Geri Dön

Predictive and adaptive channel estimation models for cooperative wireless communications

İşbirlikli kablosuz haberleşme için öngörüsel ve adaptif kanal kestirim modelleri

PDF İndir

  1. Tez No: 458880
  2. Yazar: OMAR GATERA
  3. Danışmanlar: PROF. DR. AHMET HAMDI KAYRAN
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2017
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Telekomünikasyon Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 142

Özet

Kablosuz haberleşme ağlarında çok yollu sönümleme, gölgeleme ve gürültü bilinen en yaygın kanaldan kaynaklı bozucu etkenlerdir. Bu yüzden son yıllarda birçok farklı yöntem ve teknikler, kablosuz kanalları iyileştirmek ve alıcıda iletilen işareti geri oluşturmak için araştırılmaktadır. Bunların arasında verici ve alıcı istasyonlarda çoklu anten kullanan ve etkin bir teknik olan çok giriş çok çıkışlı sistemler (MIMO), sönümleme etkisini doğrudan kaldıran, ağ kapasitesini arttıran ve daha güçlü bir sistem sağlayan çeşitleme ortamı yaratmak için önerilmiştir. Kablosuz haberleşme ağlarında MIMO sistemler kaydadeğer çeşitleme kazancı sağlamalarına rağmen çok anten kullanımı; araç-gereç boyutu, hesaplama karmaşıklığı ve güç tüketimi nedenleriyle kablosuz terminaller için uygun değildir. Bu yüzden, işbirlikli haberleşme, alıcı ve verici istasyonlarda tek anten kullanan alternatif bir teknik olarak doğdu. İşbirlikli haberleşme, sanal anten dizisini şekillendirmek için MIMO sistemlerdekine denk olan uzay çeşitleme kazancı sağlayan komşu düğümleri kullanır. İşbirlikli haberleşme, maliyet verimli, kullanışlı ve çok yollu sönümleme etkisini azaltan, kapsama alanını artıran, daha az yer kaplayan, düşük güç tüketen ve kanal band genişliğini koruyan gelecek nesil kablosuz ağların en iyi teknolojisidir. İşbirlikli haberleşme teknikleri, ağ türüne bağlı olarak değişen farklı yapılara sahiptir. İşbirlikli çalışma, kullanıcılar veya gezgin istasyonlar (MS) arasında, baz istasyonları (BS) veya çok hücreli işlemede ve BS ile MS arasında aktarma istasyonları (RS) yoluyla veya diğer MS için RS olarak uyarlanmış MS yoluyla gerçekleştirilebilir. RS kullanan birlikte çalışma, ağ kapsama alanının genişletilmesi, güvenilir haberleşme, hacim arttırılması, maliyet verimliliği ve kolay uygulanabilirliği gibi özellikleri dahil eden sayısız üstünlüklerinden dolayı literatürde oldukça fazla kullanılmıştır. Aktarma işbirlikleri işaret işleme için farklı protokolleri kullanır ve bunlar arasında en yaygın kullanılanları kuvvetlendir ve aktar (AF) ile çöz ve aktar (DF) protokolleridir. AF, iletilen işaretin gürültülü halini kuvvetlendirerek yeniden hedefe gönderen basit bir işbirlikli işaretleşme yöntemidir. Gürültünün de kuvvetlenmesine rağmen hedef, iletilen işarertin bağımsız sönümlenmiş hallerini alır ve veri sezimi için en iyi karar vermeyi gerçekleştirmeyi sağlar. AF, araştırmalarda oldukça dikkat çekmiştir ve işbirlikli haberleşmenin anlaşılmasında çok kullanışlı olmuştur. DF ise çözüp tekrardan kodlayarak alınan işareti yeniden ileten sayısal bir tekrarlayıcı devresidir. Gürültüye karşı yüksek başarım sağlamasına rağmen, uçtan uca gecikme kısıtları ve uygulanabilirlik gerçek dünya uygulamalarında bir sorun olarak yer tutmaktadır. Tezde çoklu aktarma birimleri ile oluşturulan işbirlikli haberleşme ağları, kanal bozuklukları problemini çözmek ve kablosuz ağlarda işaret kalitesini arttırmak için ele alınmıştır. Dahası, kablosuz haberleşme ağ yapısı sebebiyle alıcı her zaman, bilinmeyen iletilen işaret ve bilinmeyen kanal durum bilgisi (CSI) problemleriyle karşı karşıya kalır. Bu yüzden, işaret işleme yöntem ve teknikleri, alıcıda kaynak ile hedef arasındaki kanal kestirimini gerçekleştirmek ve iletilen işareti etkin bir şekilde geri oluşturmak için gereklidir. Bu bilgiler ışığında, Bayesian doğrusal model (BLM) sezicisi ve en küçük ortalama kareler (LMS) algoritması, çok yollu kablosuz ağlar için uygunluk ve verimlilik gibi üstün özellikleri sebebiyle önerilmiştir. BLM sezicisi, ilgilenilen işaretin varlığına veya yokluğuna karar verebilmek için test istatistiği hesaplayarak ve bunu önceden belirlenmiş eşik değeri ile kıyaslayarak çalışır. Test istatistiği seçilen eşik değerinden büyük olduğunda işaretin varlığına karar verilir. BLM sezicisinin temel üstünlüğü, çok yollu kanal modelleri için doğrusal hesaplama yapması ve düşük uygulama karmaşıklığına sahip olmasıdır. LMS algortiması dinamik veya dinamik olmayan çevrelerde genellikle bilinmeyen parametreleri yinelemeli olarak kestirmekte kullanılan doğrusal uyarlamalı bir süzgeçtir. LMS algoritması, düşük hesaplama karmaşıklığı, uygulanabilirliğı ve yüksek başarımı sayesinde uyarlamalı süzgeçler arasında oldukça ilgi çekmiştir. Bu tezde, özgün katkılar iki bölümde (Bölüm 2 ve Bölüm 3) yer almaktadır. Bölüm 2'de durağan çevrelerde çalışan çoklu aktarma birimlerini kullanan işbirlikli kablosuz ağlar ele alınmıştır ve iki ana varsayım yapılmıştır; ilkinde hedefte kanal durum bilgisinin olduğunu ve iletilen işaretin gürültü ile istenmeyen işaretlerle bozulduğunu varsaydık. Bu yüzden, iletilen işareti etkin şekilde geri oluşturabilmek ve kablosuz kanal bozucu etkenlerine direnen bir ağ yapısı sunmak amaçlarıyla çoklu aktarma içeren ağlarda alıcıda BLM sezicisini önerdik ve uyguladık. Bu bölümde; tek kaynak, çoklu AF aktarma birimleri ve tek hedef birimlerinin olduğu durum düşünülmüştür. Kaynak ve hedeften kaynaklanan aktarma biriminin konumunun etkisi değerlendirilmiştir. Alıcı çalışma karakteristikleri (ROC), bit hata olasılığı (BER) ve ortalama karesel hata (MSE) gibi farklı başarım ölçütleri ele alınmıştır. Sayısal sonuçlar, BLM sezicisinin sezim başarımının, mevcut enerji sezim yöntemlerinden daha iyi ve ağdaki aktarma birimi sayısıyla orantılı olduğunu ve kaynaktan uzakta konumlanan aktarma biriminin sistem başarımını hedefe yakın konumlandırılmış aktarma birimindeki duruma göre daha çok etkilendiğini göstermektedir. İkinci olarak, kanal durum bilgisinin hedefte bilinmediğini ve iletilen işaretin gürültü ile bozulduğunu ve alıcı tarafından bilinmediğini varsaydık. Aynı zamanda tek kaynaklı, çoklu aktarmalı ve tek hedefli yarı yönlü işaret iletimini ele aldık. Bu doğrultuda, alıcıda kanal kestirimi ve işaret kazanımı için güçlü LMS-BLM algoritmasını önerdik ve uyguladık. Algoritma, BLM sezicisinin işaretin varlığına karar verdiği zaman kanal katsayı ağırlıklarının güncellendiği şekilde çalışmaktadır aksi durumda kanal durum bilgisi değişmeden kalacaktır. Alıcı çalışma karakteristikleri (ROC), bütünleyici ROC, ortalama hata olasılığı ve ortalama karesel hata (MSE) öğrenme eğrileri ve en uygun eşik değeri gibi farklı başarım ölçütleri ele alınmıştır. Matematiksel ve sayısal analizler, önerilen algoritmanın alıcıda düşük MSE ve memnun edici bir sezim performansı sağlaması dolayısıyla verimlidir ve alıcı, algoritmanın kararlılığı ve en iyi yakınsama için türev adım boyutu tarafından kontrol edilmektedir. Kaynağa göre aktarma birimlerinin mesafesinin sistem başarımını arttırmak için azaltılması gerektiği gözlenmiştir. Bölüm 3'te durağan olmayan ortamlarda çalışan çoklu aktarma birimleri kullanan işbirlikli kablosuz ağları ele aldık. Bu bölümde ana konular, çok yollu zamanla değişen kanallardır. Zamanla değişen kanallar, kablosuz ağlarda sürdürülebilir sistem başarımının temin edilmesi için güçlü yöntem ve teknikler gerektirdiğinden oldukça zorlayıcıdır. Bu bölüm aynı zamanda iki bölüme ayrılmıştır. İlk bölümde, hedefte kanal durum bilgisinin olduğunu varsaydık ve BLM sezicisinin başarımını çoklu aktarma birimli zamanla değişen kanallarda araştırdık. Alıcı çalışma karakteristikleri (ROC), en küçük ortalama karesel hata (MSE) ve bit hata olasılığı (BER) gibi farklı başarım ölçütleri çeşitli düğüm hızları ve farklı aktarma birimi sayısına göre ele alınmıştır. Sonuçlar, BLM sezicisinin verimli ve onun başarımının hedef veya aktarıcının yüksek hızlarında kötüleştiğini göstermekte ve ağdaki aktarıcı sayısının arttırılmasıyla iyileştirilebileceğini göstermiştir. Ayrıca sistem başarımının, seri dizilimin artmasıyla düşeceği de gösterilmiştir. Bölüm 3'ün ikinci bölümünde hedef birimde CSI'nın bilinmediğini varsaydık ve LMS-BLM alıcısının çoklu aktarıcılı zamanla değişen kanallarda başarımını değerlendirdik. Benzetimlerde, alıcı çalışma karakteristikleri (ROC), ortalama karesel hata (MSE) öğrenme eğrileri ve bit hata olasılığı gibi farklı başarım ölçütleri ele alınmıştır. Sonuçlar, birleşik LMS-BLM alıcısının algoritmanın kararsızlığı ve düğümlerin yüksek hızından etkilenebilmesine rağmen üstün başarım sağladığını göstermektedir. Bu yüzden, alıcının kararlılığını ve yakınsaklığını kontrol edebilmek ve sürdürülebilir başarımı sağlamak için adım boyu parametresinin uygun seçilmesi önerilmektedir. Bulgular, aktarıcının yüksek hızlarda olmasının hedefin hızından yüksek olduğunda sistem başarımının daha çok etkilendiğini göstermiştir. Bu yüzden, aktarıcı hızları kablosuz ağ tasarımları yapılırken göz önüne alınmalıdır. Bu araştırmadan elde edilen bulgular, birleşik LMS-BLM alıcısının, hem durağan hem de durağan olmayan kablosuz ağlarda kanal kestirimi için yüksek sezim başarımı sağladığını ve etkin olduğunu kanıtlamıştır. Algoritmanın başarımı çoklu aktarıcı kullanan ağlarda özellikle iyileştirilebilir. Sayısal analizlerle gösterildiği gibi önerilen yöntem, 2GHz menzilinde taşıyıcı frekanslarıyla ve düşük simge periyotlarıyla işaret iletiminde şimdiki ve gelecek kablosuz ağlarda uygulanabilir.

Özet (Çeviri)

Multipath fading, path loss, shadowing and noise are the most commonly known channel impairments in wireless communication networks. Therefore, over the last decades, different methods and techniques have been investigated in order to improve the wireless channels and to recover the original transmitted signal at the receiver. Among them, multiple input multiple output (MIMO) systems have been proposed as an efficient technique that use multiple antennas at the transmitting and receiving stations to create diversity environment that can directly mitigate the effects of fading, increases the network's capacity and provides a more robust system. Although, MIMO systems can provide significant diversity gain in wireless communication networks, the use of multiple antennas is not quite appropriate for wireless terminals due to the size of equipments, computational capacity and power consumption. Therefore, cooperative communications emerged as an alternative technique that can use single antenna at the transmitting and receiving stations. Cooperative communications use neighboring nodes to form virtual antenna array which provides space diversity gain equivalent to MIMO systems. Cooperative communications are cost effective, useful and the best technology of future generation wireless networks in terms of reducing the effect of multipath fading, extension of coverage, less infrastructure, low power consumption, and preserving the channel bandwidth. Cooperative communication techniques have different schemes depending on the type of network. The cooperation can be achieved between users or mobile stations (MSs), base stations (BSs) or multicell processing (MCP) and between BSs and MSs through dedicated relay stations (RSs) or MSs adopted as RSs for other MSs. Cooperation with relay stations have highly been applied in literature due to their numerous advantages including extension of network coverage, reliable transmission, throughput enhancement, cost effective and easy implementation. Relaying cooperations use different protocols for signal processing and the most common protocols are amplify and forward (AF) and decode and forward (DF). AF is a simple cooperative signaling method that is used to amplify and to retransmit the noisy version of the original signal to the destination. Although noise is amplified, the destination receives independent faded versions of the signal that can help to make best decisions on the data detection. AF has gained too much attention in research and has been very useful in understanding the concept of cooperative communications. DF scheme is considered as digital repeater which decodes and re-encodes the received signals prior to retransmission. Although, it can provide higher performance with respect to noise, however, end to end delay constraints and feasibility have been a question in real world applications. In this thesis, cooperative communication network with multiple relays is considered in order to handle the problem of channel impairments and to improve the signal quality received in wireless networks. Furthermore, due to the nature of wireless communication networks, the receiver is always challenged by unknown channel state information (CSI) and unknown transmitted signal. Therefore, signal processing methods and techniques are indispensable at the receiver in order to estimate the channel between the source and the destination, and to recover efficiently the original transmitted signal. In this way, Bayesian linear model (BLM) detector and least mean square (LMS) algorithm are proposed for their unique advantages of being efficient and appropriate for multipath wireless networks. BLM detector is based on computing the test statistic and comparing it with the predetermined threshold in order to decide on the presence or absence of the signal of interest. The presence of the signal is decided when the test statistic is greater than the threshold. The main advantages of the BLM detector is its linear computation, low implementation complexity and it is appropriate for multipath channel models. The LMS algorithm is a linear adaptive filter that is usually used to iteratively estimate the unknown parameters in dynamic or non dynamic environment. The LMS algorithm has attracted too much attention among adaptive filters due to its low computation complexity, feasibility and best performance results. In this thesis, the original contributions are divided in two chapters (i.e., Chapter 2 and Chapter 3). In chapter 2, a cooperative wireless network with multiple relays operating in stationary environment is considered and two main assumptions are put forth; the first assumption states that the channel state information (CSI) is available at the destination and the original transmitted signal is corrupted by noise and other unwanted signals. Therefore, the BLM detector is proposed, derived and implemented in multiple relays network for the purpose of recovering efficiently the transmitted signal. Hence, presenting a wireless network structure that can resist against wireless channel impairments. In this part; single source, multiple AF relays, and single destination are considered. The effects of relays positions from the source and destination are evaluated. Different performance metrics are assessed such as the receiver operating characteristics (ROCs), bit error probability and minimum mean square error (MSE). Extensive numerical results show that the detection performance of the BLM detector is superior compared to existing energy detection methods and is proportional with the number of relays in the network, and the relay positioned far from the source affects the system performance more than the relay located closer to the destination. The second assumption states that the channel state information (CSI) is not available at the destination, and the transmitted signal is corrupted by noise and could not be known by the receiver. Therefore, a novel LMS-BLM algorithm is proposed, derived and implemented in cooperative wireless network for the purpose of channel estimation and signal recovery at the destination. The algorithm is functionning in such a way that the channel tap weights are only updated when the BLM detector decides the presence of the signal otherwise the CSI remains unchanged. The wireless network considered in this part is comprised of single source, multiple AF relays and single destination, and the mode of transmission is half duplex signal transmission. Different performance metrics are assessed such as receiver operating characteristics (ROCs), complementary ROCs, average probability of error and mean square error (MSE) learning curve. Mathematical and numerical analysis show that the proposed algorithm is effective in providing satisfied detection performance and low mean square error (MSE) at the receiver, and the receiver is highly controled by the gradient step size for the best convergence and stability of the algorithm. It is also observed that the position of the relays from the source should be reduced in order to improve the system performance. In chapter 3, a cooperative wireless network with multiple relays operating in non stationary environment is considered. In this chapter, the main issue is multipath time varying channels. Time varying channels are severe and challenging in wireless networks which requires robust methods and techniques in order to ensure sustainable system performance. This chapter is also divided in two parts: The first part assumes that the channel state information (CSI) is available at the destination and the performance of the BLM detector in multiple relays with time varying channels is investigated. Different performance metrics are evaluated such as receiver operating characteristics (ROCs), minimum mean square error (MSE) and bit error probability (BEP) in various nodes speeds and different number of relays. The results show that the BLM detector is effective and its performance decreases at high speed of relays or destination which can be improved by increasing the number of relays in the network. The results also show that the system performance decreases when the cascading order increases. In the second part of chapter 3, it is also considered that the CSI is not available at the destination and the evaluation of performance of the LMS-BLM receiver in multiple relays with time varying channels is carried out. During simulations, different performance metrics are evaluated such as the ROCs, MSE learning curve and bit error probability.The results show that the joint LMS-BLM receiver provides superior performance and this can be affected by the high speed of nodes and instability of the algorithm. Therefore, it is recommended to choose the appropriate step size value in order to control the convergence and stability of the receiver, and to ensure that the number of relays is sufficient so that the performance is sustainable. The findings also show that the high speed of relays affects the system performance more than the speed of the destination. Therefore, the speed of relays should be put into account when designing the wireless networks. The findings of this reseach work have proven that the joint LMS-BLM receiver can provide higher detection performance and it is effective for signal recovery in wireless networks for both stationary and non stationary environments. Its performance can be particularly improved in networks with multiple relays. Numerical analysis also confirmed that the proposed algorithm can be applied in the current and future wireless networks with carrier frequencies in the range of 2GHZ and low symbol periods of signal transmissions.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    39618

    İki boyutlu kafes parametrelerinin sınırlı veri alanlarından hesaplanması

    The Calculation of the 2-D lattice parameters from short data records

    NURŞEN YILDIZ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1994

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    PROF.DR. AHMET HAMDİ KAYRAN

  2. Tez No

    295973

    OFDM için öngörülü kanal kestirimi

    Predictive channel estimation for OFDM

    ZEYNEP YILDIRIR

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2011

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiHacettepe Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. CENK TOKER

  3. Tez No

    896632

    Mixed integer quadratic programming autopilot design based on model predictive control for air defence missile

    Model öngörülü kontrole dayalı hava savunma füzesi için karışık tamsayılı karesel programlamalı otopilot tasarımı

    MEHMET ALUÇ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Makine MühendisliğiHacettepe Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. SELAHATTİN ÇAĞLAR BAŞLAMIŞLI

  4. Tez No

    781609

    Dynamic fusion networks for predicting saliency in videos

    Videolarda belirginlik tahmini için dinamik tümleştirme ağları

    AYSUN KOÇAK ÖZCAN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolHacettepe Üniversitesi

    Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MEHMET ERKUT ERDEM

    DOÇ. DR. İBRAHİM AYKUT ERDEM

  5. Tez No

    46986

    Özyineli en küçük kare kafes algoritması kullanarak kanal dengeleme

    Başlık çevirisi yok

    RECEP TÜRK

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1995

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiYıldız Teknik Üniversitesi

    Y.DOÇ.DR. SONER ÖZGÜNEL

Geri Dön