Geri Dön

Energy efficient approaches for spectrum sensing and channel estimation

Spektrum algılama ve kanal kestirimi için enerji verimli yaklaşımlar

PDF İndir

  1. Tez No: 496464
  2. Yazar: MEHMET BAŞARAN
  3. Danışmanlar: PROF. DR. HAKAN ALİ ÇIRPAN, DOÇ. DR. SERHAT ERKÜÇÜK
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2018
  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: 140

Özet

Enerjinin verimli kullanımı, kablosuz haberleşme sistemlerindeki enerji kısıtlı uygulamalarda oldukça önemlidir. Bir kablosuz aygıtta enerji kaybına sebep olan en büyük etkenlerden biri, alıcı-vericide kullanılan yüksek hızlı örneklemedir. Geniş bandlı işaretleşme ile haberleşilirken yüksek veri hızlarına ulaşılabilmesine karşın alıcı, Nyquist-Shannon örnekleme teoremine göre oldukça yüksek örnekleme hızlarında çalışmak zorunda kalmaktadır. Bu durum da gereğinden fazla enerji kaybına ve kablosuz aygıtın güç ünitesinin ömrünün azalmasına yol açmaktadır. Sıkıştırılmış algılama (compressed sensing, CS) kuramı sayesinde ilgilenilen işaretin uygun bir tabanda seyrek olarak tanımlanabildiği durumlarda aygıtın, çok fazla bilgi kaybı olmadan Nyquist örnekleme hızından daha düşük hızlarda çalışması mümkün hale gelir ve bu sayede aygıtın örnekleme işlemi bakımından eneri verimliliği arttırılmış olur. Bu kuram, kablosuz haberleşme uygulama alanlarından, spektrumdaki lisanslı (birincil) kullanıcıların yerleştiği frekans bölgesinin ve bu bölgenin kullanımda olup olmadığının belirlendiği spektrum algılamada ve çok yollu seyrek kanal kestiriminde büyük ilgi çekmiştir. Geniş band spektrum algılamada frekans bölgesindeki geniş band lisanslı kullanıcı işaretinin seyreklik kabulüne uyduğu durumda CS tabanlı yaklaşımlar, alıcıda örnekleme hızını düşürmek için kullanılabilir. Mevcut çalışmaların çoğunda birincil kullanıcı işaretinin seziminden (ilgili frekans bandının kullanımda olup olmadığının tespit edilmesi) daha çok geri oluşturulmasına çalışılmıştır. Ancak ikincil kullanıcının haberleşme ortamında kendisinin kullanabileceği uygun durumdaki frekans bandlarının kullanımda olup olmadığının tespit edilmesi, işareti bütünüyle geri oluşturmaktan daha önemlidir. Diğer bir ifade ile kullanılması düşünülen frekans bandının kullanımda olup olmadığına karar vermek, lisanslı kullanıcının işaretini ilgili frekans bandında geri oluşturmaktan daha önemlidir. Üstelik mevcut çalışmalarda spektrum algılama başarımlarının değerlendirilmesinde, birincil kullanıcının işaretinin frekans bandını kullanmadığı durum genellikle göz ardı edilmiştir. Buradan hareketle geri oluşturma ve sezim başarımları, geleneksel CS yöntemi olan taban arayışı (basis pursuit, BP) yöntemine ek olarak yararlandığı ön bilgi sayesinde daha iyi başarım sonuçları sağlayan Bayesian CS (BCS) tekniği yoluyla da detaylı olarak araştırılmıştır. Bu doğrultuda BP ve BCS'nin geri oluşturma hata başarımları, ortalama karesel hata (mean square error, MSE) terimi cinsinden kıyaslamalı olarak elde edilmiştir. Ayrıca kanal kestiriminde işareti geri oluştururken yapılan hata için erişilebilecek teorik en alt hata sınırı (Bayesian Cramer-Rao bound, BCRB) da kullanılan yöntemin ne derecede iyi başarım sunduğunu ortaya koyabilmek adına önerilen yöntemlerin kestirim sonuçlarıyla birlikte verilmiştir. Bununla birlikte, işaret sezim başarımları hem analitik olarak hesaplanmıştır hem de bilgisayar benzetimleri yardımıyla doğrulanmıştır. Doğru sezme olasılığının kapalı form çözümü, yüksek işaret-gürültü oranı (signal-to-noise ratio, SNR) bölgesi için türetilmiştir ve bu ifadenin, enerji eşik değeri ile tahsis edilen band genişliğinde kestirilen birincil kullanıcı işaretinin enerjisinin ortalama (beklenen) ve varyans değerlerine bağlı olduğu gösterilmiştir. Birincil kullanıcının frekans bandını kullanmadığı durumlarda, sezim ve yanlış alarm olasılıkları arasındaki ödünleşim, alıcı çalışma karakteristik (receiver operating characteristics, ROC) eğrileri yardımıyla çıkarılmıştır. Hesaplama karmaşıklığını azaltmak ve kayda değer sezim başarımları elde edebilmek için ise algoritma yineleme sayısının sistem başarımına etkisi; işaret gürültü oranı, örneklemede kullanılan sıkıştırma oranı, frekans bandında biriken enerjinin ortalama değeri ve ön bilgi parametresinin iki iterasyon arasındaki fark değerine ilişkin eşik değer parametrelerine göre ayrı ayrı incelenmiştir. Bu doğrultuda hesaplama süresini kısaltmak ve enerji verimliliğini arttırmak için yakınsaklık oranı uygun şekilde ayarlanabilir. Spektrum algılama çalışması kapsamındaki tüm benzetimlerde hangi ölçüde enerji kazançları elde edildiğini ortaya koyabilmek için geri oluşturma ve sezim başarımları farklı sıkıştırma oranları ve işaret gürültü oranlarına göre sunulmuştur. Birincil kullanıcı işaretinin sezimi için önerilen bu çalışma, enerji verimli yaklaşımların dik frekans bölmeli çoğullamalı (orthogonal frequency division multiplexing, OFDM) sistemlere ek olarak uzun dönem evrim aşağı yönlü bağlantı dik frekans bölmeli çoklu erişim (Long term evolution downlink orthogonal frequency division multiple access, LTE DL OFDMA) dahil haberleşme sistemlerinde gerçeklenebileceğinden dolayı işaretin geri oluşturulmasında ve seziminde önemlidir. Diğer yandan CS tabanlı yaklaşımlar kablosuz haberleşmede bir diğer uygulama alanı olan seyrek çok yollu sönümlemeli kanallara da uygulanabilir. Zaman bölgesi eş zamanlı dik frekans bölmeli çoğullamalı (Time domain synchronous OFDM, TDS-OFDM) sistemler, seyrek çok yollu kanallar üzerinden haberleşmeye olanak tanımaktadır. TDS-OFDM, sayısal televizyon standardı için temel teknolojidir ve birçok ülkelerde kullanılmaktadır. TDS-OFDM, OFDM veri bloğunun önünde koruma bandına yerleştirilen ve özilişki özelliği sayesinde alıcıda zaman bölgesinde eş zamanlamayı sağlayan sözde-gürültü (pseudo-noise, PN) dizilerinden yararlanmaktadır. Döngüsel ön ek (cyclic prefix, CP) kullanan geleneksel OFDM sistemlerinde olduğu gibi kanalın kestiriminde frekans tabanında veri (bilgi) taşımak için ayrılmış alt taşıyıcılara pilot simge yerleştirmeye ihtiyaç kalmayacağından yüksek izgesel (spectral) verimlilik sağlar. Bu durum ise PN dizisinin geleneksel CP-OFDM sistemlerinden farklı olarak kanalı zaman bölgesinde kestirmesinden kaynaklanmaktadır. Kanalın çok yollu yapısı sebebiyle bir önceki OFDM veri bloğundan kaynaklanan bloklar arası girişim (inter-block-intereference, IBI) oluştuğundan dolayı koruma bandında alınan işaret, IBI ve alıcı trafından tamamen bilinen bloklar arası girişimsiz bölge (IBI-free) olarak ikiye ayrıştırılabilir. IBI-free bölgede alınan işaretten yararlanılarak, IBI-free iletim matrisi ile ifade edilen gözlem işaretine CS tabanlı yöntemlerin uygulanmasıyla kanalı kestirmek mümkündür. Dolayısıyla blok-tipi (block-wise) zamanla değişen çok yollu sönümlemeli kanallar, seyreklik koşullarının sağlandığı durumlarda CS tabanlı yaklaşımlarla geri oluşturulabilir. Blok-tipi zamanla değişen çok yollu kanal kesitirimi çerçevesinde, alıcıdaki sıkıştırma oranını doğrudan etkileyen IBI-free bölge uzunluğunun kestirim başarımına etkisi incelenmiştir. Bu doğrultuda BP ve BCS'nin kanal kestirim başarımları, MSE cinsinden pratik kanallarda BCRB değerleri ile karşılaştırılmıştır. Bilgisayar benzetim sonuçları, kanal kestirim başarımının bloklar arası girişimsiz bölge uzunluğundan ödünleşilerek iyileştirilebileceğini ve bu yolla da enerji kazançlarının arttırılabileceğini göstermektedir. Diğer bir ifade ile, bloklar arası girişimsiz bölge uzunluğundaki artış, daha iyi başarım sağlamasına rağmen enerji verimliliğinin hem alıcı hem de verici tarafında azalmasına sebep olmaktadır. Son olarak, kanal yanıtının her bir iletilen simge için değiştiği zamanla hızlı değişen kanallardaki TDS-OFDM sistemlerinde enerji verimliliği konusu, göz önüne alınarak incelenmiştir. Kanal katsayıları bir iletim bloğu için zamanla sabit olmayıp değiştiğinden, hızlı değişen kanal, alınan işaret gözlemlerinden daha fazla sayıda bilinmeyen katsayı içerir. Dolayısıyla bilinmeyen kanal katsayılarının sayısını azaltmak ve böylece kanal kestirimini mümkün hale getirmek için zamanla hızlı değişen kanal, ayrık Legendre polinomu taban açılım modeli (discrete Legendre ploynomial basis expansion model, DLP-BEM) yardımıyla uygun bir şekilde modellenebilir. Kanal katsayılarının oldukça düşük sayıya azaltılmasıyla donanım karmaşıklığının azalması ve bu yolla tüketilen enerjinin azalmasının sağlanmasıyla sistemlerde enerji verimliliği elde edilir. Bu doğrultuda, doğrusal en az ortalama karesel hata (linear minimum MSE, LMMSE) yöntemi, kanalın modellenmesinden hareketle alınan IBI-free işarete, taban açılım katsayılarını kestirmek için uygulanabilir. Kanal katsayılarındaki hızlı değişim sebebiyle, geleneksel TDS-OFDM sistemlerindeki kestirim başarımı, elde edilen gözlem işaretinin sadece kanalın ilk bölgesine karşılık gelen örneklerini kestireceğinden dolayı sınırlı olur. Bu gerçeği göz önünde bulundurarak, iletilen işaretin ilk kısmına ek olarak kanal yanıtının ortasından ve sonundan da bilgi elde edecek şekilde çoklu PN dizileri, OFDM bilgi bloğunun bölümlenerek aralarına eklenmesiyle oluşturulan“bölümlemeli TDS-OFDM”sistemi başarımı arttırmak için önerilmiştir ve uygulanmıştır. MSE cinsinden geri oluşturma başarımları verilmiştir ve BCRB teorik olarak türetilmiştir. Simge sezim başarımı ise, simge hata oranı (symbol error rate, SER) cinsinden sunulmuştur. Üstelik yüksek hızlı kanal ortamlarında oluşan karşılıklı taşıyıcı girişimini (inter-channel-interference, ICI) engelleyen algoritma, sezim başarımını arttırmak için uygulanmıştır. Geri oluşturma başarımındaki BCRB ölçütüne benzer şekilde, SER eğrilerindeki en düşük hata sınırı, alıcıda kanal durum bilgisinin (channel state information, CSI) olduğu varsayımıyla (alıcının kanalı bildiği durum) elde edilmiştir. Bu duruma karşılık gelen sezim başarımları verilmiştir. Benzetim sonuçları, önerilen bölümlemeli TDS-OFDM sistemleri için geri oluşturma ve simge sezim başarımlarının sırasıyla BCRB ve mükemmel CSI ICI engelleme SER sınırlarına yaklaştığını göstermiştir. Ayrıca önerilen bölümlemeli sistem, geleneksel sistem başarımından daha üstündür ve sabit SNR için yaklaşık on kat SER iyileştirmesi sağlamaktadır. Benzer şekilde, önerilen TDS-OFDM sistemler, sabit SER için gereken SNR değerini düşürmektedir. Zamanla hızlı değişen kanallarda TDS-OFDM çalışması, yüksek hızlı haberleşme durumlarında TDS-OFDM sistemin pratik gerçeklemesinin, en iyi geri oluşturma ve simge sezim başarımlarının önerilen sistemlerde elde edildiğinden dolayı uygulanabileceğini açığa çıkarmıştır. Özetle bu çalışma, spektrum algılama kapsamında pratik OFDM sistemlerde sınırlı frekans spektrumu ve enerjisinden en verimli şekilde yararlanabilmek için CS teorisine göre BP ve BCS gibi enerji verimli yaklaşımların uygulanabileceğini göstermektedir. Bu çalışma aynı zamanda, kanal kestirimi kapsamında pratik TDS-OFDM sistem gerçeklemelerinde CS ve BEM tabanlı yaklaşımların sırasıyla blok-tipi ve hızlı zamanla değişen kanal kestirimleri için kayda değer ölçüde enerji kazanımları sağladığını göstermiştir.

Özet (Çeviri)

The efficient usage of energy is crucial in energy constraint applications of wireless communication systems. One of the biggest factor that leads to energy losses in a wireless device is the high sampling rates at the transceiver side due to demand for higher data rates. Although higher data rates can be achieved when communicating with wideband signaling, higher sampling rates are required at the receiver to satisfy Nyquist-Shannon sampling theorem. However, high sampling rates lead to more energy consumption, and hence, reducing the battery life-time of the wireless device. Through compressed sensing (CS) theory, it is possible to decrease operating sampling frequency below the Nyquist rate without losing much information and reconstruct the underlying signal. Thus, device becomes energy efficient in terms of sampling frequency under the assumption that the signal of interest exhibits a sparse representation in a suitable basis. This theory has taken great attraction in the areas of spectrum sensing, where the frequency domain representation of the primary user is assumed to be sparse for wideband spectrum sensing and multipath channel estimation. In wideband spectrum sensing, CS based approaches can be used at the receiver side to decrease the sampling rate, if the wideband signal exhibits sparse structure. Most of the studies consider accurate reconstruction of the primary user signal rather than detection of the signal. However, it is more important to analyze the presence or absence of the primary user signal correctly. Furthermore, possible absence of the signal is not taken into account while evaluating the primary user detection performance. Regarding these issues, reconstruction and detection performances are investigated in detail through basis pursuit (BP) and Bayesian CS (BCS) techniques. BCS incorporates prior information and further enhances BP performance. Accordingly, reconstruction error performances of BP and BCS are determined in terms of mean square error (MSE) by including theoretical Bayesian Cramer-Rao bound (BCRB). However, signal detection performance is assessed by analytical and simulation results. The closed-form expression of detection probability is derived and expressed in terms of energy threshold parameter, mean and variance values of estimated primary user signal energy in the allocated bandwidth. When any primary user does not take place in the spectrum, the trade-off between probability of detection and probability of false alarm is considered in terms of receiver operating characteristic (ROC) curves since it is equally important to determine the performance of CS based approaches when there is no active primary user in the communication environment. Convergence rate of BCS algorithm in order to both reduce computational complexity and obtain acceptable performance is measured under different parameters containing compression ratios, difference value of prior hyperparameters between two consecutive iterations and signal to noise ratio (SNR). Also, convergence rate is shown to be adjusted suitably in order to decrease computation time, and hence, provide energy efficiency. In all of the simulations of spectrum sensing study, reconstruction and detection performances are presented by means of various values of compression ratios and SNR in order to address how much energy gains can be achieved. The presented primary user detection study is important in the overall application of energy efficient approaches in realistic implementations including long term evolution downlink orthogonal frequency division multiple access (LTE DL OFDMA) systems in addition to orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) systems both in reconstruction and detection processes of primary user. On the other hand, CS based approaches can be applied to sparse multipath channel estimation. Time domain synchronous OFDM (TDS-OFDM) systems can work properly under sparse multipath communication channels. TDS-OFDM is the main technology for digital television standard (DTV) and employed in many countries. TDS-OFDM includes pseudo-noise (PN) sequences in guard interval that is located in front of the OFDM data owing to the fact that PN usage allows receiver to provide transmit signal synchronization in time domain through the autocorrelation property. Moreover, high spectral efficiency, compared to traditional cyclic prefix (CP) OFDM systems, can be achieved since there is no need to deploy pilot subcarriers instead of the data subcarriers in frequency domain in order to estimate the channel. Thanks to operating with known PN sequences, channel estimation becomes possible in time domain different from traditional CP-OFDM systems. Because of the inter-block-interference (IBI) that stems from the multipath channel environment by previous transmit TDS-OFDM signal block, the received signal in guard interval can be decomposed into IBI and IBI-free region where IBI-free region is entirely known by the receiver. Through the utilization of the received signal in IBI-free region, it is possible to realize channel estimation with the aid of CS based approaches since the size of the received signal is decreased by IBI-free transmission matrix. Therefore, multipath fading channel in block-wise time-varying environments can be reconstructed via CS methods when the channels satisfy sparsity conditions. In block-wise time-varying multipath channel estimation framework, the effect of IBI-free region length on the estimation performance is investigated since IBI-free region length directly specifies the compression ratio at the receiver. Accordingly, channel estimation performance of BP and BCS including BCRB are presented for practical channel environments. Concluding from the simulation results, channel estimation performance can be improved by trading-off the size of the IBI-free region. That is, although an increase in IBI-free region length improves the performance, energy efficiency of the system decreases. Finally, energy efficiency subject is examined in high mobility TDS-OFDM systems for rapidly time-varying channel environments where channel response changes for each transmit symbol. Since channel coefficients change fast, rapidly time-varying channel comprises of more unknown coefficients than the number of known received signal samples. In order to reduce the number of unknown channel coefficients, and thus, make channel estimation possible, rapidly time-varying channel can suitably be represented in terms of fewer number of basis vectors and corresponding coefficients by discrete Legendre polynomial basis expansion model (DLP-BEM). Reducing the number of channel coefficients to basis coefficients decreases hardware complexity. Therefore, this effect reduces energy consumption at the receiver. Accordingly, linear minimum mean square error (LMMSE) estimation can be easily applied for the received IBI-free signal observations. Due to fast variations on channel components, channel reconstruction performance in conventional TDS-OFDM systems is limited since observations are obtained for only the beginning part of the channel responses meaning that estimating channel coefficients from the beginning part of the channel. Regarding this fact,“partitioned TDS-OFDM system”is proposed and implemented where multiple PN sequences are deployed in the middle and end parts in addition to the beginning part of the transmit symbols by partitioning OFDM data in order to improve system performance. Reconstruction error performances are included in terms of MSE. Also, BCRB is derived theoretically for rapidly time-varying channel environments and shown to be approached by proposed system model. As per detection, LMMSE based symbol detection performance is presented in terms of symbol error rate (SER). Moreover, in order to alleviate inter-carrier-interference (ICI) which is occurred in highly mobile environments, ICI cancellation algorithm is applied during the detection to further improve detection performance. Similar to the BCRB criterion in reconstruction performance, lower levels in SER curves can be obtained assuming the channel state information (CSI) is available at the receiver. Thus, SER levels belonging to perfect CSI case show the attainable minimum symbol error performance. Therefore, corresponding detection performance is included for a fair comparison. Simulation results show that channel estimation and symbol detection performances for rapidly time-varying TDS-OFDM systems are able to approach the achievable minimum estimation bounds and perfect CSI ICI cancellation SER levels, respectively, when the proposed partitioned TDS-OFDM system framework is handled. Moreover, proposed systems outperforms the conventional systems and approximately ten times SER improvements are gained under constant SNR. Similarly, required SNR is decreased to achieve the same SER value in the proposed TDS-OFDM systems compared to conventional systems. TDS-OFDM study for rapidly time-varying channels reveals that the practical realization of TDS-OFDM system in highly mobile communication scenarios can be implemented as almost best reconstruction and detection performance levels are achieved by proposed TDS-OFDM systems. In summary, thesis study demonstrates the applicability of energy efficient techniques such as BP and BCS based on CS theory to primary user detection in practical OFDM systems in order to utilize scarce frequency spectrum and to use energy resources effectively in the context of spectrum sensing. This study also shows that CS based approaches can achieve significant energy savings for block-wise TDS-OFDM channel estimation. In addition, DLP-BEM method is proposed and applied for rapidly time-varying channel estimation in practical mobile TDS-OFDM system implementations in the context of energy efficient channel estimation.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    323847

    Bilişsel radyoda özdeğer tabanlı spektrum sezme yöntemleri

    Eigenvalue based spectrum sensing techniques for cognitive radio

    SERDAR İNGÖK

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2012

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. M. ERTUĞRUL ÇELEBİ

  2. Tez No

    639347

    Simultaneous transmission based communication techniques

    Eş zamanlı ̇iletime dayalı haberleşme sistemleri ̇

    UFUK ALTUN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2020

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. GÜNEŞ ZEYNEP KARABULUT KURT

    DOÇ. DR. ENVER ÖZDEMİR

  3. Tez No

    364170

    Bilişsel iletim ağlarında parçalı spektrum algılama ve alıcı çeşitleme yöntemleri

    Dispersed spectrum sensing and receiver diversity techniques in cognitive radio networks

    MUSTAFA NAMDAR

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2014

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiYıldız Teknik Üniversitesi

    Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. LÜTFİYE DURAK ATA

    YRD. DOÇ. DR. HACI İLHAN

  4. Tez No

    39275

    2-8 MBit/s fiber optik hat teçhizatı arayüz devresinin sahada programlanabilir kapı dizisi ile tasarlanması ve gerçeklenmesi

    Designing and implementing 2MBit/s and 8 MBit/s fiber optic line terminating equipment interface circuit by using field programmable gate array

    ÜMİT GÖĞÜSGEREN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1993

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik Üniversitesi

    PROF. DR. AHMET DERVİŞOĞLU

  5. Tez No

    309867

    Bio-inspired communication theories and techniques for next-generation networks

    Gelecek nesil ağlar için biyolojik esinli iletişim teorileri ve teknikleri

    BARIŞ ATAKAN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2011

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKoç Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ÖZGÜR B. AKAN

Geri Dön