Çok-girişli çok-çıkışlı sistemler için gelişmiş uzaysal modülasyon teknikleri
Advanced spatial modulation techniques for multiple-input multiple-output wireless communication systems
Yazar: ERTUĞRUL BAŞAR
Danışman: PROF. DR. ÜMİT AYGÖLÜ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Telekomünikasyon Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2013
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Bu çalışmada ilk olarak uzaysal modülasyon (SM) ile uzay-zaman blok kodlama birleştirilerek uzay-zaman blok kodlamalı uzaysal modülasyon (STBC-SM) olarak adlandırılan yeni bir teknik önerilmiştir. Bu sistemde bilgi, ilişkin çok-girişli çok-çıkışlı (MIMO) sistemin antenlerinin değişik kombinasyonları üzerinden iletilen bir STBC matrisi ile taşınmaktadır. Bilgisayar benzetimleri sonucu STBC-SM yapısının klasik SM'ye, uzaysal çoğullamaya ve Alamouti koduna göre oldukça iyi hata başarımı sağladığı gösterilmiştir. STBC-SM yapısının önerilmesinin ardından, bu yapıyı bir aşama daha ileriye taşıyarak, çeşitleme kazancının yanı sıra ek kodlama kazançları da elde etmek için SM ile kafes kodlamayı doğrudan birleştiren ve kafes kodlamalı uzaysal modülasyon (SM-TC) olarak adlandırılan optimum bir kafes kodlamalı SM sistemi önerilmiştir. Bilgi bitlerinin önce bir kafes kodlayıcıdan geçirilerek SM eşleyiciye uygulandığı bu MIMO iletim sisteminde kafes kodlamalı modülasyon tekniğinden esinlenerek kafes kodlayıcı ve SM eşleyici birlikte tasarlanmıştır. Bilgisayar benzetimleri ile önerilen sistemlerin uzay-zaman kafes kodlardan ve literatürde önceden önerilen kafes kodlamalı SM yapısından hem ilişkisiz hem de ilişkili kanallarda daha iyi hata başarımı sağladığı gösterilmiştir.  Bu çalışmada üstün-dik kafes kodlamalı uzaysal modülasyon (SOTC-SM) olarak adlandırılan yeni bir kafes kod türü de önerilmiştir. Bu yapıda, STBC-SM matrislerine küme bölmeleme tekniği uygulanarak STBC-SM kafes kodlama ile birleştirilmiştir. Bilgisayar benzetimleri sonucu önerilen yapıların üstün-dik uzay-zaman kafes kodlardan ve SM-TC yapılarından daha iyi hata başarımı sağladıkları gösterilmiştir.  Son olarak SM sisteminin hata başarımı kanal kestirim hataları altında incelenmiştir. Bu amaçla SM sistemin kusurlu kanal durum bilgisi için çiftsel hata olasılığı çıkarımları yapılmış, kanal kestirim hataları durumuna ilişkin kanal modeli verilmiş, ardından ortalama bit hata olasılığı hesaplanmıştır.

Abstract:
In this study, by combining spatial modulation (SM) and space-time block coding, a novel technique called space-time block coded spatial modulation (STBC-SM) is proposed. In this scheme, the information is conveyed with an STBC matrix that is transmitted from combinations of the transmit antennas of the corresponding multiple-input multiple-output (MIMO) system. It is shown by computer simulations that the proposed scheme achieves better error performance than the classical SM, spatial multiplexing and Alamouti?s code. In order to obtain additional coding gains besides the diversity advantage of the proposed STBC-SM scheme, a new optimum trellis coded SM scheme called spatial modulation with trellis coding (SM-TC), which directly combines SM and trellis coding, is proposed. In this MIMO transmission scheme, information bits are applied to the SM mapper after trellis coding and similar to the conventional trellis coded modulation, the trellis encoder and the SM mapper are jointly designed. It is shown by computer simulations that the proposed scheme achieves better error performance than space-time trellis codes and the trellis coded SM scheme given in the literature under both uncorrelated and correlated channel conditions. In this study, a new trellis code named super-orthogonal trellis coded spatial modulation (SOTC-SM) is also proposed. In this scheme, using the principle of set partitioning for STBC-SM matrices, STBC-SM is combined with trellis coding. It is shown by computer simulations that the proposed scheme achieve better error performance than super-orthogonal space-time trellis codes and the SM-TC scheme. Finally, the error performance of SM is investigated under channel estimation errors. For this purpose, the pairwise error probability of SM is derived for imperfect channel knowledge, the corresponding channel model is given, and then the average bit error probability is calculated.