Geri Dön

Rapidly varying sparse channel tracking for OFDM systems

OFDM sistemleri için çok hızlı değişen seyrek kanal takibi

PDF İndir

  1. Tez No: 465455
  2. Yazar: AYŞE BETÜL BÜYÜKŞAR
  3. Danışmanlar: PROF. DR. HAKAN ALİ ÇIRPAN
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  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: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 87

Özet

Son yıllarda hızla gelişen kablosuz haberleşme teknolojileri bir çok gereksinime çözüm sunmaktadır. Bu sebeple kablosuz haberleşme teknolojilerine yüksek bir ilgi gösterilmekte ve bu alan hızla gelişmektedir. Bu alandaki gelişmelerin en büyük kısıtlarından biri de haberleşme başarımını olumsuz etkileyen kanalın bozucu etkileridir. kablosuz haberleşme kanalı alıcı sistemi ile verici sistemi arasındaki çevresel etkenler sonucu gönderilen sinyalde oluşan bozulmaları ifade etmektedir. Literatürdeki bir çok çalışmada kanal kestirimi yapılarak, kanal dengelenmeye ve gönderilen semboller daha yüksek başarımla sezilmeye çalışılmıştır. Gönderilen sinyal sönümleme ve girişime maruz kaldığından dolayı kanal dengelenmediğinde haberleşme sisteminin başarımı oldukça düşmektedir. Kablosuz haberleşme kanalı bir çok farklı şekilde modellenebilmektedir. Literatürde yapılan bazı çalışmalar gerçeklenen sistemlerin ölçüm sonuçlarından yararlanarak kablosuz haberleşme kanallarına ait istatistiksel modeller önermektedir. Nakagami, şehir içi ve hareketli sistemler için önerilen istatistiksel yöntemler benzetim yapabilmek için kullanılmaktadır. Genel olarak kanal kestirimi parametrik ve kör kanal kestirimi olarak modellenebilmektedir. Parametrik kanal kestiriminde incelenen sistem için uygun olan varsayımlar yapılmakta ve kanalı en iyi ifade edecek matematiksel model üzerinden kestirim yöntemi önerilmektedir. Parametrik kanal kestirimi yönteminin başarımı iyi olmakla birlikte gerçek zamanlı sistemlerde teorik olarak kabul edilen varsayımlar sağlanmadığında sistem güvenilirliği düşmektedir. Kör kanal kestirimi ise kanal hakkında varsayımlar yapmadan alınan sinyalden yararlanılarak kanal kestirilmeye çalışılır. Gerçek zamanlı sistemlerde bir çok durumda kanalla ilgili fazla bilgi edinilemediği durumlarda kör kanal kestirimi yöntemleri kullanılabilir. Kablosuz haberleşme sistemlerinin başarımını kısıtlayan diğer bir etken de bant genişliğidir. Kullanılabilir spektrum sınırlıdır. Bu sebeple band genişliğini daha verimli kullanan modülasyon tekniklerine gereksinim duyulmaktadır. Dik bölmeli frekans çoğullama (OFDM) tekniği bir çok haberleşme standardı tarafından spektrumu verimli kullandığı için kabul edilmiştir. OFDM tekniği kullanılabilir band genişliğini alt kanallara bölerek yüksek hızlı veri iletiminin paralel olarak düşük hızlı alt taşıyıcılarda iletilmesini sağlar. Kanalın yavaş değiştiği ve frekans seçici olduğu durumlarda kullanılan band genişliği için frekans seçici olan kanal her bir alt kanal için düz sönümlemeli olmakta ve kanal kestirimi ve dengelemesi kolaylaşmaktadır. Fakat kanal hızlı değiştiği durumlarda alt kanallar arasındaki diklik bozulmakta ve taşıyıcılar arasında girişim meydana gelmektedir. Bir OFDM sembolü zamanla değişen ve kanal değişim hızına bağlı olan bir çok kanal katsayısı ile karşılaşmaktadır. Alıcıda girişim etkilerinin giderilmesi oldukça zordur. Literatürde OFDM sistemlerinin hızlı değişen ortamlarda başarımını artırmaya yönelik bir çok çalışma yapılmaktadır. Kablosuz haberleşme sistemlerinde kullanılan enerji, bellek gereksinimi gibi kaynakların verimli kullanımı önemlidir. Bu sebeple kablosuz haberleşme kanallarının kestirimi üzerine çalışan araştırmacılar kanalın seyreklik yapısından faydalanarak daha verimli sistemler tasarlamak için çalışmalar yapmaktadırlar. Kanalın seyreklik yapısı daha az gözlemlenen sinyal değerinden başarımı daha yüksek kestirim yapabilme olanağı sunar. Seyrek sinyal kestirimi için literatürde önerilen algoritmalar oldukça karmaşık olmakla birlikte bazı algoritmalar gerçeklenen kanal kestirimi sistemlerine uygulanabilmektedir. Literatürde yapılan bir çok çalışma kanalların seyrek yapıda olduğunu, kanal impuls cevabı uzunluğunda sadece bir kaç çoklu yol olduğunu kabul etmektedir. Katsayısı genliği oldukça küçük olan çoklu yol gecikmeleri etkileri çok daha az olduğundan göz önüne alınmamaktadır. Bu çalışmada parametrik ve sadece pilot sembol kullanılarak hızlı değişen kanallar için OFDM sistemlerinde kanal kestirimi yöntemi önerilmiştir. Önerilen yöntem temel olarak oto regresif (AR) olarak kanal katsayılarının modellenmesine dayanmaktadır. Ayrıca kanalın seyreklik yapısı göz önünde bulundurularak kanal değişimini takip eden SAGE MAP tabanlı algoritma önerilmiştir. Bu tezin her bölümü aşağıdaki şekilde açıklanacaktır. Giriş kısmında haberleşme sistemlerinin yapısı ve haberleşme sistemlerinin akışı ile ilgili ayrıntılı bilgiler verilmiştir. Kablosuz haberleşme kanallarının kestirimine yönelik OFDM sistemleri için literatürde yapılan çalışmalar olumlu ve olumsuz tarafları ile açıklanmıştır. Yapılan çalışmalarda önerilen farklı kanal modelleme yöntemleri ve önerilen yönteme göre tasarlanan kestirim algoritmalarının başarımları ile ilgili değerlendirmeler sunulmuştur. Seyrek sinyal geri elde edilmesi ile ilgili sıkıştırılmış algılama (CS) tabanlı önerilen sinyal geri elde etme yöntemleri ile ilgili literatür araştırması sonuçları özetlenmiştir. Seyrek kanal modelleme ve kestrimi ile ilgili literatürde yapılan çalışmalar özet olarak anlatılmıştır. Bu çalışmanın literatürdeki çalışmalara katkısı ve farklılıkları açıklanmıştır. Tezin ilerleme aşamaları ayrıntılı olarak sunulmuştur. Kablosuz haberleşme kanalları bölümünde genel olarak literatürde kanalı ifade etmek için sıklıkla kullanılan terimler ve temel kavramlar açıklanmıştır. Kablosuz haberleşme kanallarının modellenmesi ve kanalı ifade eden matematiksel denklemler sunulmuştur. OFDM sistemi ve kanal kestirimi bölümünde öncelikli olarak OFDM sisteminin çalışma yapısı ve sunduğu olumlu fırsatlar ve olumsuz tarafları açıklanmıştır. OFDM sisteminin çalışma akış şeması verilerek bir veri iletiminde ilerlediği aşamalar özetlenmiştir. OFDM sistemleri için literatürde önerilen kanal kestirim yöntemleri matematiksel ifadeleri ile açıklanmıştır. Bu bölümde anlatılan kestirim yöntemleri kanalın seyreklik yapısını göz önüne almamaktadır. Bu sebeple seyrek kanalların kestiriminde başarımları daha düşüktür. Seyreklik ve kanal seyrekliği bölümünde seyrek sinyal tanımı verilmiştir. Seyrek sinyallerin geri elde edilmesi ile ilgili literatürde önerilen yöntemler kısaca açıklanmıştır. Karmaşıklık olarak gerçek sistemlere uygulanabilen Uyumluluk arayış (MP) ve dik uyumluluk arayış (OMP) algoritmaları akış şeması ile sunulmuştur. Literatürde MP ve OMP algoritmalarının OFDM sistemlerine uygulanması ile elde edilen başarımlar ile ilgili benzetim sonuçları eklenmiştir. Beşinci bölümde, OFDM sistemleri için hızlı değişen kanalın modellenmesi ve modelleme için kullanılan matematiksel modeller açıklanmıştır. Önerilen kanal modeli için kanalın çoklu yol gecikmelerinin bilindiği durumda Kalman süzgeçleme ile takibine ait başarım sonuçları sunulmuştur. Genel olarak haberleşme sistemlerinde kanal çoklu yol gecikmleri bilinmediğinden, alınan OFDM sembolünden yararlanarak OMP algoritması ile seyrek çoklu yol gecikmeleri kestirildikten sonra Kalman ile takip önerildiği durumda başarım sonuçları eklenmiştir. Önerilen kanal modeli için problem tanımı yapılarak SAGE MAP tabanlı algoritmanın elde ediliş aşamaları verilmiştir. SAGE MAP algoritması yüksek başarımlı bir ilklendirmeye gereksinim duymaktadır. Bu sebeple OMP algoritması AR süreci ile modellenen bir sinyale uyarlanmıştır. AR süreci için önerilen OMP algoritması çoklu yol gecikmelerini büyük bir olasılıkla doğru olarak kestirmektedir. SAGE MAP algoritmasının takip başarımı farklı sinyal gürültü oranları ve farklı Doppler değerleri için sunulmuştur. Son olarak elde edilen sonuçlar doğrultusunda değerlendirme yapılmıştır. Benzetim sonuçlarında çok hızlı değişen kanalların SAGE MAP algoritması ile takip edilebildiği gösterilmiştir. Referans olarak Kalman algoritmasına göre güçlü ve zayıf tarafları açıklanmıştır. Gelecek çalışmalarda önerilen algoritmanın nasıl geliştirilebileceği ile ilgili öneriler sunulmuştur.

Özet (Çeviri)

Over the 30 or 40 years wireless communication has got too much attention in the communication field mainly because of the mobility requirements. Therefore ongoing researches focused to improve performance of the wireless communication systems which consist of receiver and transmitter part. Channel impairments are the main detrimental effects for communication systems since transmitted signal passed through the channel. Receiver is tried to detect message signal from received corrupted transmitted signal. Also, additive channel noise and communication system noise decrease the performance of detection the message signal. Wireless communication channel causes the interference between symbols and channels because of the fading. Thus, wireless communication systems are designed that capable to mitigate channel effects. Based on practical observations some of the researchers are modeling the channel distribution for considered environments. Some of the observation based channel models in literature are Nakagami, urban and rural channel models. Also, there is other different methods to model the channel. Channel equalization is important for reliable communication between transmitter to receiver. Therefore many researchers are aimed to estimate the channel. These studies basically grouped as parametric and blind channel estimation methods. Parametric means that channel properties are parameterized depend on the specified features of the communication environment. There is many approaches to model the channel in the literature. On the other hand, blind channel estimation methods are not use the assumptions therefore its performance is less than parametric methods. Blind methods are more convenient for situations where there is no channel information. One of the main restrictions of the communication systems is bandwidth. Due to available bandwidth is limited, researchers are led to more spectral efficient modulations. Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) technique is widely accepted by many communication standards because of the spectral efficiency. OFDM divides available bandwidth to orthogonal subchannel and transmits high data rate message signal via parallel slow data rate subcarrier. When the channel is slow fading, subchannel of the OFDM system will be flat. Therefore the channel estimation and equalization will be handled more easily. However, when the channel is fast varying the orthogonality between sub channels will be violated. Thus, inter carrier interference will occur, one OFDM symbol will face with many channel coefficients which changing over time depend on velocity. There is many studies and approaches to increase performance of the OFDM system while the channel is fast varying. It is important to use resources of the communication system effectively. So, recent studies are trying to exploit sparsity information which enables better performance even insufficient observation. Recent compressed sensing studies showed that sparse signals can be recovered even there is not enough observation. Even these algorithms are rather complex, some of them can be applied to the channel estimation problems. In literature it is accepted that the wireless communication channel has sparse nature. It is generally assumed that the channel length is limited and only strong paths will have effect on signal. Sparse channel means that there is only few multi path over the channel length. In this thesis we will focus on parametric and data aided channel estimation problem for OFDM systems. Our subject mainly based on Autoregressive (AR) model which use velocity of the mobile receiver and sparsity assumption. Under these assumptions, SAGE MAP based channel estimation method in this thesis. Each section will be explained as follows. Introduction section will present general view to wireless communication system. The studies examined which focus on channel estimation. Proposed channel models and channel estimation algorithms in the literature is explained. Literature review about CS approach for channel estimation is summarized. Also sparse and fast varying channel estimation studies are explained briefly. And the main objective and the aimed contributions of the thesis are explained. Section of wireless communication channels gives descriptions of the channels and summarize channel modeling parameters. Also generally accepted channel models are explained. Third section explains the OFDM system and its advantages, disadvantages. OFDM block scheme is presented and process flow is explained. The OFDM channel estimation section outlines fundamental methods to estimate channel for OFDM signals. Also simulation results included to analyze and compare these methods with each other. the channel estimation methods explained in this section do not consider the channel sparsity. Therefore their performances can be improved with CS algorithms. Recent years it is proved that many real world channels are naturally sparse. Sparsity knowledge which is a priori assumption about channel, can improve the estimation performance. Therefore fourth section outlines definition of sparse signal, sparse channel, compressed sensing techniques and sparse channel estimation. Moreover, simulation results are obtained to compare proposed method pros and cons. Fifth section clarify the sparse fast varying channel which time variation of the channel is modeled with AR process. Then proposed problem definition is presented and explained with details. Derivation of the problem is explained and at the end we concluded with an algorithm. Simulation of the algorithm is presented and compared with other case studies and analyzed. In conclusion, it is explained that how proposed algorithm can be extended and how its weaknesses can be eliminated. It is showed that proposed method is more flexible to track channel sparsity. Therefore it can be useful for future communication standards which requires to acceptable communication performance under fast varying environment.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    496464

    Energy efficient approaches for spectrum sensing and channel estimation

    Spektrum algılama ve kanal kestirimi için enerji verimli yaklaşımlar

    MEHMET BAŞARAN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2018

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HAKAN ALİ ÇIRPAN

    DOÇ. DR. SERHAT ERKÜÇÜK

  2. Tez No

    633005

    Rapid and robust image reconstruction for magnetic particle imaging

    Manyetik parçacık görüntüleme için hızlı ve gürbüz görüntü geriçatımı

    SEMİH KURT

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2020

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ EMİNE ÜLKÜ SARITAŞ ÇUKUR

  3. Tez No

    846949

    Bayesian inference methods for detection of power systemoscillations

    Güç siıstemi salınımlarını algılamada Bayes çıkarımı yöntemleri

    ALİ ÜNVER SEÇEN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. UMUT ORGUNER

  4. Tez No

    887285

    Uzaktan algılama ve derin öğrenme yöntemleri ile İstanbul'un yerel iklim alanları ve yer yüzeyi sıcaklığı değişimleri arasındaki ilişkinin incelenmesi

    Investigation of the relationship between local climate zones and land surface temperature changes in İstanbul using remote sensing and deep learning methods

    MELİKE NİCANCI SİNANOĞLU

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Jeodezi ve Fotogrametriİstanbul Teknik Üniversitesi

    İletişim Sistemleri Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ŞİNASİ KAYA

  5. Tez No

    520093

    Evaluation of the fire potential index utilizing numerical weather prediction fields and remote sensing imagery

    FPI orman yangını potansiyeli indeksinin sayısal hava tahmin modeli alanları ve uzaktan algılama verisi ile hesaplanması

    FERAT ÇAĞLAR

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2018

    Bilim ve Teknolojiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Bilişim Uygulamaları Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ AHMET ÖZGÜR DOĞRU

Geri Dön