MIMO kanalları için huzme şekillendirme yardımlı yeni sembol algılama algoritmaları
Beamforming assisted new symbol detection algorithms for MIMO channels
Yazar: İLHAMİ GÖZCÜ
Danışman: YRD. DOÇ. DR. MESUT KARTAL
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Telekomünikasyon Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2009
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Son yıllarda kablosuz haberleşme sistemleriyle ilgili yapılan araştırmalar verici ve alıcı olarak çoklu anten sistemlerinin kullanılmasının tekli anten sitemlerine göre çok daha yüksek hızlarda veri iletim olanağı sağladığını, elde edilebilen kuramsal bilgi kapasitesinin de anten dizilerindeki eleman sayısıyla birlikte arttığını göstermiştir. Çok yollu ortamlar için bu faydaları elde edebilmek amacıyla hem alıcı hem de verici kısımlarda çoklu anten dizileri kullanılarak MIMO kanalları oluşturulmuş ve sistem performansı arttırılmak istenmiştir.Literatürde MIMO kanallarının sağlamış olduğu yüksek spektral verimi ortaya çıkarabilmek amacıyla bir takım MIMO algılama algoritmaları sunulmuştur. Bu algoritmalara ZF (Zero Force), LLSE (Linear Least Squares Estimation), V-Blast/ZF, V-Blast/LLSE örnek gösterilebilirler.Bu tez çalışmasında, MIMO kanalların sağlamış olduğu yüksek spektral verimi ortaya çıkarabilmek amacıyla ZF ve LLSE alıcılar için Capon huzme şekillendirme yöntemi temelli yeni sembol algılama algoritmaları sunulmakta ve bilinen ZF ve LLSE alıcı algoritmalarıyla karşılaştırılmaktadır. Sunulan algoritmalar karmaşıklık olarak daha yüksekte olmakla beraber, ZF alıcılar için hem SER performansı hem de alıcı çıkışında elde edilen SNR değeri bakımından literatürdeki ZF alıcılardan daha iyi sonuçlar vermektedir. Ancak LLSE alıcılar için Capon huzme şekillendirme yöntemi ZF alcılarda olduğu gibi hem SER performansı hem de alıcı çıkışında elde edilen SNR değeri bakımından ZF alıcılarda olduğu gibi verimli olmamaktadır.Bu çalışma kapsamında ele alınan MIMO kanalının kolaylık olması açısından düz sönümlemeli olduğu kabul edilmiştir. M verici anten ve N alıcı antenden oluşan MIMO kanalı için matris transfer fonksiyonu HNxM, Gauss dağılımlı sıfır ortalamalı ve birim varyanslı kompleks elemanlardan oluşmaktadır. Sistemdeki toplamsal gürültü bileşeni ise sıfır ortalamalı, N0 varyanslı bağımsız ve özdeş dağılımlı (IID) elemanlardan oluşmaktadır. Ele alınan sistemde vericinin kanal durum bilgisine (CSI) sahip olmadığı ancak alıcının kanal matris transfer fonksiyonunu kusursuz bir şekilde bildiği kabul edilmiştir.Önerdiğimiz algoritmaya göre, alıcı her bir ayrı verici anten tarafından iletilen veri için ilk önce Capon huzme şekillendirme algoritması kullanarak bir ağırlık vektörü oluşturur. Daha sonra bu ağırlık vektörünün yardımıyla alıcı tarafından elde edilen işaret ve kanal transfer fonksiyonları yeniden şekillendirilir. Bu noktada yeniden şekillenmiş olan verilere bilinen alıcı algoritmalarından birisi uygulanarak verici anten tarafından iletilen veri elde edilmeye çalışılır. Bu işlem her bir verici antenden iletilen veri için tekrarlanarak anten dizisi tarafından iletilen verinin tamamı elde edilir.Öne sürülen algoritmalar alıcıların karmaşıklık seviyesini arttırmakla beraber ZF alcılar için olukça verimli olmaktadır ve alıcının hem SER performansını hem de MIMO sistemin kanal kapasitesini arttırmaktadır. Ancak LLSE alıcılarda ZF alıcılarda olduğu gibi belirgin bir performans farkı yaratamamaktadır. SER performansı olarak az da olsa iyileştirme sağlanmasına rağmen MIMO kanal kapasitesi bakımından daha düşük değerler elde edilmektedir.

Abstract:
Recent research on wireless communication systems has shown that using multiple antennas at both transmitter and receiver offers the possibility of wireless communication at higher data rates compared to single antenna systems and achievable information-theoretic channel capacity is increased with the number of array antenna elements. In rich multipath environments, multiple transmit and receive antennas are installed at both transmitters and receivers to construct multiple-input multiple-output (MIMO) channels in order to use these advantages.Some special detection algorithms have already been proposed in order to exploit thehigh spectral efficiency offered by MIMO channels. ZF (Zero Force), LLSE (Linear Least Squares Estimation), V-Blast/ZF, V-Blast/LLSE algorithms are some of the general algorithm which have been used for years.In this thesis, beamforming assisted new symbol detection algorithms are proposed for ZF and LLSE receivers to exploit the the efficiency of the MIMO channels and compared to the above mentioned existing detection algorithms. With the increased complexity, the algorithms those we propose offer better SER (Symbol Error Rate) performance and better output SNR (Signal to Noise Ratio) values for ZF receiver when it is compared to pure ZF detection algorithm. However, for LLSE receiver, the proposed algorithms does not offer a significant efficiency neither for SER performance nor for the output SNR of the receiver.During this study, for the simplicity flat fading is assumed for the MIMO channel. The matrix channel transfer function HNxM of the MIMO channel with M transmit and N receive antennas has complex Gaussian elements with zero mean and unit variance. The additive noise is a Gaussian vector which has IID (independent and identically distrubuted) elements with zero mean and N0 variance. It is also asumed that the transmitter does not have any CSI (channel state information) while the receiver has perfect knowledge of the channel matrix transfer function.As per the proposed algorithms, the receiver firstly creates a weight vector by using Capon beamforming algorithm for the data transmitted from each single transmitt antenna. Then the received signal at the recevier and the channel transfer function are re-formed by using the weight vector which is calculated in the first step. At this point, one of the receiver algorithms (ZF, LLSE, etc. ) is applied to the new re-formed data and the original transmitted data is estimated. This is a recursive process and is applied for each data stream transmitted by each single transmit antenna.Although the proposed algorithms in this thesis increase the complexity of the receivers, they offer beter SER performance for the receiver and increased MIMO channel capacity for the system when it is combined with ZF receiver. However, they does not offer a significant improvement for the LLSE receivers. Even though the SER performance is increased a little bit by the new algorithms, the achieved MIMO channel capacity of the system is decreased unlike for the ZF receiver.