha sonra FPGA tabanlı sistemleri analiz etmek için kullanılan Xilinx firmasının geliştirdiği System Generator aracı ile analiz edilmiştir. İletilen veri minimum hata ile tekrar elde edilmeye çalışılmıştır

Design And Performance Analysis Of Enhanced Network Coded Cooperative Communication Systems

Tez (Yüksek Lisans) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2017Thesis (M.Sc.) -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2017Kablosuz haberleşme sistemi birbiriyle haberleşebilen birçok hareketli düğüm noktasından oluşmaktadır. Sönümleme ise kablosuz haberleşme sistemlerinin performansını olumsuz yönde etkileyen önemli faktörlerden biridir. Sönümlemenin mevcut olduğu ortamlarda güvenilir bir haberleşme için kanal kodlama ve çeşitleme teknikleri önerilmiş ve uygulanmıştır. Bunlardan biri, çeşitleme kazancı elde ederek olabildiğince hatasız veri iletimi gerçekleştirmek üzere her bir terminalde çoklu verici ve alıcı düğümleri kullanan çok girişli çok çıkışlı çeşitleme (MIMO) tekniğidir. Fakat işbirlikli çeşitleme tekniği bunu her bir terminalde birden çok verici anten kullanmadan gerçekleştirebilmektedir. Kablosuz yayın ortamı komşu röle düğümlerin işbirliği yapmasına imkan sağlayarak verinin kaynak düğümlerden hedef düğümlere aktarılması sırasındaki sönümleme etikisini azaltmaktadır. Bu sebeple, işbirlikli haberleşme sistemi veri iletimi sırasında röle düğümler ile oluşturulan birden çok haberleşme ağının kullanılmasını ve kendiliğinden oluşan uzaysal kanal çeşitlemesinden faydalanılmasını mümkün kılmaktadır. Doğrudan veri iletimi kullanan klasik tek atlamalı haberleşme sistemlerinde bir alıcı doğrudan gelen işaretin içerisindeki veriyi elde ederek yansıyan işaretleri girişim olarak algılarken, işbirlikli haberleşme sistemleri diğer işaretleri katkı olarak değerlendirmektedir. Böylelikle işbirlikli çeşitlemede veri iki ya da daha çok işaretin birlikte değerlendirilmesiyle elde etmektedir. Başka bir deyişle, işbirlikli çeşitleme kablosuz haberleşme ağlarında bulunan her bir düğümdeki antenin dağıtık olarak kullanıldığı bir anten çeşitleme tekniğidir. Hareketli düğümlerin (mobile nodes) güç, bant genişliği ve boyut gibi kısıtları sebebiyle diğer çeşitleme tekniklerinin kanal sönümlemesine karşı kullanılamadığı kablosuz tasarsız (ad hoc) algılayıcı ağları için işbirlikli çeşitleme özellikle faydalı olmaktadır. Bütün senaryolar için, hareketli kullanıcılar arasında işbirliği olan kablosuz sistemler bu işbirliğinin olmadığı diğer sistemlere göre daha yüksek bir sığa potansiyeline sahiptir. Fakat, işbirlikli haberleşme ile hata performansında elde edilen iyileşme çoğu durumda kablosuz ağdaki iletim hızından feragat ile mümkündür. Bu gibi durumlarda, ağ kodlama tekniği sayesinde röle düğümlere gönderilmiş olan veri paketlerinin akıllı bir şekilde birleştirilmesi ile işbirlikli kablosuz ağlardaki veri hızında ciddi bir iyileştirme sağlanabilmektedir. Ağ kodlama esasen kayıpsız haberleşme sistemlerinde yönlendirme ağlarının verimini artırmak için geliştirilmiştir. Fakat, ağ kodlama ile işbirlikli kablosuz ağların tümleştirilmesi (entegrasyonu) sönümlemenin bulunduğu ortamlarda kaynakların daha verimli bir şekilde kullanılması ve hata performansının iyileştirilmesi yönünde ciddi bir potansiyele sahiptir. Ağ kodlama, 5G standartlarının ötesindeki kablosuz ağlarda sürekli artan kullanıcı ve cihazların taleplerini karşılayabilecek kabiliyete sahiptir. Kablosuz sistemlerin yayın doğası işbirlikli haberleşme ve ağ kodlamanın beraber uygulanmasını ve bu iki tekniğin faydalarından yararlanmayı mümkün kılmaktadır. Bu bağlamda, son yıllarda mevcut literatürde çeşitli ağ kodlama teknikleri değerlendirilmekte fakat her yöntem röle düğümlerdeki veri paketleri işlevlerinin birleştirilmesi ve iletilmesini kapsamaktadır. Bu tezde, rastgele doğrusal ağ kodlama, karmaşık alan ağ kodlama ve XOR ağ kodlama tekniklerinin benzetimleri yapılmış ve çeşitli bakış açıları ile analiz edilmiştir. Tezin ilk bölümünde, Rayleigh ve Rician sönümleme kanalları için varış düğümlerindeki kod çözme hata olasılığı üzerinden rastgele doğrusal ağ kodlama sistemlerinin performansı incelenmektedir. Doğrusal ağ kodlama sistemlerinde, ara düğümlerdeki veri bitleri paket vektörler olarak alınmakta ve ara düğümler belirli bir boyutta ve eşit olasılıklı Galois kümesinden çıkarılan katsayılar ile alınan paketleri doğrusal olarak birleştirerek veriyi çözmektedir. Bu bölümdeki benzetim ortamı birden çok kaynak ile röle ve varış düğümlerinden oluşmakta; kaynak ve varış noktaları arasında ise doğrudan bağlantılar bulunmamaktadır. Belirtilen sistemdeki haberleşme kanalı kesintileri ve dolayısıyla paket kayıpları sönümleme etkisiyle oluşmaktadır. Belirtilen sistem modeli için ortaya çıkan benzetim sonuçları, paket çözümündeki kayıp olasılığının sadece sönümleme ortamı değil röle düğümlerde ağ kodlama için kullanılan katsayılar tarafından da belirlendiğini göstermektedir. Sönümleme kanallarındaki çözümleme kayıp olasılıkları röle düğümlerdeki paketlerin doğrusal olarak birleştirilmesi sırasında kullanılan rastgele katsayıları barındıran Galois kümesinin boyutu artırılarak düşürülebilmektedir. Tezin ikinci kısmında ise, karmaşık alan ağ kodlamasının bit hat oranı performansı frekans seçmeli Rayleigh sönümleme kanalları için dik frekans bölmeli çoğullama (OFDM) kullanılarak analiz edilmiştir. Daha önceki çalışmalarda, bu analiz düz sönümleme kanalları için yapılmıştır. Performans değerlendirmesinde kullanılan sistem modeli birden çok kaynak düğümü, tekli ya da çoklu röle düğümleri ve tek varış düğümü içermektedir. Hem kuvvetlendir ve aktar hem de çöz ve aktar tipi röleler için hata performansı elde edilmekte ve çoklu röle sistemleri için röle seçimi hem kuvventlendir ve aktar hem de çöz ve aktar seçenekleri için ele alınmaktadır. Katlamalı kanal kodları da opsiyonel olarak mevcut sisteme performansı artırmak için eklenebilmekte ve sert kararlı (hard decision) Viterbi Algoritması kaynak bitleri çözmek için kullanılmaktadır. Buna ek olarak, kaynak ve varış noktalarına farklı uzaklıklardaki röle düğümlerinde asimetrik bağlantı ortamları da değerlendirilmiştir. Daha önce bahsedilen senaryo kapsamında hedef ve/veya röle düğümlerde her bir bitin aynı zamanda elde edilmesi için OFDM ile birlikte çoklu kullanıcı belirleme kuralları uygulanmıştır. Benzetim sonuçları, rölelerdeki analog dalga formunun kaydedilmesini gerektirmesi dolayısıyla uygulama açısından pratik olmasa da her durumda kuvvetlendir ve aktar röle düğümlerinin, çöz ve aktar tipi röle düğümlerinden daha iyi performansa sahip olduğunu göstermektedir. Dahası, sistem modelinde hem kuvvetlendir ve aktar hem de çöz ve aktar tipi röleler ile röle seçimi yapıldığında hata performansında hatırı sayılır bir iyileştirme gözlenmektedir. Son olarak, asimetrik ağlarda, daha iyi bir hata performansı röle düğümlerinin kaynak düğümlerine daha yakın yerleştirilmesi ile elde edilebilmektedir. Tezin üçüncü kısmında, ele alınan tekniklerin faydalı yönlerini birleştirecek şekilde, OFDM kullanan kanal kodlamalı karmaşık alan ağ kodlama tekniği önerilmekte ve bit hata oranı üzerinden performans değerlendirmesi yapılmaktadır. Buradaki çalışma OFDM kullanan katlamalı kanal kodlamalı karmaşık alan ağ kodlama ve ikinci bölümde bahsedilen sert kararlı (hard decision) Viterbi Algoritmasının genişletilmesidir. Sistem modeli ikinci kısımdaki ile aynı olmakla birlikte yavaş ve frekans seçimli Rayleigh sönümleme kanalı içermektedir. Yine hem kuvvetlendir ve aktar hem de çöz ve aktar türü röleler bu bağlamda değerlendirilmiş ve birden çok röle içeren senaryolarda röle seçimi uygulanmıştır. Fakat, bu bölümde kodlanmış kaynak bitlerinin elde edilmesi için yumuşak kararlı (soft decision) Viterbi Algoritması ve Max-Log-MAP kod çözme teknikleri kullanılmakta ve böylelikle çok kullanıcı belirleme kuralları kodlanmış kaynak bitleri için log likelihood oranlarını sağlamaktadır. Dahası, kafeste farklı kod oranlarına ve durum sayılarına sahip katlamalı kodlar ve asimetrik bağlantı ortamları için performans analizi verilmektedir. Benzetim sonuçlarına göre, hem yumuşak kararlı Viterbi hem de Max- Log-MAP kanal çözümleme tekniklerinin belirtilen sistem modelinde aynı bit hatası performansına sahip olduğu görülmektedir. Kuvventlendir ve aktar yöntemi çöz ve aktar yöntemine göre her durumda daha iyi sonuç vermekte ve röle seçim teknikleri fark edilir bir performans iyileştirmesine sebep olmaktadır. Daha düşük kod oranlı ve daha çok kafes durumuna (trellis state) sahip katlamalı kodlar sistem performansını ciddi bir şekilde artırmakta ve asimetrik bağlantılarda aynı şekilde performansın iyileştirilmesi amacına katkı yapmaktadır. Tezin son bölümü OFDM ile birleştirilmiş iki yönlü röle ağları için XOR ağ kodlama tekniğinin geliştirilmiş versiyonu ile ilgilidir. İki yönlü röle ağları için geliştirilen geleneksel stratejiler ile karşılaştırıldığında, bu stratejide Galois küme eklemesi veya kaynaklarda çoklu veri paketlerinin bit XOR kodlaması uygulanmaktadır. XOR kodlamalı paket, iki yönlü röle ağının hata performansını artırmak için verici çeşitleme kazancı elde etmek üzere artıklık barındıran veri paketleri ile birlikte röle düğümlerine iletilmektedir. Sistem modeli, iki kaynak ve istenen hata performansının elde edilmesi için farklı sayıda ve katlamalı kanal kodlamalı röle düğümleri içermektedir. Sistemde birden çok röle olduğu durumda röle seçimi de yapılmakta ve bu sayede sadece hata performansı artırılmamakta aynı zamanda verimlilik de artmaktadır. Sonuçlar, iki yönlü röle ağının iletim ucunda sağlanan artıklık ile sistemde bit hatası performansının artırıldığını göstermektedir.A wireless communication system consists of multiple wireless nodes that can move around and communicate with each other. Fading is one of major degrading factors that can limit the performance of wireless communication systems. In order to achieve reliable communication in fading environments, channel coding and diversity techniques were proposed and implemented. Multiple input multiple output (MIMO) is one of the diversity techniques which uses multiple transmission and reception nodes per terminal to obtain diversity gains for reduced errors in the transmission of data. But cooperative diversity techniques can realize this purpose without installing multiple transmission antennas per terminal. The broadcasting nature of wireless medium allows neighbouring relay nodes to cooperate in communication by forwarding information from source nodes to destination nodes for fading mitigation. Therefore, cooperative communication system utilizes multiple communication routes created by relay nodes and exploits the inherent spatial diversity of the channel for information transmission. While classical single hop communication systems use direct transmission in which a receiver recovers the information using the direct signal only and regarding the reflected signal as interference, the cooperative communication systems consider the other signal as contribution. Therefore, cooperative diversity retrieves information from the combination of two or more signals. In other words, cooperative diversity is a virtual antenna diversity technique that uses distributed antennas belonging to each node in a wireless network for communication. Cooperative diversity is particularly considered useful in wireless ad hoc and sensor networks, where power/bandwidth/size restrictions of the mobile nodes may prevent the use of other diversity techniques to combat channel fading. In all scenarios, cooperation among mobile users of a wireless system has the potential to provide an increased capacity in comparison with the systems without using cooperation. However, in most cases, cooperative communication attains this improvement in error performance by sacrificing the throughput of wireless network. In such cases, network coding technique can substantially improve the data rate of cooperative wireless networks by intelligently combining the forwarded packets of information at the relay nodes. Network coding was originally proposed for lossless communication systems to increase the throughput of routing networks. But the integration of network coding with cooperative wireless networks has the potential to ensure more efficient usage of resources with improved error performance in fading environments. Network coding can ensure the capability to address the ever increasing number of users and devices in wireless networks, in beyond 5G standards. The broadcast nature of wireless systems allows the joint implementation of cooperative communication and network coding, exploiting the benefits of both techniques. In this context, several types of network coding have been discussed in literature in the recent years but each type involves the concept of combining and transmitting the functions of information packets at the relay nodes. In this thesis, random linear network coding, complex field network coding and exclusive-OR (XOR) network coding are simulated and analyzed in different perspectives. In the first part of this thesis, the performance of random linear network coding systems is investigated for Rayleigh and Rician fading channels in terms of decoding failure probabilities at destination nodes. In random linear network coding systems, the information bits at the intermediate nodes are received as packet vectors and the intermediate nodes encode the information data by linearly combining the received packets, with coefficients randomly extracted from the Galois field of a particular size, with equal probability. The setup considered in this section consists of multiple source, relay and destination nodes, with no direct links between sources and destinations. The communication channel outage and hence the packet loss in the given system occurs due to fading. The simulation results for the supposed system model show that the packet decoding failure probabilities are not only determined by the fading environment but also by the coefficients used in the network coding at the relay nodes. In fading channels, decoding failure probabilities can be reduced by increasing the size of the Galois field that contains random coefficients for linear combination of packets at relay nodes. In the second part of this thesis, the bit error rate performance of complex field network coding is analyzed with orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) for frequency selective Rayleigh fading channels. In previous literatures, this analysis is performed for flat fading channels. The system model used in the performance evaluation contains multiple source nodes, single or multiple relay nodes and a single destination node. Both amplify and forward as well as decode and forward types of relays are assumed to obtain error performance results and for multi-relay system, relay selection is also taken into account for both amplify and forward and decode and forward relay types. Convolutional channel codes are also optionally integrated in the given system to boost the system performance and hard decision Viterbi decoding is used to decode source bits. In addition to this, asymmetric link environments, with relay nodes at different distances from sources and destination, are also considered. Multiuser detection rules with OFDM are employed at destination node and/or relay nodes to retrieve each source bits at the same time, for the above mentioned scenarios. The simulation results indicate that amplify and forward relay nodes outperform decode and forward relay nodes in all cases but are not very suitable from the implementation perspective since they require the storage of analog waveform at relays. Moreover, a considerable improvement is error performance can be observed when relay selection is provided in the system model with both amplify and forward and decode and forward types of relays. Finally, in asymmetric network, better error performance can be achieved by placing relay nodes closer to the source nodes. The third part of this thesis proposes the channel coded complex field network coding with OFDM, combining the mutual benefits of all the techniques involved and the performance evaluation is made in terms of bit error rate. This work is the extension of the Convolutional channel coded complex field network coding with OFDM and hard decision Viterbi decoding, presented in the second part. The system model is same as the second part with slow and frequency selective Rayleigh fading channel. Again, both amplify and forward and decode and forward types of relays are considered in this context and relay selection is employed in scenarios with multiple relays. However, this part uses soft decision Viterbi and Max-Log-MAP decoding techniques for obtaining coded source bits and therefore, in this case, the multiuser detection rules provide log likelihood ratios for coded source bits. Moreover, the performance analysis is provided for Convolutional codes with different code rates and number of states in the trellis as well as for asymmetric link environments. From simulation results, it is seen that both soft decision Viterbi and Max-Log-MAP channel decoding techniques provide almost same bit error performance in the given system model. Amplify and forward performs better than decode and forward in all cases and relay selection techniques results in a noticeable performance gain. Convolutional codes with lower code rate and more number of trellis states can enhance the system performance considerably and asymmetric links also serve the similar purpose of performance improvement. The final part of thesis is related to an enhanced version of XOR network coding scheme for two-way relay networks, combined with OFDM. Compared to other conventional strategies for two-way relay networks, this strategy performs Galois field addition or bit-wise XOR coding of multiple information packets at sources. The XOR coded packet is transmitted to the relay nodes along with the information packets which facilitates redundancy to acquire transmit diversity gain for improving error performance of the two-way relay network. The system model consists of two source and different number of relay nodes with Convolutional channel encoding in the system to obtain desired error performance. Relay selection is also provided when there are multiple relays in the system and this provision not only improves the error performance but also gives better throughput. The results show that the redundancy provided at the transmission end of two-way relay network enhances bit error performance of the system.Yüksek LisansM.Sc

A simulation study of cooperative underwater acoustic communication

Thesis (M.A.)--Özyeğin University, Graduate School of Sciences and Engineering, Department of Electrical and Electronics Engineering, August 2012.Cooperative communication promises significant performance gains in terms of link reliability, spectral efficiency, system capacity, and transmission range. Due to its indisputable advantages for high-speed underwater applications with size and power limitations, cooperative transmission is a promising physical layer solution for next generation underwater acoustic (UWA) communication systems. Although a rich literature already exists on cooperative communication for terrestrial wireless radio frequency (RF) systems, there are only sporadic results reported for UWA applications. In this thesis, we consider cooperative UWA communication and investigate the performance of relay selection in underwater for multi-carrier and single-carrier systems with various selection criteria. In the first part, we consider a multi-carrier multi-relay cooperative UWA communication system based on orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) and investigate both amplify-and-forward (AaF) and decode-and-forward (DaF) relaying in half-duplex mode. We adopt different relay selection criteria which rely either on the maximization of signal-to-noise ratio (SNR), the minimization of probability of error (PoE), or the maximization of capacity for relay selection. These are utilized in conjunction with diverse approaches such as per-subcarrier, all-subcarriers, or subcarrier grouping. We provide an extensive Monte Carlo simulation study to evaluate the error rate performance of relay selection schemes. In the second part of the research, in order to increase spectral efficiency, we consider OFDM-based multi-relay systems with two-way relaying and study the performance of relay selection in UWA channels. In the final part of the thesis, we consider single-carrier frequency-domain equalization (SC-FDE) and present the performance of relay assisted SC-FDE schemes providing comparisons with uncoded OFDM counterparts.İşbirlikli haberleşme, bağlantı güvenirliliği, spektral verimlilik, sistem kapasitesi ve iletim menzili açısından önemli kazanımlar vaat eder. Özelikle fiziksel boyut ve güç kısıtlamalı yüksek hızlı sualtı uygulamaları için tartışılmaz avantajlarından dolayı, işbirlikli haberleşme, gelecek nesil sualtı akustik haberleşme sistemleri için potansiyel vaat eden bir fiziksel katman çözümüdür. Karasal kablosuz radyo frekans sistemlerinde,işbirlikli haberleşme üzerine halihazırda zengin bir literatür olmasına karşın sualtı akustik uygulamaları için sadece tek tük sonuçlar vardır. Bu tezde, işbirlikli sualtı akustik haberleşmesi ele alınmış ve çeşitli seçim kriterleri ile çok taşıyıcılı ve tek taşıyıcılı sistemler için sualtı röle seçim başarımı incelenmiştir. Tezin ilk kısmında, dik frekans bölmeli çoğullama tabanlı çok taşıyıcılı ve çok röleli işbirlikli sualtı akustik haberleşme sistemleri ele alınmış ve yarı çift yönlü modda çalışan yükselt-ve-ilet ve çöz-ve-ilet röleleme teknikleri incelenmiştir. Röle seçimi için sinyal-gürültü oranını enbüyütme, hata olasılığını enküçültme veya kanal sığasını enbüyütmeye dayanan farklı seçim kriterleri kullanılmıştır. Bunlar alttaşıyıcı başına, tüm altaşıyıcılar ve alttaşıyıcı gruplandırılması gibi farklı yaklaşımlarla beraber ele alınmıştır. Röle seçim yapılarının hata başarımı, kapsamlı bir Monte Carlo benzetim çalışması aracılığıyla ortaya konulmuştur. Araştırmanın ikinci bölümündeyse, spektral verimliliği artırmak için, çift yönlü röleleme tekniğinin kullanıldığı dik frekans bölmeli çoğullama tabanlı ve çok röleli işbirlikli sualtı akustik haberleşme sistemi ele alınmış ve sualtı akustik kanallardaki röle seçim başarımı incelenmiştir. Tezin son kısmında ise tek taşıyıcılı frekans bölgesi denkleştirme sistemi ele alınmış ve sualtı akustik kanallarındaki hata başarımı, kodlamasız dik frekans bölmeli çoğullama sistemininkiyle kıyaslanarak ortaya konulmuştur

A simulation study of cooperative underwater acoustic communication

Thesis (M.A.)--Özyeğin University, Graduate School of Sciences and Engineering, Department of Electrical and Electronics Engineering, August 2012.Cooperative communication promises significant performance gains in terms of link reliability, spectral efficiency, system capacity, and transmission range. Due to its indisputable advantages for high-speed underwater applications with size and power limitations, cooperative transmission is a promising physical layer solution for next generation underwater acoustic (UWA) communication systems. Although a rich literature already exists on cooperative communication for terrestrial wireless radio frequency (RF) systems, there are only sporadic results reported for UWA applications. In this thesis, we consider cooperative UWA communication and investigate the performance of relay selection in underwater for multi-carrier and single-carrier systems with various selection criteria. In the first part, we consider a multi-carrier multi-relay cooperative UWA communication system based on orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) and investigate both amplify-and-forward (AaF) and decode-and-forward (DaF) relaying in half-duplex mode. We adopt different relay selection criteria which rely either on the maximization of signal-to-noise ratio (SNR), the minimization of probability of error (PoE), or the maximization of capacity for relay selection. These are utilized in conjunction with diverse approaches such as per-subcarrier, all-subcarriers, or subcarrier grouping. We provide an extensive Monte Carlo simulation study to evaluate the error rate performance of relay selection schemes. In the second part of the research, in order to increase spectral efficiency, we consider OFDM-based multi-relay systems with two-way relaying and study the performance of relay selection in UWA channels. In the final part of the thesis, we consider single-carrier frequency-domain equalization (SC-FDE) and present the performance of relay assisted SC-FDE schemes providing comparisons with uncoded OFDM counterparts.İşbirlikli haberleşme, bağlantı güvenirliliği, spektral verimlilik, sistem kapasitesi ve iletim menzili açısından önemli kazanımlar vaat eder. Özelikle fiziksel boyut ve güç kısıtlamalı yüksek hızlı sualtı uygulamaları için tartışılmaz avantajlarından dolayı, işbirlikli haberleşme, gelecek nesil sualtı akustik haberleşme sistemleri için potansiyel vaat eden bir fiziksel katman çözümüdür. Karasal kablosuz radyo frekans sistemlerinde,işbirlikli haberleşme üzerine halihazırda zengin bir literatür olmasına karşın sualtı akustik uygulamaları için sadece tek tük sonuçlar vardır. Bu tezde, işbirlikli sualtı akustik haberleşmesi ele alınmış ve çeşitli seçim kriterleri ile çok taşıyıcılı ve tek taşıyıcılı sistemler için sualtı röle seçim başarımı incelenmiştir. Tezin ilk kısmında, dik frekans bölmeli çoğullama tabanlı çok taşıyıcılı ve çok röleli işbirlikli sualtı akustik haberleşme sistemleri ele alınmış ve yarı çift yönlü modda çalışan yükselt-ve-ilet ve çöz-ve-ilet röleleme teknikleri incelenmiştir. Röle seçimi için sinyal-gürültü oranını enbüyütme, hata olasılığını enküçültme veya kanal sığasını enbüyütmeye dayanan farklı seçim kriterleri kullanılmıştır. Bunlar alttaşıyıcı başına, tüm altaşıyıcılar ve alttaşıyıcı gruplandırılması gibi farklı yaklaşımlarla beraber ele alınmıştır. Röle seçim yapılarının hata başarımı, kapsamlı bir Monte Carlo benzetim çalışması aracılığıyla ortaya konulmuştur. Araştırmanın ikinci bölümündeyse, spektral verimliliği artırmak için, çift yönlü röleleme tekniğinin kullanıldığı dik frekans bölmeli çoğullama tabanlı ve çok röleli işbirlikli sualtı akustik haberleşme sistemi ele alınmış ve sualtı akustik kanallardaki röle seçim başarımı incelenmiştir. Tezin son kısmında ise tek taşıyıcılı frekans bölgesi denkleştirme sistemi ele alınmış ve sualtı akustik kanallarındaki hata başarımı, kodlamasız dik frekans bölmeli çoğullama sistemininkiyle kıyaslanarak ortaya konulmuştur

Adaptif OFDM tabanlı akustik su altı iletimi: sistem tasarımı ve deneysel doğrulama

Thesis (M.A.)--Özyeğin University, Graduate School of Sciences and Engineering, Department of Electrical and Electronics Engineering, August 2017.In this study, we design and implement an adaptive Underwater Acoustic (UWA) orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) system employing adaptive modulation and transmit power. Recently, UWA communications gain more attractions as there has been a growing interest in exploring the communications possibilities for underwater applications such as oil field monitoring, oceanographic data collection, maritime archaeology and disaster prevention. However, the harsh characteristic of underwater environments imposes various difficulties for communication in this medium. Thus, proposing a reliable UWA communication system which has a high data rate can improve these applications performance significantly. Since UWA communications suffer from low data rates, we propose an adaptive OFDM communication system to support higher data rates over UWA channel. OFDM is an attractive technique for underwater channels due to the fact that inter-symbol-interference resulted from frequency selective channels can be removed completely. Additionally, adaptive communications achieve significant improvements in transmission data rate. For the sake of implementation, we take advantages of LabVIEW software to generate OFDM blocks. The generated data is transmitted to the receiver side with the aid of Software defined radios (USRPs) and acoustic front-ends. The received data at the acoustic hydrophones are transferred to the USRPs and then processed in LabVIEW for information detection. We conduct our experiments at the pool to investigate the performance of the proposed system over a real UWA channel.Bu çalışmada, adaptif kipleme ve verici gücü kullanan bir adaptif Sualtı Akustik (Underwater Acoustic - UWA) dik frekans bölmeli çoğullama (Orthogonal Frequency Division Multiplexing - OFDM) sistemi tasarladık ve gerçekledik. Son zamanlarda, petrol yatağı görüntüleme, oşinografik veri toplama, deniz arkeolojisi, ve afet önleme gibi uygulamalar için haberleşme imkanları keşvetmeye yönelik artan bir ilgi olduğundan, UWA haberleşmesi daha fazla cazibe toplamaktadır. Ancak, sualtı ortamlarının sert karakteristikleri, bu ortamda haberleşme yapmanın önüne çeşitli zorluklar çıkarmaktadır. Dolayısıyla, yüksek veri hızına sahip güvenilir bir UWA haberleşme sistemi ortaya çıkarmak, bu uygulamaların performansını önemli ölçüde arttırabilir. UWA haberleşmesi, düşük veri hızlarından müzdarip olduğundan, UWA kanalında yüksek hızları desteklemek için adaptif bir OFDM haberleşme sistemi öne sürüyoruz. OFDM, frekans seçici kanallardan kaynaklı simgelerarası girişiminden tamamen kurtulmayı sağlaması sebebiyle, sualtı kanalları için çekici bir tekniktir. Ek olarak, adaptif haberleşme, veri iletim hızında önemli iyileştirmeler sağlayabilmektedir. Gerçekleme adına, OFDM bloklarını üretmek için LabVIEW yazılımını kullandık. Üretilen veri, alıcı tarafına Yazılım Tabanlı Radyo (USRP) yardımıyla ve akustik ön uçlar ile iletildi. Akustik hidrofonlarda alınan veri, USRP'lere iletildi ve bilgiyi elde etmek üzere LabVIEW ile işlendi. Öne sürdüğümüz sistemin performansını gerçek bir UWA kanalında test etmek için deneylerimizi bir havuzda gerçekleştirdik

Ağ kodlamalı işbirlikli OFDMA sistemleri için çeşitleme-çoğullama ödünleşimi

Thesis (M.A.)--Özyeğin University, Graduate School of Sciences and Engineering, Department of Electrical and Electronics Engineering, August 2016.Cooperative communication (CC) exploits the broadcasting nature of wireless transmission and creates a distributed multiple-input multiple-output (MIMO) system among the wireless nodes which are physically separated from each other. Earlier works on cooperative communication typically build on time division multiple access (TDMA). However, it is well known that conventional CC systems experience throughput loss due to additional time slots required for relaying phase which particularly become prohibitive with the increasing number of relay nodes. Network coded cooperative (NCC) systems have been proposed as a powerful alternative with significantly higher throughput efficiency. In an NCC system, the relay nodes perform either XOR operation or form a linear combination of the messages received from distinct sources. Through proper combining, network coding improves the spectral efficiency over conventional unidirectional cooperative communication systems. In the first chapter of this thesis, we provide an overview of NCC systems and discuss their advantages over conventional CC systems in terms of diversity multiplexing tradeoff (DMT). All existing works on the DMT analysis of NCC systems assume perfect channel state information (CSI) at relay and destination nodes and focus on asymptotical analysis. It is known that asymptotical DMT analysis overestimates the performance since most communication systems operate in low and moderate signal-to-noise ratio (SNR) regime. To characterize DMT within more practical SNR regime, finite-SNR DMT is a more meaningful performance measure. In the second chapter, we investigate the outage probability and finite-SNR DMT performance for NCC wireless networks in the presence of imperfect CSI. We show that our results are generalized versions of those earlier presented in the literature and coincide with them in high SNR regime. Our analysis further reveals that the DMT is highly dependent of channel estimation quality particularly at finite-SNR values. In an effort to have further gains over the initial works, which build upon the assumption of TDMA, the combined use of orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) with NCC has been proposed in the literature. In the third chapter, we consider orthogonal frequency division multiple access (OFDMA), an extension of the OFDM to a multiuser system where subsets of carriers are assigned to different users. We derive a closed-form expression for the outage probability of the system over Rayleigh fading channels and present the DMT analysis. Our results demonstrate that NCC-OFDMA system is able to fully exploit both frequency and spatial diversity. In the third chapter, we investigate only asymptotic DMT analysis of NCC-OFDMA systems over Rayleigh fading channels. In the fourth chapter, we investigate both finite-SNR DMT and asymptotic DMT performance over Rician fading channels. Such an analysis helps us see the difference of performances over Rayleigh and Rician fading channels. Otherwise, DMT results for Rayleigh and Rician channels coincide each other for asypmtotical SNR values.İşbirlikli haberleşme (cooperative communication, CC) kablosuz iletim kanalının doğasında bulunan her yöne yayılım özelliğini kullanır ve fiziksel olarak birbirinden ayrılmış olan kablosuz düğümler arasında dağıtık yapıda bir çok-girişli çok-çıkışlı (multiple-input, multiple-output, MIMO) sistem oluşturur. İşbirlikli haberleşme konusundaki önceki çalışmalar genellikle zaman bölmeli çoklu erişim (time division multiple access, TDMA) tekniği kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Bununla birlikte, klasik CC sistemleri aktarma fazındaki iletim için ek zaman aralığı gerektirdiği için birim iletim zamanı başına iletilen veri miktarında kayıba neden olması ile tercih edilmezler. İşbirlikli ağ kodlama (network coded cooperation, NCC) sistemleri ise birim iletim zamanı başına iletilen veri miktarını önemli oranda artırdığı için CC sistemlerine güçlü bir alternatif olarak önerilmiştir. NCC sisteminde röle düğümleri, ayrı kaynak düğümlerinden aldığı mesajların XOR işlemininin sonucunu veya doğrusal kombinasyonlarını alıcı düğümlere iletir. Ağ kodlama, uygun birleştirme sayesinde spektral verimliliği geleneksel tek yönlü işbirlikli haberleşme sistemlerine göre artırır. Bu tezin ilk bölümünde NCC sistemleri ile ilgili genel bilgiler verilip bu sistemlerin çeşitleme ve çoğullama ödünleşimi (diversity and multiplexing tradeoff, DMT) açısından geleneksel CC sistemlerine göre avantajları ortaya konmuştur. NCC sistemlerinin DMT analizini inceleyen önceki çalışmalarda, kanal durum bilgisinin (channel state information, CSI) röle ve alıcı düğümleri tarafından hatasız olarak bilindiği varsayılmaktadır ve ayrıca sadece asimptotik analizler ele alınmıştır. Haberleşme sistemlerinin büyük bir çoğunluğu düşük ve orta seviyede sinyal-gürültü- oranı (signal-to- noise-ratio, SNR) değerlerinde çalışır. Sonlu-SNR için DMT analizi ise pratikte kullanılan SNR aralığındaki DMT analizini gerçekleştirebilmek için daha anlamlı bir başarım ölçütüdür. Literatürdeki bu boşluğu gidermek üzere tezin ikinci bölümde NCC sistemlerinin ideal olmayan CSI durumdaki sonlu-SNR DMT analizi gerçekleştirilmiştir. Bu bölümde elde edilen sonuçların literatürdeki çalışmaların genelleştirilmiş halleri olduğu ve yüksek SNR bölgesinde bu çalışmalarla örtüştüğü gösterilmiştir. Ayrıca DMT başarımının kanal kestirim kalitesine bağlı olduğu ortaya konmuştur. TDMA kullanan önceki çalışmalara göre ek kazanımlar elde etmek için dik frekans bölmeli çoğullama (orthogonal frequency division multiplexing, OFDM) tekniğinin NCC sistemlerinde kullanılması literatürde önerilmiştir. Üçüncü bölümde, OFDM'in çok kullanıcılı sistemlere genişletilmiş hali olan dik frekans bölmeli çoklu erişim (orthogonal frequency multiple access, OFDMA) sistemi ele alınmıştır. Sistemin Rayleigh sönümlemesi altındaki kesinti olasılığı ifadeleri kapalı formda elde edilmiştir. Elde edilen sonuçlar NCC-OFDMA sisteminin hem frekans hem de uzay çeşitlemesini tam olarak elde edebildiğini göstermiştir. Tezin üçüncü bölümünde ise NCC-OFDMA sistemine ait asimptotik DMT analizi Rayleigh sönümlemeli kanal için incelenmiştır. Dördüncü bölümde ise hem sonlu-SNR hem de asimptotik DMT başarımlarını Rician sönümlemeli kanallar için ele alınmıştır. Asimptotik SNR değerleri için elde edilen Rayleigh ve Rician kanallardaki DMT sonuçları birbiriyle örtüşmektedir. Sonlu SNR değerlerinde ise Rayleigh ve Rician sönümlemeli kanallar arasındaki başarım farkı bu analizler sayesinde ortaya konmuştur