Maximal ratio transmission based multiple antenna relaying systems with interference

Abstract

The use of multi-antennas techniques has been well-known for increasing wireless communication reliability by providing more diversity gains. However, due to increased computational complexity at the receiver, only a few of many multiinput multi-output (MIMO) techniques are practically preferable. Maximal ratio transmission (MRT) approach is one of those simple and thus feasible MIMO techniques (e.g., Alamouti scheme). MRT can achieve full spatial diversity without increasing receiver complexity. Thus, it is highly suitable for transmissions from base stations to the size, delay, and power-constrained mobile units and relays in cooperative communication such as a two-way relaying network (TWRN) and one-way relaying network (OWRN). On the other hand, Co-channel interference (CCI) is one of the significant factors that degrade a wireless communication network's performance. For instance, In the nextgeneration cellular networks, CCI will increase further since the number of users in the same cluster increases, and there will be many sensors, IoT, and WiFi devices. Moreover, the size of the cells will decrease to increase energy efficiency and reduce latency. Thus, there will be more cells using the same frequency due to frequency reuse of limited bandwidth. Besides, the deployment of cognitive and non-orthogonal multiple access methods will make the CCI level climb further. Therefore, it is highly essential to investigate and reduce the impact of CCI on the performance of popular relaying schemes. Motivated by that, in the third chapter of the thesis, we analyzed the reliability of amplify-and-forward (AF) TWRNs system under Raleigh fading and co-channel interference impairment by using the MRT technique. Moreover, in the fourth chapter and under Nakagami-m fading channel, the employing of MRT is investigated on decode-and-forward (DF) dual-hop relaying networks working in an interference environment. Besides, chapter five of the thesis explored the performance enhancement by applying MRT on the proposed multi-antenna multi-hop relaying network in interference-limited environment undergoing the critical Weibull fading channel. In all proposed systems, many analytical results are derived and validated by Monte-Carlo simulation via extensively numerical examples. The investigations infer that MRT can be a good option for next-generation wireless communication networks to suppress the performance losses and limitations of CCI in a low complexity way

Çoklu anten tekniklerinin kullanımının daha fazla çeşitlilik kazanımı sağlayarak kablosuz iletişim güvenilirliğini arttırdığı iyi bilinmektedir. Bununla birlikte, alıcıdaki artan hesaplama karmaşıklığı nedeniyle, çoklu-giriş çoklu-çıkış (MIMO) tekniklerinin sadece birkaçı pratik olarak tercih edilmektedir. Örneğin, maksimum oran iletim(MRT) yaklaşımı, basit ve pratikte uygulanabilir MIMO tekniklerinden biridir. MRT, alıcı karmaşıklığını arttırmadan tam uzaysal çeşitlilik elde edebilir. Bu nedenle, baz istasyonlarından boyut, gecikme ve güç kısıtlamalı mobil üniteler ve rölelerle iletişimdeki iki yönlü röle ağı (TWRN) ve tek yönlü röle ağı (OWRN) gibi işbirlikli iletimde son derece uygundur. Diğer yandan, ortak-kanal girişimi (CCI), bir kablosuz iletişim ağının performansını düşüren önemli faktörlerden biridir. Örneğin, yeni nesil hücresel şebekelerde, aynı kümedeki kullanıcı sayısı, sensör, IoT ve WiFi cihazları artacağı için CCI daha da artacaktır. Dahası, enerji verimliliğini artırmak ve gecikmeyi azaltmak için hücrelerin boyutu küçülecektir. Böylece, sınırlı bant genişliğinin tekrar kullanımı nedeniyle aynı frekansı kullanan daha fazla hücre olacaktır. Ayrıca, bilişsel-radyo ve dikey olmayan çoklu erişim yöntemlerinin uygulanması ile CCI seviyesi daha da yükselecektir. Bu nedenle, popüler röleleme yapılarının performansı üzerindeki CCI etkisini araştırmak ve azaltmak son derece önemlidir. Bu motivasyonla bu tezde, MRT tekniğini kullanarak Raleigh sönümlemesi ve ortak kanal girişim bozukluğu altında güçlendir ve ilet (AF) TWRN sistemlerinin güvenilirliği analize dilmektedir. Ayrıca, Nakagami-m sönümleme kanalındaki MRT kullanımının bir girişim ortamında çalışan çöz ve ilet (DF) çift sekmeli aktarma ağları üzerindeki etkisi araştırılmaktadır. Ek olarak, Weibull sönümleme kanalındaki girişim sınırlı çok antenli, çok sekmeli aktarma ağına da MRT uygulandığındaki performans artışı sunulmaktadır. Önerilen tüm sistemlerde, çok sayıda analitik sonuç, kapsamlı sayısal örnekler için türetilip Monte-Carlo simülasyonu ile doğrulanmaktadır. Araştırmalar, MRT’nin yeni nesil kablosuz iletişim ağlarındaki CCI nedeniyle oluşan performans kayıplarını ve sınırlamalarını düşük karmaşıklıkla bastırması için iyi bir seçenek olabileceğini göstermektedir.