Beşinci nesil dalga formu adaylarında zeki optimizasyon teknikleriyle tepe gücü/ortalama güç oranının düşürülmesi
Peak-to-average power ratio reduction using intelligent optimization techniques in the fifth generation waveform candidates
Yazar: ŞAKİR ŞİMŞİR
Danışman: PROF. DR. NECMİ TAŞPINAR
Erciyes Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Çok taşıyıcılı iletişim teknikleri, kablosuz haberleşmede karşılaşılan en temel problem olarak bilinen çok yollu sönümlemenin ortadan kaldırılmasına imkân tanımaları nedeniyle haberleşme sistemlerinde sıklıkla tercih edilmektedir. Halen dördüncü nesil (4G) haberleşme teknolojisinde etkin bir şekilde kullanılan dikgen frekans bölmeli çoğullama (OFDM), zaman ve frekans kaymalarına karşı olan hassasiyeti, bant dışı emisyon fazlalığı ve döngüsel önek uygulaması sonucu artan spektrum kullanımı gibi çeşitli zayıf yönlere sahiptir. OFDM dalga formunun sahip olduğu zayıflıklar dikkate alınarak, filtre bankası çoklu taşıyıcı (FBMC), evrensel filtreli çoklu taşıyıcı (UFMC), ağırlıklı örtüştürme ve ekleme – OFDM (WOLA-OFDM), genelleştirilmiş frekans bölmeli çoğullama (GFDM) ve filtrelenmiş – OFDM (f-OFDM) gibi beşinci nesil (5G) ve ötesi haberleşme teknolojilerinde kullanılmaya aday çok taşıyıcılı yeni dalga formları geliştirilmiştir. OFDM dalga formuna göre daha gelişmiş özelliklere sahip olan 5G dalga formu adaylarında, diğer çok taşıyıcılı sistemlerde olduğu gibi, taşıyıcıların üst üste binmeleri sonucu anlık güç yükselmeleri meydana gelmektedir. Bu da iletilen sinyallerin yüksek tepe gücü/ortalama güç oranına (PAPR) sahip olmasına sebep olmaktadır. Yüksek PAPR değerine sahip işaretlerin, vericide kullanılan kuvvetlendiricileri doğrusal çalışma aralığı dışına çıkmaya zorlaması sebebiyle, iletilen sinyalde bozulma meydana gelmekte ve bunun sonucunda da sistem performansı düşmektedir. Bu sebeple, 5G dalga formu adaylarının yeni nesil haberleşme sistemlerinde etkin bir şekilde kullanılabilmesi için PAPR değerlerinin düşürülmesi gerekmektedir. Çok taşıyıcılı sistemler için literatürde çeşitli klasik PAPR düşürme yöntemleri önerilmiştir. Bu yöntemler arasında en çok tercih edilenleri, bozunumsuz PAPR düşürme yetenekleri ve modifikasyona oldukça müsait yapıları sebebiyle kısmi iletim dizisi (PTS) ve seçici eşleme (SLM) yöntemleridir. Bu tez çalışmasında, mevcut 5G dalga formu adaylarından WOLA-OFDM, UFMC ve GFDM dalga formundan kısa bir süre sonra önerilmiş olan düşük karmaşıklı – GFDM (LC-GFDM) için, PTS ve SLM teknikleri modifiye edilerek daha yüksek performansa sahip çeşitli yeni PAPR düşürme stratejileri geliştirilmiştir: WOLA-OFDM için çift sembol optimizasyon (DSO) tabanlı PTS (DSO-PTS) ve DSO-SLM isimli iki yeni klasik PAPR düşürme yöntemi geliştirilmiştir. Aynı şekilde bu kez LC-GFDM dalga formuna özgü birikimli sembol optimizasyon (CSO) tabanlı PTS (CSO-PTS) ve CSO-SLM olarak adlandırılan iki klasik yöntem daha geliştirilmiştir. UFMC dalga formu için ise, çeşitli zeki optimizasyon tekniklerinin PTS ve SLM metotlarına entegrasyonu sonucu toplam altı farklı zeki optimizasyon tabanlı PAPR düşürme stratejisi geliştirilmiştir. Bunlar sırasıyla ayrık fil sürüsü optimizasyonu tabanlı PTS (DEHO-PTS), ayrık karga arama algoritması tabanlı PTS (DCSA-PTS), ayrık istilacı ot optimizasyonu tabanlı PTS (DIWO-PTS), göçmen kuş optimizasyonu tabanlı SLM (MBO-SLM), ayrık guguk kuşu arama tabanlı SLM (DCS-SLM) ve ayrık orman optimizasyon algoritması tabanlı SLM (DFOA-SLM) stratejileridir. Söz konusu PAPR düşürme stratejilerinde faz optimizatörü olarak kullanılan zeki optimizasyon tekniklerinden DEHO, DCSA, DIWO ve DCS algoritmaları, orijinal EHO, CSA, IWO ve CS algoritmalarının yeni birer ayrık versiyonlarıdır ve her biri bu tez çalışmasında geliştirilmiştir. Böylelikle başlangıçta sürekli optimizasyon problemleri için önerilmiş olan bu dört farklı algoritmayı, ayrık faz optimizasyonu probleminin çözümünde de kullanmak mümkün hale gelmiştir. Bu tez çalışmasında geliştirilmiş olan hem klasik hem de zeki optimizasyon tabanlı PAPR düşürme teknikleri, PAPR düşürme performansları ve uygulandıkları dalga formunun güç spektral yoğunluğu ile bit hata oranı performansı üzerindeki etkileri bakımından incelenmiştir. Yapılan simülasyon çalışmalarında, önerilen PAPR düşürme yöntemlerinin, geleneksel PTS ve SLM performansında önemli iyileşmeler sağladığı gözlemlenmiştir.

Abstract:
Multicarrier transmission techniques are preferred frequently in communication systems because of making it possible to eliminate the multipath fading that is known as the main problem encountered in wireless communication. Orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) waveform still utilized actively in the fourth generation (4G) communication technology has various weak points such as the sensitivity to the time and frequency offsets, the excess of out-of-band emission and growing spectrum usage in consequence of cyclic prefix implementation. Considering the weaknesses that OFDM waveform has, the new multicarrier waveforms such as filter bank multicarrier (FBMC), universal filtered multicarrier (UFMC), weighted overlap and add – OFDM (WOLA-OFDM), generalized frequency division multiplexing (GFDM) and filtered – OFDM (f-OFDM), which are the candidates for being employed in the fifth generation (5G) and beyond telecommunication technologies, were developed. In the 5G waveform candidates possessing more advanced features compared to the OFDM waveform, as in the other multicarrier systems, instant power escalations happen in consequence of the superposition of subcarriers. These power escalations cause the transmitted signals to have high peak-to-average power ratio (PAPR). For the reason that the signals with high PAPR values push the amplifiers employed at the transmitter to exceed the linear working range, the transmitted signal undergoes the degradation and in consequence of this, the system performance decreases. Therefore, to be able to use the 5G waveform candidates effectively in the next generation communication systems, their PAPR values need to be reduced. Various classical PAPR reduction methods were proposed for multicarrier systems in the literature. The most preferred ones among these methods are the partial transmit sequence (PTS) and selective mapping (SLM) techniques due to their distortionless PAPR reduction capabilities and quite suitable structures for modification. In this thesis, various new PAPR reduction strategies with higher performances have been developed by modifying the PTS and SLM techniques for WOLA-OFDM, UFMC and low complex – GFDM (LC-GFDM), which was proposed shortly after the GFDM waveform, included in the existing 5G waveform candidates: Two new classical PAPR reduction methods called dual symbol optimization (DSO)-based PTS (DSO-PTS) and DSO-SLM have been developed for the WOLA-OFDM. Likewise, two more classical methods named as cumulative symbol optimization (CSO)-based PTS (CSO-PTS) and CSO-SLM, both of which are peculiar to LC-GFDM waveform, have been developed. For the UFMC waveform, six different intelligent optimization-based PAPR reduction strategies have been developed in total as a result of the integration of various intelligent optimization techniques to the PTS and SLM methods. These are the strategies of discrete elephant herding optimization-based PTS (DEHO-PTS), discrete crow search algorithm-based PTS (DCSA-PTS), discrete invasive weed optimization-based PTS (DIWO-PTS), migrating birds optimization-based SLM (MBO-SLM), discrete cuckoo search-based SLM (DCS-SLM) and discrete forest optimization algorithm-based SLM (DFOA-SLM), respectively. DEHO, DCSA, DIWO and DCS algorithms included in the intelligent optimization techniques utilized as a phase optimizer in the aforementioned PAPR reduction strategies are the new discrete versions of the original EHO, CSA, IWO and CS, and each one has been developed in this thesis. Thus, it has become possible to utilize these four different algorithms, which were initially proposed for the continuous optimization problems, in solving the discrete phase optimization problem. Both the classical and intelligent optimization-based PAPR reduction techniques developed in this thesis have been analyzed with regard to their PAPR reduction performances together with their effects on the power spectral density and bit error rate achievements of the waveforms to which they are applied. In the simulation studies, it has been observed that the proposed PAPR reduction strategies ensure significant improvements in the conventional PTS and SLM performances.