Uzaysal modülasyon sistemleri için fiziksel katman tasarımı
Physical layer desing for spatial modulation systems
Yazar: YUSUF ACAR
Danışman: DOÇ. DR. HAKAN DOĞAN
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2015
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Çok-girişli çok-çıkışlı (MIMO: Multiple-Input Multiple-Output) sistemler  tek verici ve 
tek  alıcı  antenli  sistemlere  göre  kanal  sığası  ve  hata  başarımında  önemli  avantajlar 
sunarak  yeni  nesil  haberleşme  sistemlerinin  standartlarına  girmiştir.  Ancak  MIMO 
sistemlerde antenler arası  ilinti (IAC: Inter-Antenna Correlation), kanallar arası girişim 
(ICI:  Inter-Channel  Interference) ve antenler arası senkronizasyon (IAS:  Inter-Antenna 
Synchronization) gibi başarımı  sınırlayan önemli problemler mevcuttur. Son dönemde 
MIMO  sistemlerde  karşılaşılan  bu  problemleri  çözmek  için  geleneksel  sembol  işaret 
kümelerine  ek  olarak  anten  indisleriyle  de  bilgi  iletmek  temeline  dayanan  uzaysal 
modülasyon  (SM:  Spatial Modulation)  yapısı  önerilmiştir.  SM'nin MIMO  sistemlere 
olan avantajları literatürde ön plana konulmuştur. Oldukça yeni olan ve üzerinde henüz fazla çalışma yapılmamış olan bu konu yeni nesil haberleşme sistemlerinde karşılaşılan 
problemlerin çözümü için oldukça önemlidir. 

SM  sisteminde  iletilecek  semboller,  rastgele  seçilen  verici  antenler  üzerinden MIMO 
kablosuz  kanalla  alıcıya  iletilmektedir.  İletilen  bilgi  hem  M'li  faz  kaydırmalı 
anahtarlama  (M-PSK: M-Phase Shift Keying)  ya da M'li dik genlik modülasyonu  (M-
QAM: M-Quadrature Amplitude Modulation) gibi sinyal işaret kümeleri hem de seçilen 
anten  indisleri  üzerinden  taşınmaktadır.  İletilen  sembol  ve  rastgele  seçilen  anten 
indisinin  alıcıda  eşzamanlı  sezimi  (coherent detection)  için kanal kestirimi  çok büyük 
bir  öneme  sahiptir.  Son  zamanlarda  SM  sistemi  için  kanal  kestirimi,  yenilemeli  en 
küçük  kareler  (RLS:  Recursive  Least  Square)  algoritması  ile  sadece  durağan  (quasi-
static)  sönümlemeli kanallarda  incelenmiştir. Bu  tezde  ise SM  sistemleri  için zamanla 
hızlı  değişen  kanallarda,  yinelemeli  ve  data  sezim  tabanlı  bir  kanal  kestirim  tekniği 
önerilmiştir.  Bir  karşılaştırma  ölçütü  olarak  Bayesian  ortalama  karesel  hata  (MSE: Mean Square Error) sınırı çıkartılmış ve önerilen yaklaşımın başarımı MSE ve bit hata 
oranı (BER: Bit Error Rate) elde edilmiştir. Önerilen yinelemeli kanal kestirim (Iterative 
Channel  Estimation)  tekniğinin  daha  önce  önerilmiş  kanal  kestirim  algoritması  ile 
karşılaştırıldığında  önemli  ölçüde  BER/MSE  başarım  avantajları  sağladığı  bilgisayar 
benzetim sonuçları ile desteklenmiştir. 

Ayrıca son zamanlarda, uzay-zaman blok kodları (STBC: Space-Time Block Code) ve 
SM  yapılarının  birleşimi  olan  STBC-SM  yapısı  MIMO  sistemler  için  önerilmiştir. 
STBC-SM  yapısı  hem  STBC  sembolleri  hem  de  bu  sembollerin  gönderildiği  verici 
antenlerin  indisini kullanarak bilgi  iletimini gerçekleştirmektedir. STBC-SM alıcısında 
kusursuz  kanal  durum  bilgisinin  (P-CSI:  Perfect-Channel  State  Information)  olduğu 
varsayılarak hem uzaysal çeşitleme (spatial diversity) hemde uzaysal çoğullama (spatial 
multiplexing)  kazançları  aynı  anda  elde  edilmiştir.  Pratik  senaryolarda,  STBC-SM 
alıcıları,  iletilen  bilgileri  sezebilmek  için  kanalın  kestirimine  ihtiyaç  duyarlar.  Bu 
yüzden  STBC-SM  sistemlerinin  güvenilir  kablosuz  haberleşmesi  için  kanal  kestirimi 
büyük  bir  engeldir.    Bu  tez  çalışmasında,  STBC-SM'de  kanal  kestirimi  için  gerekli 
sinyal modeli oluşturularak yeni bir çerçeve yapısı önerildi. Daha sonra, STBC-SM için 
kanal  kestirim  problemi  pilot  yardımlı  kanal  kestirim  (PA-CE:  Pilot  Aided-Channel 
Estimation)  teknikleri yardımıyla araştırıldı. Pilot sembollerinin bulunduğu sürelerdeki 
kanal  katsayıları  en  küçük  kareler  (LS:  Least  Squares)  yöntemi  ile  elde  edildi  ve 
ardından  ara  değerleme  yöntemleri  kullanıldı.  Pilot  sembollerindeki  kanal  kestirimi 
STBC-SM  kod  çözücü  kullanılarak  elde  edildi  ve  kanal  ara  değerleme  için  doğrusal (linear) ara değerleme, en yakın komşu (nearest-neigbour) ara değerleme, parçalı kübik 
(piecewise  cubic)  Hermite  ara  değerleme  ve  alçak  geçiren  (low  pass)  ara  değerleme 
yöntemleri  kullanıldı.  Önerilen  kanal  kestirim  tekniklerinin  başarımı,  hızlı  zamanla 
değişen kanallar varlığında gerçekleştirildi ve dik  faz kaydırmalı anahtarlama  (QPSK: 
Quadrature-PSK),  16-QAM  ve  64-QAM  gibi  farklı  modülasyon  teknikleri  kullanılıp 
BER  başarımları  bakımından  karşılaştırıldı.  PA-CE  yönteminde  alçak  geçiren  ara 
değerleme  tekniğinin  kullanılması  ile  diğer  yöntemlere  göre  oldukça  iyi  BER/MSE 
başarımı  sağladığı  gösterildi. Ayrıca,  STBC-SM  yapısının  çiftsel  hata  olasılığı  (PEP: 
Pairwaise Error Probability) çıkartılarak kanal kestirim hataları varlığında ortalama bit 
hata olasılığı (ABEP: Average Error Probability) analitik olarak hesaplandı. Daha sonra 
bilgisayar  benzetimleri  ile  elde  edilen  PA-CE  tekniklerinin  başarımı  kuramsal 
sonuçlarla karşılaştırıldı.

Abstract:
Multiple-output multiple-input  (MIMO)  systems which  provide  a  significant  capacity 
gain  and  error  performance  over  conventional  single  antenna  systems  have  been 
considered  as  standard  techniques  for  new  generation  communication  systems. 
However,  some  practical  problems  such  as  inter-antenna  correlation  (IAC),  inter-
channel  interference  (ICI)  and  inter-antenna  synchronization  (IAS)  restrict  the 
performance of MIMO systems. Spatial Modulation (SM) based on  the use of antenna 
indices to transmit information in addition to the conventional signal constellations has 
been  recently  proposed  to  solve  practical  problems. Advantages  of  SM  systems  over 
traditional  MIMO  are  investigated  in  the  literature.    This  new  research  area  has 
opportunities for addressing problems in new generation communication systems.  

In SM system,  the data symbols are  transmitted by a randomly selected active antenna 
of a MIMO  transmitter  to  the  receiver  through a wireless channel. The  information  is 
carried both by the data symbol from any signal constellation such as M-ary phase shift keying  (M-PSK)  or M-ary  quadrature  amplitude modulation  (M-QAM),  as well  as  by 
the  index  of  the  selected  antenna.  The  channel  estimation  is  a  critical  process  at  the 
receiver during the coherent detection of the transmitted symbol and the antenna index, 
randomly  selected.  Recently,  the  channel  estimation  of  channel  for  SM  systems  has 
been  investigated  by  the  recursive  least  square  (RLS)  algorithm  for  only  quasi-static 
fading channels.  In  this  thesis, a novel channel estimation  is proposed for SM systems 
in  the  presence  of  rapidly  time-varying  channels.  The  Bayesian  mean  square  error 
(MSE) bound has been  derived  as  a benchmark  and  the performance of  the proposed 
approaches are studied in terms of MSE and bit error rate (BER). Computer simulation 
results  have  conﬁrmed  that  the  proposed  iterative  channel  estimation  technique  has 
signiﬁcant  BER/MSE  performance  advantages  compared  with  existing  channel 
estimation algorithm proposed earlier in the literature. 

Moreover, the combination of space-time block coding (STBC) and SM (STBC-SM) is 
recently proposed  for MIMO  systems  to obtain  both  spatial diversity  gain  and  spatial 
multiplexing gain simultaneously while assuming perfect channel state  information (P-
CSI)  is  available  at  the  receiver.  In  the STBC-SM  systems,  the  information  is  carried 
both by STBC symbols and indices of the transmit antennas from which these symbols 
are  transmitted.  In  practical  scenarios,  STBC-SM  receivers  require  the  estimation  of 
CSI to be able to detect  the transmitted information. Therefore, channel estimation is a 
major  challenge  for  reliable wireless  transmissions  of  the  STBC-SM  systems.  In  this 
thesis,  we  address  and  investigate  the  problem  of  channel  estimation  for  STBC-SM 
systems  by  means  of  the  pilot-aided  channel  estimation  (PA-CE)  techniques.  The 
estimation of channel at pilot durations  is done by  least squares (LS) method and  then 
the channel interpolation is performed. Estimation of the channel at the pilot symbols is 
based  on  the  STBC-SM  decoder while  the  channel  interpolation  is  done  using  either 
linear  interpolation,  nearest  neighbor  interpolation,  piecewise  cubic  Hermite 
interpolation  or  low-pass  interpolation.  The  performance  of  all  channel  estimation 
techniques  operating  in  the  presence  of  rapidly  time  varying  channels,  are  compared with  each  other  in  terms  of BER with  different modulation  types  such  as QPSK,  16-
QAM  and  64-QAM.  It  has  been  shown  that  the  PA-CE  with  low-pass  interpolation 
techique performs the best among all the channel estimation technique because it allows 
tracking  the  fast  fading  channel  very  efficiently  as  the MSE  between  the  interpolated points and  their original values  is minimized. Moreover,  the pairwise error probability 
(BEP) of the STBC-SM scheme is derived and its average bit error probability (ABEP) 
is  evaluated  analytically  in  the  presence  of  channel  estimation  errors  and  then  the 
performance of PA-CE  techniques obtained by computer simulations are compared by 
the theoretical results.