Uzaysal modülasyon sistemleri için fiziksel katman tasarımı
Physical layer desing for spatial modulation systems
- Tez No: 394559
- Danışmanlar: DOÇ. DR. HAKAN DOĞAN
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2015
- Dil: Türkçe
- Üniversite: İstanbul Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 104
Özet
Çok-girişli çok-çıkışlı (MIMO: Multiple-Input Multiple-Output) sistemler tek verici ve tek alıcı antenli sistemlere göre kanal sığası ve hata başarımında önemli avantajlar sunarak yeni nesil haberleşme sistemlerinin standartlarına girmiştir. Ancak MIMO sistemlerde antenler arası ilinti (IAC: Inter-Antenna Correlation), kanallar arası girişim (ICI: Inter-Channel Interference) ve antenler arası senkronizasyon (IAS: Inter-Antenna Synchronization) gibi başarımı sınırlayan önemli problemler mevcuttur. Son dönemde MIMO sistemlerde karşılaşılan bu problemleri çözmek için geleneksel sembol işaret kümelerine ek olarak anten indisleriyle de bilgi iletmek temeline dayanan uzaysal modülasyon (SM: Spatial Modulation) yapısı önerilmiştir. SM'nin MIMO sistemlere olan avantajları literatürde ön plana konulmuştur. Oldukça yeni olan ve üzerinde henüz fazla çalışma yapılmamış olan bu konu yeni nesil haberleşme sistemlerinde karşılaşılan problemlerin çözümü için oldukça önemlidir. SM sisteminde iletilecek semboller, rastgele seçilen verici antenler üzerinden MIMO kablosuz kanalla alıcıya iletilmektedir. İletilen bilgi hem M'li faz kaydırmalı anahtarlama (M-PSK: M-Phase Shift Keying) ya da M'li dik genlik modülasyonu (M- QAM: M-Quadrature Amplitude Modulation) gibi sinyal işaret kümeleri hem de seçilen anten indisleri üzerinden taşınmaktadır. İletilen sembol ve rastgele seçilen anten indisinin alıcıda eşzamanlı sezimi (coherent detection) için kanal kestirimi çok büyük bir öneme sahiptir. Son zamanlarda SM sistemi için kanal kestirimi, yenilemeli en küçük kareler (RLS: Recursive Least Square) algoritması ile sadece durağan (quasi- static) sönümlemeli kanallarda incelenmiştir. Bu tezde ise SM sistemleri için zamanla hızlı değişen kanallarda, yinelemeli ve data sezim tabanlı bir kanal kestirim tekniği önerilmiştir. Bir karşılaştırma ölçütü olarak Bayesian ortalama karesel hata (MSE: Mean Square Error) sınırı çıkartılmış ve önerilen yaklaşımın başarımı MSE ve bit hata oranı (BER: Bit Error Rate) elde edilmiştir. Önerilen yinelemeli kanal kestirim (Iterative Channel Estimation) tekniğinin daha önce önerilmiş kanal kestirim algoritması ile karşılaştırıldığında önemli ölçüde BER/MSE başarım avantajları sağladığı bilgisayar benzetim sonuçları ile desteklenmiştir. Ayrıca son zamanlarda, uzay-zaman blok kodları (STBC: Space-Time Block Code) ve SM yapılarının birleşimi olan STBC-SM yapısı MIMO sistemler için önerilmiştir. STBC-SM yapısı hem STBC sembolleri hem de bu sembollerin gönderildiği verici antenlerin indisini kullanarak bilgi iletimini gerçekleştirmektedir. STBC-SM alıcısında kusursuz kanal durum bilgisinin (P-CSI: Perfect-Channel State Information) olduğu varsayılarak hem uzaysal çeşitleme (spatial diversity) hemde uzaysal çoğullama (spatial multiplexing) kazançları aynı anda elde edilmiştir. Pratik senaryolarda, STBC-SM alıcıları, iletilen bilgileri sezebilmek için kanalın kestirimine ihtiyaç duyarlar. Bu yüzden STBC-SM sistemlerinin güvenilir kablosuz haberleşmesi için kanal kestirimi büyük bir engeldir. Bu tez çalışmasında, STBC-SM'de kanal kestirimi için gerekli sinyal modeli oluşturularak yeni bir çerçeve yapısı önerildi. Daha sonra, STBC-SM için kanal kestirim problemi pilot yardımlı kanal kestirim (PA-CE: Pilot Aided-Channel Estimation) teknikleri yardımıyla araştırıldı. Pilot sembollerinin bulunduğu sürelerdeki kanal katsayıları en küçük kareler (LS: Least Squares) yöntemi ile elde edildi ve ardından ara değerleme yöntemleri kullanıldı. Pilot sembollerindeki kanal kestirimi STBC-SM kod çözücü kullanılarak elde edildi ve kanal ara değerleme için doğrusal (linear) ara değerleme, en yakın komşu (nearest-neigbour) ara değerleme, parçalı kübik (piecewise cubic) Hermite ara değerleme ve alçak geçiren (low pass) ara değerleme yöntemleri kullanıldı. Önerilen kanal kestirim tekniklerinin başarımı, hızlı zamanla değişen kanallar varlığında gerçekleştirildi ve dik faz kaydırmalı anahtarlama (QPSK: Quadrature-PSK), 16-QAM ve 64-QAM gibi farklı modülasyon teknikleri kullanılıp BER başarımları bakımından karşılaştırıldı. PA-CE yönteminde alçak geçiren ara değerleme tekniğinin kullanılması ile diğer yöntemlere göre oldukça iyi BER/MSE başarımı sağladığı gösterildi. Ayrıca, STBC-SM yapısının çiftsel hata olasılığı (PEP: Pairwaise Error Probability) çıkartılarak kanal kestirim hataları varlığında ortalama bit hata olasılığı (ABEP: Average Error Probability) analitik olarak hesaplandı. Daha sonra bilgisayar benzetimleri ile elde edilen PA-CE tekniklerinin başarımı kuramsal sonuçlarla karşılaştırıldı.
Özet (Çeviri)
Multiple-output multiple-input (MIMO) systems which provide a significant capacity gain and error performance over conventional single antenna systems have been considered as standard techniques for new generation communication systems. However, some practical problems such as inter-antenna correlation (IAC), inter- channel interference (ICI) and inter-antenna synchronization (IAS) restrict the performance of MIMO systems. Spatial Modulation (SM) based on the use of antenna indices to transmit information in addition to the conventional signal constellations has been recently proposed to solve practical problems. Advantages of SM systems over traditional MIMO are investigated in the literature. This new research area has opportunities for addressing problems in new generation communication systems. In SM system, the data symbols are transmitted by a randomly selected active antenna of a MIMO transmitter to the receiver through a wireless channel. The information is carried both by the data symbol from any signal constellation such as M-ary phase shift keying (M-PSK) or M-ary quadrature amplitude modulation (M-QAM), as well as by the index of the selected antenna. The channel estimation is a critical process at the receiver during the coherent detection of the transmitted symbol and the antenna index, randomly selected. Recently, the channel estimation of channel for SM systems has been investigated by the recursive least square (RLS) algorithm for only quasi-static fading channels. In this thesis, a novel channel estimation is proposed for SM systems in the presence of rapidly time-varying channels. The Bayesian mean square error (MSE) bound has been derived as a benchmark and the performance of the proposed approaches are studied in terms of MSE and bit error rate (BER). Computer simulation results have confirmed that the proposed iterative channel estimation technique has significant BER/MSE performance advantages compared with existing channel estimation algorithm proposed earlier in the literature. Moreover, the combination of space-time block coding (STBC) and SM (STBC-SM) is recently proposed for MIMO systems to obtain both spatial diversity gain and spatial multiplexing gain simultaneously while assuming perfect channel state information (P- CSI) is available at the receiver. In the STBC-SM systems, the information is carried both by STBC symbols and indices of the transmit antennas from which these symbols are transmitted. In practical scenarios, STBC-SM receivers require the estimation of CSI to be able to detect the transmitted information. Therefore, channel estimation is a major challenge for reliable wireless transmissions of the STBC-SM systems. In this thesis, we address and investigate the problem of channel estimation for STBC-SM systems by means of the pilot-aided channel estimation (PA-CE) techniques. The estimation of channel at pilot durations is done by least squares (LS) method and then the channel interpolation is performed. Estimation of the channel at the pilot symbols is based on the STBC-SM decoder while the channel interpolation is done using either linear interpolation, nearest neighbor interpolation, piecewise cubic Hermite interpolation or low-pass interpolation. The performance of all channel estimation techniques operating in the presence of rapidly time varying channels, are compared with each other in terms of BER with different modulation types such as QPSK, 16- QAM and 64-QAM. It has been shown that the PA-CE with low-pass interpolation techique performs the best among all the channel estimation technique because it allows tracking the fast fading channel very efficiently as the MSE between the interpolated points and their original values is minimized. Moreover, the pairwise error probability (BEP) of the STBC-SM scheme is derived and its average bit error probability (ABEP) is evaluated analytically in the presence of channel estimation errors and then the performance of PA-CE techniques obtained by computer simulations are compared by the theoretical results.
Benzer Tezler
- Kablosuz optik haberleşme için fiziksel katman tasarımı
Physical layer design for wireless optical communication
FERHAT FETTAHOĞLU
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. BAHATTİN KARAKAYA
- Channel estimation for spatial media-based modulation
Uzaysal ortam-tabanlı modülasyon için kanal kestirimi
AKİF KABACI
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HAKAN ALİ ÇIRPAN
- Deep learning aided data detectionfor future wireless communication systems
Gelecek nesil telsiz haberleşme sistemleri içinderin öğrenme yardımıyla data tespiti
MERVE TURHAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HAKAN ALİ ÇIRPAN
- Design and performance analysis of relay-based cooperative overlay cognitive radio networks
Röle tabanlı işbirlikli üstüne serme bilişsel radyo ağlarının tasarımı ve başarım analizi
SAID ABDELMONEIM ABDELWAHAB EMAM
Doktora
İngilizce
2018
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Prof. Dr. MEHMET ERTUĞRUL ÇELEBİ
- Next-generation MIMO systems: From index modulation to deep learning
Yeni nesil çok-girişli çok-çıkışlı sistemler: İndis modülasyonundan derin öğrenmeye
BURAK ÖZPOYRAZ
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKoç ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ERTUĞRUL BAŞAR