SUPERVISOR
Ali-Mohamad Doost-Hoseini,Mohmmad javad Omidi
علی محمد دوست حسینی (استاد مشاور) محمدجواد امیدی (استاد راهنما)
STUDENT
Ali Fazeli
علی فاضلی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1388
TITLE
Superposition network coding in wireless cooperative communication
Communication over a wireless channel is subject to large and small scale propagation effects including path loss, shadow fading, and small scale multipath fading. These effects are the most important sources of performance degradation in communication systems. Various diversity techniques such as time, frequency, and spatial diversity are proposed to mitigate the adverse effects of fading. Among all diversity techniques more attention has been given to spatial diversity. Cooperative diversity is an innovative approach to improve reliability of communication by exploiting spatial diversity. However, this technology is challenging in practice. In some multi relay cooperative diversity protocols that are based on simultaneous transmission, time and frequency synchronization of relay nodes are very important. However, realization of such requirement is difficult. The imperfect synchronization in destination is the main reason of performance degradation for simultaneous transmission based protocols such as distributed space-time coding (DSTC). Although separation in transmission time of terminals in traditional time division multiple access (TDMA) method can solve the synchronization problems, but it leads to lower spectral efficiency. In addition to these problems, asymmetric nature of wireless networks is another issue that must be considered in cooperative diversity protocols. In practical wireless networks different source nodes are distributed at different positions. Therefore, various terminals experience different channel conditions and thus some nodes are disadvantageous in their transmission in comparison with others. Communication in asymmetric networks applying non-cooperative protocols results in high aggregate transmit power and uneven power distribution among various terminals. These issues cause performance degradation of communication. Cooperative communication is an approach to improve the performance of communication in asymmetric wireless networks. In this thesis after reviewing some of the most important cooperative diversity schemes, a cooperative strategy is proposed for asymmetric wireless networks that improves overall wireless communication performance (in terms of reducing total power consumption, improving error performance and increasing the network lifetime) in comparison with non-cooperative protocols on one hand, and solves some problems of current cooperative diversity schemes such as synchronization and low spectral efficiency on the other hand. In our proposed scheme, we use a combination of superposition coding and network coding to achieve incremental diversity in asymmetric wireless communication networks, hence the name superposition network coding. This technique solves the synchronization problems by single transmission of terminals in TDMA scheme. Also, applying superposition coding improves spectral efficiency in comparison with traditional TDMA cooperative communication strategies. In this thesis, it is tried to implement the receiver structure as simple as possible. In addition, the error performance of superposition network coding is analyzed by appropriate approximations and the analytical results are compared with simulation results. Excellent agreement between the derived analytical results and simulation results demonstrates the accuracy of the proposed scheme in improving system performance. Keywords: Cooperative diversity, relay terminal, Symbol Error Rate Selection Combining (SER-SC), Interference Ignorant Detector (IID), Network coding, Superposition coding
مخابره بر یک کانال بیسیم در معرض اثرات انتشار در مقیاس کوچک و بزرگ، شامل تلفات مسیر، محوشدگی سایه و محوشدگی چند مسیری در مقیاس کوچک قرار میگیرد. این اثرات مهمترین علل تنزل عملکرد سیستمهای مخابرات بیسیم میباشند. به منظور مقابله با اثرات مخرب محوشدگی، تکنیکهای مختلف دایورسیتی، شامل دایورسیتی زمانی، فرکانسی و فضایی پیشنهاد شدهاند. از بین شیوههای دایورسیتی، دایورسیتی همکارانه بطور ویژه مورد توجه قرار گرفته است. دایورسیتی همکارانه روشی جدید بهمنظور افزایش قابلیت اطمینان مخابره از طریق استخراج دایورسیتی فضایی میباشد. با این وجود، این فناوری در عمل با چالشهایی روبرو است. در پارهای از پروتکلهای دایورسیتی همکارانه که اساس آنها بر انتشار همزمان ترمینالهای رله میباشد، سنکرونسازی زمانی و فرکانسی ترمینالها بسیار مهم است. لکن به دلیل طبیعت توزیع شدهی ترمینالهای رله، دستیابی به این مهم در عمل دشوار است. مشکلات سنکرونسازی در مقصد، دلیل اصلی تنزل عملکرد برای پروتکلهای بر اساس ارسال همزمان مانند کدگذاری فضا-زمان توزیع شده میباشد. گرچه جداسازی زمان ارسال ترمینالهای مختلف شبکه به شیوهی قدیمی TDMA میتواند مسائل مرتبط با سنکرونسازی ترمینالهای توزیع شده را حل کند اما پروتکلهای همکاری مبتنی بر TDMA عموما بهدلیل تاخیر شدید زمانی، از مشکل کارآیی پایین طیف رنج میبرند. علاوه بر این مشکلات، طبیعت نامتقارن شبکههای بیسیم مسئلهی دیگری است که لازم است در پروتکلهای دایورسیتی همکارانه مورد توجه قرار گیرد. در شبکههای بیسیم واقعی، گرههای مختلف منبع در موقعیتهای متفاوتی توزیع شدهاند. بنابراین ترمینالهای مختلف در شبکه شرایط کانال متفاوتی را تجربه کرده و لذا بعضی از گرهها در مقایسه با گرههای دیگر ناکارآمد میباشند. مخابره در شبکههای نامتقارن با استفاده از پروتکلهای غیرهمکارانه منجر به افزایش مجموع توان ارسالی شبکه و توزیع غیریکنواخت توان در شبکه میشود. این مسائل تنزل عملکرد مخابره را به همراه دارند. مخابرات همکارانه میتواند به عنوان شیوهای برای بهبود عملکرد مخابره در شبکههای نامتقارن مخابرات بیسیم معرفی شود. در این تحقیق پس از مرور مهمترین شماهای دایورسیتی همکارانه، یک راهبرد همکاری در شبکههای نامتقارن مخابرات بیسیم پیشنهاد شده است که از یک طرف منجر به بهبود عملکرد کلی مخابرهی بیسیم ( در قالب کاهش مجموع توان مصرفی شبکه، بهبود عملکرد خطا و افزایش طول عمر شبکه) در مقایسه با شماهای غیر همکارانه میشود و از طرف دیگر برخی از مشکلات پیادهسازی پروتکلهای شناخته شدهی مخابرات همکارانه از جمله سنکرونسازی و کارآیی پایین طیف را ندارد. در شمای پیشنهادی، از ترکیبی از کدگذاری انطباقی و کدگذاری شبکه بهمنظور دستیابی به دایورسیتی افزایشی در شبکههای نامتقارن مخابرات بیسیم استفاده میشود. به همین دلیل آنرا کدگذاری انطباقی شبکه مینامیم. این شیوه از طریق ارسال بهصورت TDMA، مشکل سنکرونسازی ترمینالها را حل میکند. همچنین بهرهگیری از کدگذاری انطباقی منجر به بهبود کارآیی طیف نسبت به شماهای قدیمی دایورسیتی همکارانه بر اساس TDMA میشود. در این تحقیق سعی شده است که ساختار گیرنده برای شیوهی همکاری پیشنهادی تا جای ممکن ساده باشد. علاوه بر این با تقریبهایی مناسب، عملکرد خطای کدگذاری انطباقی شبکه تحلیل و با نتایج شبیهسازی مقایسه شده است. انطباق نتایج شبیه سازی با نتایج بدست آمده در تحلیلها، دقت روش پیشنهادی در بهبود عملکرد سیستم را به خوبی نشان میدهد. کلماتکلیدی: دایورسیتی همکارانه، ترمینال رله، ترکیب گزینشی بر اساس نرخ خطای سمبل (SER-SC)، آشکارساز ناآگاه از تداخل(IID)، کدگذاری شبکه، کدگذاری انطباقی.