Performance of 5G codes over a noisy channel
Gürültülü bir kanal üzerindeki 5G kodların performansı
- Tez No: 713268
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ MUSTAFA HELVACI
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: İletişim Bilimleri, Communication Sciences
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: İletişim Sistemleri Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Uydu Haberleşmesi ve Uzaktan Algılama Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 109
Özet
Kodlama, iletişim sistemlerinin ilk günlerinden beri içerisinde yer almaktadır. Günlük olarak kullandığımız tüm iletişim sistemleri, belirli bir zamanda kodlama ve kod çözme sürecinden geçmiştir. Modüle edilmiş sinyalin kodlanmamış bir versiyonunu doğrudan göndermek yerine kodlama ihtiyacı basit şekilde, Aynı BER'yi daha düşük bir sinyal-gürültü oranında elde etmemizi sağlaması ile açıklanabilir. Claude Shannon, bir iletişim kanalının belirli bir gürültüsünde, dijital bilginin kanal üzerinden neredeyse hatasız, hesaplanabilir bir maksimum hızda iletişim kurmasının muhtemel olduğunu gösterdi. Teori, gürültü ve bozuk veri seviyelerine karşın hata düzeltme yöntemleri ile elde edilebilecek maksimum verimlilik seviyesini gösterir. Kapasitesi C olan bir kanal ve bir kanaldan R hızında gönderilen birkaç bit verildiğinde, eğer C kanalının kapasitesi R hızından büyükse, bazı kodlar BER'nin çok küçük olmasına izin verir. Bu, teorik olarak, hızın sınırlayıcı kapasite oranının altında olması koşuluyla, herhangi bir oranda neredeyse hatasız bilgi göndermenin muhtemel olduğu anlamına gelir. Oranın kapasiteden yüksek olduğu durumlarda küçük bir BER'in elde edilebilmesinin mümkün olmadığı görüşü ihmal edilemez. Tüm kodların belirli bir düzeyde bir BER'i vardır, bu oranın kapasitenin üzerinde olduğu durumlarda bilgiyi kanal genelinde yüksek düzeyde güvenle iletmesi garanti edilmez. Teori kapasite ile oranın eşit olduğu istisnai durumu içermemektedir. İletişim sistemleri alanındaki bilim adamları ve uzmanlar, kullandıkları sistemlerin BER'lerini azaltmak için kodlar geliştirmek için çalışmaktadırlar. Bu alanda yapılan eklemeler ihmal edilemez. Günümüzde özellikle IOT cihazlarının önem kazanması ile beraber, mobil internete olan ihtiyaç her geçen gün artmaktadır. Hesaplamalara göre 2025 yılında 5 milyardan fazla cihaz ağa bağlanacaktır. 5G daha önceki nesillere kıyasla daha yüksek hızlara ulaşmasının yanında daha düşük gecikme suresine sahip olacaktır. Farklı uygulamaların farklı oranlarına uyum sağlayabilmesi için kablosuz mobil iletisimde çok yüksek bant genişliğine ihtiyaç duyulmaktadır. 5G kablosuz haberleşmede (turbo codes) ve (tail biting convolutional codes) 5G standartını sağlayamamalarına rağmen, LTE standardında verimliliklerini kanıtlamışlardır. 5G'de, hem LDPC kodları hem de polar kodlar için, özellikle veri kanallarıyla ilgilenen LDPC Kodları ve kontrol kanallarıyla ilgilenen polar kodlar için daha gelişmiş bir hata düzeltme yöntemine ihtiyaç vardır. Hata düzeltme ve algılama, 5G kablosuz iletişim için temel gereksinim olduğundan, (Eb/NO) performansına karşı BER gerçekten önemlidir, çünkü iletilen hiçbir blogu kaybetmek istemezsiniz. BER'i EB/NO'ya karşı kontrol etmek için kullanılan yöntemlerden biri, BPSK'dan 256 QAM'ye kadar çeşitli modülasyon türleri altında kodlanmamış bir sinyali kontrol etmekti. Daha yüksek modülasyon uygulandığında EB/NO performansına karşı BER kötüleşiyordu. 5G'nin artık daha fazla veri paketlemesiyle, 256 QAM'den daha yüksek değerler bile mümkündür. Burada 5G'de kullanılan kodların bir performans testi simüle edilmiştir. Alışıldığı gibi, modülasyon ne kadar yüksek olursa, BER EB/NO'ya karşı o kadar kötü olur. Kodların en iyi modülasyon senaryosu altında nasıl performans gösterdiğini göstermek için bir AWGN kanalıyla BPSK modülasyonu kullanılarak bir 5G-NR senaryosu gerçekleştirilmiştir. AWGN kanalı uygulandı. BER ile dijital bir iletişim sisteminin performansına karar vermek için, termal gürültü, gürültünün ana kaynağı olarak kabul edildiğinden, iletişim sisteminin performansının belirlenmesinde ana rol oynar. Termal gürültü uygulanan kablolardaki atomların titreşiminden gelen rastgele istenmeyen sinyallerin birleşiminden gelir. Bir BPSK altında gürültü olarak bir AWGN ile işlemlerin gerçekleştirilmesi simülasyon için ideal bir senaryo olarak kabul edilir 5G standardı her iki koda da uygulandı, çünkü temel grafik 1 ve temel grafik 2, LDPC için farklı kod oranlarında kullanıldı. Aynısı polar için de geçerlidir, çünkü kanallar standartta belirtildiği gibi en kötüden en iyiye doğru sıralıdır. 5G için donanım performansı çok zordur, bu nedenle her iki kodda da (quantization) uygulanmış tek bir kod çözücü kullanılmıştır. BER simülasyonları sonucunda her iki kodda da farklı grafikler gösterilmiştir. LDPC kodları için, yinelemelerin performansı, 10 yinelemeden 20 yinelemeye kadar BER seviyelerinde gözle görülür bir iyileşme sağladı. 20 yineleme ile 30 yineleme arasında büyük bir BER iyileştirmesi görülmedi, bu nedenle çoğu grafik için 20 yineleme uygulandı. LDPC kodları için her iki temel grafik de kullanılmıştır. Buyuk boyutlu blok BG1 ile yarı oran için daha iyi bir performans gösterdi. Oran 2/3 ve 5/6 için oran 2/3, her iki oranda da en iyi sonuçları sağlayan 4096 blok boyutuyla 5/6'ya kıyasla genel olarak daha iyi bir performans sergiledi. Kutupsal kodlara gelince, 256 512 blok boyutu için (successive cancellation )uygulandı ve farklı oranlarda blok boyutu ne kadar düşükse polar kodlar için o kadar iyi sonuçlar elde edildi. 256 512 blok boyutu için 2, 4 ve 8 boyutunda (successive cancellation list) uygulandı, ancak büyük bir gelişme yalnızca 2 boyutundaki bir liste kullanılarak fark edilebilir. Liste 4 ve 8 sırasıyla daha iyi sonuçlara sahipti, ancak liste yükseldikçe daha yüksek yineleme seviyeleri senaryosu BER seviyelerinde o kadar büyük bir gelişme olmadı ve matematiksel işlemlerde harcanan zaman çok büyüdü; bu nedenle, CRC ile farklı oranlarda ardışık iptal için liste boyutu 4 uygulandı. Burada ayrıca blok boyutu ne kadar düşük olursa, genel olarak daha iyi sonuçlar elde edilir. Sonuç figürlerine gore polar kodları düşük blok boyutunda daha iyi bir performans gösterirken. LDPC kodları daha büyük blok boyutlarında daha iyi BER performans göstermiştir. Bu tezde, 5G kodları için BER performansını kontrol etmek için doğrudan düşük kıyı yaklaşımı kullanılmıştır. Bu model diğer kodlara genişletilebilir. Önerilen yaklaşım, kanal için BPSK modülasyonunu ve AWGN'yi kullanmaktadır. Bu kombinasyon, altında simüle edilecek kod için ideal senaryoyu sağlar. Bu yaklaşım, simülasyon cihazının donanım yeteneklerinin bu tür işlemlere izin vermesi, polar kodlar için daha yüksek listelerin oluşması. LDPC kodları için diğer oranlar ve bloklar bakımından aynı konu veya gelecekte önerilecek veya geliştirilecek kodlar için dünya üzerinde ki tüm araştırmacılar tarafından kullanılabilir. Bu yaklaşım, kodun bir iletişim sistemi için en iyi koşullar altında nasıl performans gösterdiğini açıklamadır ve kod performansının erken aşamalardan itibaren kötü olup olmadığını belirli bir oranda mı yoksa bir blok boyutu aralığında mı görebilmenizi sağlamaktadır. Bu sayede karmaşık yüksek QAM modülasyonlarını uygulamaya gerek kalmadan sorunları teşhis edip düzeltme imkanı elde edilmektedir. Tezin amacı bir açıklama sağlamaktır. Bu çalışma, araştırma alanında bir yıldan fazla çalışmayı temsil etmektedir ve diğer yayınlar için referans olarak kullanılabilir.
Özet (Çeviri)
At present, the need for mobile internet keeps increasing every day, especially with the rise of IoT devices, as it's estimated that by the year 2025, there will be more than 5 billion IoT devices connected to the network. For wireless mobile communication, a huge bandwidth is needed to adapt the different rates for different applications. The 5G network will provide lower latency and also achieve higher speeds than previous networks. In 5G wireless communication, both turbo codes and tail-biting convolutional codes failed to meet 5G standards even though they proved their efficiency for the LTE standard. In 5G, a more advanced error correction method is needed for both LDPC codes and polar codes, specifically LDPC codes dealing with data channels and polar codes dealing with control channels. As error correction and detection are the main requirements for 5G wireless communication, the BER performance against the (Eb/NO) performance is really important as you don't want to lose almost any transmitted block. One of the methods used to check BER against EB/NO was to check an un-coded signal under various types of modulation, from BPSK up to 256 QAM; the higher the modulation, the worse the BER against EB/NO performance was getting. With 5G packing more data now, even higher than 256 QAM is possible. A performance test of the codes that are being used in 5G has been simulated here. As is customary, the higher the modulation, the worse the BER against EB/NO. A 5G-NR scenario has been performed using BPSK modulation with an AWGN channel to demonstrate how the codes perform under the best modulation scenario. The 5G standard has been applied to both codes as base graph 1 and base graph 2 have been used for LDPC at different code rates. The same goes for polar as channels are in sequential order from worst to best as specified in the standard. The hardware performance for 5G is very challenging, so a single decoder has been used in both codes, with quantization implemented in both of them. As a result of simulations of BER at both codes, different plots have been shown. For LDPC codes, performance iterations had a noticeable improvement in BER levels starting at 10 iterations to 20 iterations and from 20 to 30 iterations. Not a huge BER improvement was seen, so 20 iterations have been implemented as the main iteration number for most of the graphs. For LDPC codes, both base graphs were used. For rate half, with midsize block BG1, had a better performance; for rates 2/3 and 5/6, rate 2/3 had an overall better performance compared to rate 5/6, with 4096 block size providing the best results in both rates. As for polar codes, successive cancelation was implemented for 256 and 512 block sizes with different rates. The lower the block size, the better the results were obtained for polar codes.
Benzer Tezler
- On polarization adjusted convolutional codes over fading and additive white Gaussian noise channels
Sönümlü ve eklemeli beyaz Gauss gürültü kanalları üzerinde polarizasyon ayarlı evrişimli kodlar
SEYEDSADRA SEYEDMASOUMIAN CHARANDABI
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. TOLGA METE DUMAN
- Polar codes: Performance over fading channels and convergence to reed-muller codes
Kutupsal kodlar: Sönümlemeli kanallarda performans ve Reed-Muller kodlarına yakınsama
IRMAK ÖZVARIŞ
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MELEK DİKER YÜCEL
- 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
- Deep-learning for communication systems: New channel estimation, equalization, and secure transmission solutions
Haberleşme sistemleri için derin öğrenme: Yeni kanal kestirimi, denkleştirme ve güvenli iletim çözümleri
MÜCAHİT GÜMÜŞ
Doktora
İngilizce
2023
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. TOLGA METE DUMAN
- 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