OFDM with index modulation for 5g and beyond
5g ve ötesi için indis modülasyonlu OFDM
- Tez No: 535409
- Danışmanlar: PROF. DR. HAKAN ALİ ÇIRPAN, DOÇ. DR. ERTUĞRUL BAŞAR
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2018
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Telekomünikasyon Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 67
Özet
Dikgen frekans bölmeli çoğullama (OFDM) günümüzde kullanılan kablosuz haberleşme sistemlerinin çoğunda kullanılan çok taşıyıcılı bir haberleşme tekniğidir. Çok taşıyıcılı sistemlerde iletim bandı dar alt kanallara bölünerek, veri bu alt kanallar üzerinden paralel olarak iletilir. Bu şekilde, haberleşmede yüksek veri hızlarına ulaşmayı ve gecikme yayılımın sebep olduğu kanal etkisinden kurtulmaya imkan vermektedir. Hatta, OFDM çoklu-numeroloji yapısıyla 5G'nin dalga formu olarak standartlaşmasına karar verilmiştir. Burada çoklu-numeroloji yapısı farklı frekans aralıklarına (frequency spacing) sahip sinyallerin bir arada kullanılmasını ifade etmektedir. Böyle bir kararda, OFDM'in sahip olduğu avantajları etkili olmaktadır: değiştirilebilen kullanılan alt taşıyıcı sayısı, alt taşıcıların gücü ve darbe şekillendirici filtreler yapısıyla verimli spektrum kullanımı; OFDM sembol blok boyutunu, döngüsel önek (CP) boyutunu ve alt taşıyıcı aralığının değiştirilerek farklı gereksinimlere ayarlanabilir esneklik; çoklu anten sistemlerine uygunluk; frekans uzayı eşitleme (equalization); birden çok kullanıcı için esnek paylaşım mekanizmalarına izin verme. Diğer taraftan, bugüne dek çözülmeye çalışılan OFDM'in iki ana dezavantajı bulunmaktadır: güç amplifikatörlerin doğrusal olmamaları nedeniyle gönderilecek sinyalin bozulmasına sebep olan yüksek tepe-güç ortalama oranı (PAPR) ve spektrum granülaritesini kötüleştiren yüksek bant dışı emisyon (OOBE). OFDM'in 5G haberleşme sistemleri için ana dalga formu seçilmesinin etkisiyle bu dezavantajlara daha iyi çözümler bulabilmek için yapılacak araştırmalar sürecektir. OFDM'in geliştirilmiş bir modülasyon tekniği olarak, indis modülasyonlu dikgen frekans bölmeli çoğullama (OFDM-IM) spektrum ve enerji verimli yeni nesil haberleşme sistemleri için önerilmiştir, ve son zamanlarda birçok araştırmacı tarafından araştırma konusu olarak seçilmiştir. Klasik OFDM'den farklı olarak, OFDM-IM bilginin taşınması için aktif alt taşıyıcıları ve bu taşıyıcıların indislerini kullanmaktadır. Bu sayede, bütün alt taşıyıcıları aktif olarak kullanmadan klasik OFDM ile aynı spektrum verimliliğinde gönderim yapmak mümkün olmaktadır. OFDM-IM'de vericide gönderilecek sembolün oluşturulması için gelen bitler iki gruba ayrılır. İlk gruptaki bitler, OFDM-IM'in alt bloğunda aktif olacak alt taşıyıcıları belirlemek için taramalı tablo veya özel algoritmalar kullanarak aktif alt taşıyıcı indislerini belirlemektedir. Taramalı tablo yöntemi boyutu küçük alt bloklar için, algoritma kullanımı ise büyük alt bloklara sahip sistemlerde kullanılmaktadır. Bu şekilde taramalı metodun büyük alt bloklarda yerleştirme yaparken oluşturacağı işlem karmaşıklığı ve hafıza gereksinim ihtiyacı ortadan kaldırılmaktadır. İkinci grup bitler ise aktif olarak belirlenen alt taşıyıcılarda taşınacak sembolleri belirlemektedir. OFDM-IM indis modülasyonu sayesinde klasik OFDM'e kıyasla dikkat çekici avantajlar sağlamaktadır: düşük-orta seviye spektrum verimliliklerinde daha iyi bit hata oranı performansı, taşıyıcılar arası girişim için daha iyi dayanıklılık, daha iyi ergodik ulaşılabilir (achievable) oran ve farklı kanal koşullarına ve sistem gereksinimlerine göre ayarlanabilir daha esnek bir yapı. OFDM'e kıyasla birçok avantajı olmasına rağmen, OFDM-IM de OFDM benzer olarak yüksek PAPR'a sahiptir ve bu önemli dezavantajı çözmek için literatürde yeterli çalışma bulunmamaktadır. OFDM için önerilen metotlar OFDM-IM'in yüksek PAPR'ı düşürmek için kullanılabilir, fakat farklı sinyal yapısından dolayı aynı şekilde performans kazancı olmamaktadır. Örneğin, OFDM-IM'in bu dezavantajını çözmek için OFDM için iyi bilinen yüksek PAPR azaltma yöntemlerinden biri olan aktif takımyıldız uzantısı (ACE) metodu kullanılabilmektedir. OFDM-IM sembolün sahip olduğu aktif olmayan alt taşıyıcılar nedeniyle bu PAPR azaltma metodunun daha az etkili olmasından dolayı, aktif olmayan alt taşıyıcıların üzerlerine kırpılmış sinyaller ekleyerek yüksek PAPR daha iyi azaltılabileceği önerilmektedir. Aktif olmayan alt taşıyıcıların üzerlerine eklenecek sinyal belli bir üst değeriyle sınırlandırılmıştır, bu şekilde eklenen sinyal bit hata oranı performansında hafif bir bozulmaya sebep olmaktadır. Bilgisayar simülasyonu sonuçları, önerilen metodun OFDM ve OFDM-IM'de aktif takımyıldız uzantısı metodunun PAPR azaltma performansından daha iyi bir kazanç verdiğini ve uygun bir kırpma seviyesi seçildiğinde bit hata oranı performansında çok az bir kayıp ile daha fazla enerji verimli bir performans alındığını göstermektedir. Burada kırpma seviyesi düşük seçildiğinde alt taşıyıcıların üzerlerine eklenecek sinyalin gücü artacağından daha kötü bit hata oranı alınmasına neden olmaktadır, ama kullanılan modülasyon derecesine göre bu kırpma değeri ayarlanarak PAPR'ın çok iyi azaltılması ve çok az bir bit hata oranı ile sistemin çalışması sağlanabilmektedir. Ayrıca, önerilen yöntem ve aktif takımyıldız uzantısı metodu birleştirilerek daha iyi bir PAPR alınmasını sağlandığı gösterilmektedir. Önerilen yöntemi lineer-logaritmik seviyelerde işlem karmaşıklığına indirgemek için akıllı gradyanlı projeksiyon (SGP) metodu kullanılmaktadır. Bu sayede önerilen metot pratik sistemlerde uygulabilir olabilmektedir. 5g kablosuz ağ, gelişmiş mobil geniş bant (eMBB), ultra güvenilir ve düşük gecikmeli haberleşme (URLLC) ve büyük makine tipi haberleşme (mMTC) olarak sınıflandırılmış çeşitli kullanım durumlarına hizmet verecek şekilde gelmektedir, ve bunlar birbirinden farklı gereksinimler ihtiyaç duymaktadırlar. eMBB servisleri çok yüksek veri hızları ve daha büyük bant genişliklerine ihtiyaç duymaktadır. URLLC servisleri çok düşük gecikme, çok yüksek güvenilirlik (reliability) ve ulaşılabilir olma durumuna sahip olmayı gerektirmektedir. mMTC servisler ise masif bağlantı, düşük bant genişliği, düşük güç tüketimi ve artırılmış kapsama alanı gibi gereksinimlere ihtiyaç duymaktadır. Sonuç olarak, tek bir çözümün bütün bu ihtiyaçları karşılaması zor gözükmektedir, bu sebeple 5G kablosuz ağları yeni radyo erişim teknolojileriyle esnek fiziksel katman çözümlerinin geliştirilmesini gerektirmektedir. Bu noktada OFDM-IM, farklı kullanıcı taleplerinin karşılanabilmesi için esnek bir çözüm ortaya koymaktadır. Gönderilen düşük veri miktarı, düşük güç tüketimi ve düşük maliyetli gibi mMTC servislerinin gereksinim ihtiyaçları göz önünde bulundurularak daha iyi spektrum ve enerji verimli haberleşme için derin sönümlü kanallara göre hizalanmış OFDM-IM sistemi önerilmektedir. Önerilen yöntemde, OFDM-IM'deki aktif olmayan alt taşıyıcılar derin sönümlü kanallardan kaçınmak için kullanılmaktadır, çünkü boş bırakılan alt taşıyıcılar derin sönümlü kanallara rasgelmesi herhangi sinyal gücü taşımadıklarından onları etkilememekte ve bu şekilde sistemin bit hata oranını önemli ölçüde düşürmektedir. Bilgisayar simülasyon sonuçları, klasik OFDM ile aynı spektrum verimlilikte 10^(-4) değerinde referans bit hata oranı için 10 dB'den fazla kazanım yapıldığı göstermektedir. Önerilen yöntemin sunmuş olduğu derin sönümlü kanalların etkisinin azaltılması çözümü, klasik OFDM sistemlerinde kodlama teknikleriyle giderilmektedir. Bu sebeple, önerilen yöntem aynı spektral verimlilikte konvolüsyon kodlu OFDM ile karşılaştırılmış ve önerilen yöntemin daha iyi bit hata oranı performansı elde ettiği gösterilmektedir. Burada önerilen yöntem sadece OFDM-IM sistemlerinde uygulanabilmesi, spektrum verimliliğini kaybetmeden uygulanabilmesi, düşük işlem karmaşıklığına sahip olması ve daha güvenilir bir haberleşme imkanı sunması yönleriyle kodlama tekniklerine farklılık göstermektedir. Buna ek olarak, bilgisayar simülasyon sonuçlarını desteklemek için önerilen yöntemin teorik hata performans analizi yapılmaktadır.
Özet (Çeviri)
Orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) is a multi-carrier transmission scheme that has been used for the most of recent wireless communications systems, even it has been decided to be used as the modulation technique with multi-numerologies structure in 5th Generation (5G). This is due to the advantages of OFDM, such as efficient spectrum utilization by varying number of subcarriers, power of subcarriers, and pulse-shaping filters; flexible adjustment to different requirements by changing OFDM symbol block size, cyclic prefix size, and subcarrier spacing; well-suitability to multiple antennas systems; frequency domain equalization; permission to flexible scheduling mechanism for multiple users. On the other hand, it has two main disadvantages that has been tried to be solved up till now: high peak-to-power average ratio (PAPR) that causes distortion of the signal due to non-linearities of power amplifiers (PA) and high out-of-band emission (OOBE) that makes spectrum granularity difficult. Since OFDM has been selected as the core waveform of 5G, researches about these drawbacks will continue to find better solutions. As being an enhancement modulation technique to OFDM, orthogonal frequency division multiplexing with index modulation (OFDM-IM) has been proposed for spectrum- and energy-efficient next generation wireless communication systems, and it has been attracted by many researchers recently. Unlike conventional OFDM, OFDM-IM employs both the indices of active subcarriers and data symbols at the active subcarriers to convey information. In OFDM-IM, the incoming bit sequences are divided into two groups. First group determines the active subcarriers according to look-up tables or special algorithms, then second group determines the data symbols at the active subcarriers. OFDM-IM offers attractive advantages in comparison to OFDM thanks to the information bits conveyed by IM, such as better bit error rate (BER) performance at low-to-mid level spectral efficiency values, higher robustness to inter-carrier interference (ICI), better ergodic achievable rate, and being more flexible based on different channel conditions and system requirements. However, OFDM-IM has also the drawback of high PAPR similar to OFDM, and this important problem has not been studied well in the literature. Active constellation extension (ACE), which is one of the well-known PAPR reduction methods for OFDM, can be used to solve this drawback of OFDM-IM. Owing to the fact that this PAPR reduction method is less effective for OFDM-IM due to the inactive subcarriers that do not convey data symbols, we propose the extension of the constellation over inactive subcarriers through adding clipped signals over them. These subcarriers have a signal power limited by an upper bound, and this causes a slight degradation in the bit error rate (BER) performance. Computer simulation results demonstrate that our proposed method has a better PAPR reduction performance than the ACE method for OFDM and OFDM-IM while being more energy efficient with a very slight degradation in BER performance when a proper clipping threshold level is selected. Additionally, it is shown that the proposed method and ACE can be further combined, and this provides an improved PAPR reduction. In order to decrease the computational complexity of the PAPR reduction method to the linear-logarithmic level, smart gradient projection (SGP) is employed. 5G of wireless networking is coming with diverse use cases, such as enhanced-Mobile BroadBand (eMBB), Ultra Reliable and Low Latency Communications (URLLC), and massive Machine Type Communications (mMTC). eMBB services require very high data rates and wider bandwidths. URLLC services require very low latency, very high reliability and availability. And, mMTC services require massive connectivity, low bandwidth, low power consumption, and enhanced coverage. As a result, 5G wireless networks require flexible physical layer solutions through new radio access technologies (RATs). At this point, OFDM-IM appears a flexible solution to satisfy the diverse user demands. Considering the strict requirements of mMTC services, such as low throughput, low power consumption, and low cost design, we propose fading-aligned OFDM-IM for more spectrum- and energy-efficient communication. In the proposed method, inactive subcarriers in OFDM-IM are cleverly utilized to avoid deep fading sub-channels, because the deep fading of the active subcarriers decreases bit error rate (BER) performance significantly. Computer simulation results demonstrate that more than 10 dB gain is obtained for a reference BER value of 10^(-4) at the same spectral efficiency with conventional OFDM. Moreover, the proposed method is compared with convolutional coded (CC) OFDM at the same spectral efficiency, and it is shown that the proposed scheme performs better in terms of BER performance. Furthermore, theoretical error performance of the proposed method is investigated to support our computer simulations.
Benzer Tezler
- OFDM-based novel waveform design for 5G and beyond wireless communication networks
5G ve ötesi kablosuz iletişim ağları için OFDM tabanlı özgün dalga formu tasarımı
ALİ TUĞBERK DOĞUKAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2020
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKoç ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ERTUĞRUL BAŞAR
- Waveform design and multiple access techniques for 5G and beyond wireless communication systems
Başlık çevirisi yok
EMRE ARSLAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2020
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKoç ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ERTUĞRUL BAŞAR
- Karıştırma saldırılarında OFDM-IM tekniğinin performansı
Performance of OFDM-IM Under jamming attacks
AHMET KAPLAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2020
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İBRAHİM ALTUNBAŞ
- Advanced cross-layer secure communication designs for future wireless systems
Geleceğin kablosuz sistemlerinde katmanlar arası ileri güvenli haberleşme tasarımları
JEHAD MAHMOUD AMIN HAMAMREH
Doktora
İngilizce
2018
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Medipol ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HÜSEYİN ARSLAN
- Geniş bant karıştırma durumunda OTFS-IM sistemlerin BER performansının araştırılması
Investigating the BER performance of OTFS-IM systems with barrage jamming
HUSSAM ALSALAMEH
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiErciyes ÜniversitesiElektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İBRAHİM DEVELİ