Verici çeşitlemeli OFDM sistemleri için turbo alıcı yapıları
Turbo receiver structures for transmit diversity-OFDM systems
Yazar: HAKAN DOĞAN
Danışman: PROF.DR. HAKAN ALİ ÇIRPAN
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2007
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Kanal denkleştirme = Channel equalization ; Kanal kestirimi = Channel estimation ; OFDM = Orthogonal frequency division multiplexing ; Turbo kodlama = Turbo coding ; Uzay-frekans kodlama = Space-frequency coding

Özet:
Bu tezde, frekans seçici kanallarda dış kanal kodlayıcı tarafından kodlanmış vericiçeşitlemeli dikgen frekans bölüşümlü çoğullama (OFDM) sistemleri için en büyüksonsal (MAP) kanal kestirim işlemi, ?Beklenti-En Büyükleme (EM)? algoritmasıylagerçekleştirilmiştir. Çalışmayı iki bölüme ayırmak mümkündür. Birinci bölümdekanalda meydana gelen sönümleme etkisini ortadan kaldırmak için önerilen vericiçeşitleme yöntemleri olan Uzay/zaman ve Uzay/frekans blok kodları açıklanarak busistemlerin OFDM sistemleriyle bütünleştirilmesi anlatılmıştır. Daha sonra sistemingenel başarımının artması için dış kanal kodlayıcının kullanılması önerilmiş ve önerilenverici yapısında dış kodlayıcı olarak kullanılan turbo ve konvolüsyonel kodlayıcılarkısaca anlatılmıştır. Böylece önerilen verici yapıları Turbo/Katlamalı kodlanmış STBCOFDMve Turbo/Katlamalı kodlanmış SFBC-OFDM olarak ifade edilmiş ve busistemlerin sinyal modelleri verilmiştir.Çalışmanın ikinci bölümünde önerilen verici yapıları için yinelemeli kanal kestiriminedayalı alıcı yapısı tasarlanmıştır. Bu kısımda alıcıda MAP kanal kestirimi, EMalgoritması yardımıyla gerçekleştirilmiştir. Bu algoritmanın kullanılabilmesi için ayrıkçok yollu kanalın gösterimi Karhunen-Loeve (KL) açılımı ile ifade edilmiştir. Böylecealgoritma, EM metodunu kullanarak ilişkisiz karmaşık açılım katsayılarını gelenekselyöntemlerden farklı olarak matris tersi almaksızın gerçekleştirebilmektedir. Ayrıca,algoritmada mevcut olan açılım katsayılarından belli bir kısmının kullanılmasıylasistemin karmaşıklığının azaltılabildiği gösterilmiştir. Diğer taraftan, önerilen kanalkestiriminin başarımının incelenmesi için Cramer-Rao sınırı analitik olarak türetilmiş vekullanılan dış kodlayıcı için iletilen sembollere ait Logaritma olasılık oranı (LLR)hesaplama denklemleri verilmiştir.Son olarak önerilen sistemlerin bilgisayar benzetimleri yapılarak başarımları kanalkestirim hatasını gösteren ortalama karesel hata (MSE) ve bit hata oranı (BER) olarakçeşitli sistem parametreleri için incelenmiştir. Yapılan bilgisayar çalışmalarındaönerilen kanal kestirim algoritmasının daha önce önerilen geleneksel kanal kestirimalgoritmalarına göre üstünlüğü gösterilmiş ve önerilen alıcı yapısı için turbo kodlanmışsistemlerin kanal kestirim hatalarına duyarlılığının daha fazla olduğu gösterilmiştir.Ayrıca yüksek Doppler değerleri için turbo kodlanmış SFBC-OFDM sistemlerin turbokodlanmış STBC-OFDM sistemlerinden üstün olduğu gösterilmiştir.

Abstract:
We consider the design of turbo receiver structures for transmit diversity OFDMsystems in the presence of unknown frequency and time selective fading channels. Byusing extrinsic information of the transmitted symbols, both the channel estimation andthe decoding process can be improved. The turbo structure performs an iterativeestimation of the channel according to the MAP criterion, using the EM algorithmemploying MPSK modulation scheme. The Turbo receiver structures for transmitdiversity-OFDM systems under consideration consists of an iterative MAPExpectation/Maximization (EM) channel estimation algorithm, soft MMSE-SFBCdecoder and a soft MAP outer-channel-code decoder. MAP-EM employs iterativechannel estimation and it improves receiver performance by estimating of the channelafter each decoder iteration. Moreover, the MAP-EM approach considers the channelvariations as random processes and applies the Karhunen-Loeve (KL) orthogonal seriesexpansion. The optimal truncation property of the KL expansion can reducecomputational load on the iterative estimation approach.The performance merits of our channel estimation algorithm are confirmed bycorroborating computer simulations in terms of mean square error and bit-error rate. It isobserved that the proposed EM-MAP significantly outperforms the EM-ML as well asPSAM techniques. Through computer simulations, the effect of a pilot spacing on thechannel estimator performance and sensitivity to channel estimation errors of turboreceivers are investigated for turbo/convolutionally coded transmit diversity-OFDMsystems. Simulation results illustrate that turbo codes are more sensitive to channelparameter estimation errors than the convolutional coded systems. It has been shownthat receiver with turbo codes performs well over the convolutional receiver structurewhen the quality of the channel estimation performance is high. Moreover, superiorityof the turbo coded SFBC-OFDM systems over the turbo coded STBC-OFDM systemsis observed especially for high Doppler frequencies.