Analitik modelleme ve bilgisayar benzetimi ile gezgin iletim kanal değişkenlerinin çt-kbçe sistem başarımına etkisinin incelenmesi
Investigating effect of wireless channel parameters on mc-cdma system performance via using analytical modelling and computer simulation
Yazar: ÇETİN KURNAZ
Danışman: YRD. DOÇ. DR. HÜLYA GÖKALP
Ondokuz Mayıs Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2009
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Çok taşıyıcılı modülasyon = Multicarrier modulation

Özet:
Yüksek veri hızlarındaki gezgin iletişim hizmetlerine olan talebin artması iletim bandını etkin kullanan çok taşıyıcılı iletişime olan ilgiyi de beraberinde getirmiştir. Çok taşıyıcılı kod bölmeli çoklu erişim (ÇT-KBÇE) bina dışı ortamlardaki frekans seçici sönümlenmelere karşı dayanıklı olduğundan yüksek veri hızlarını destekleyen sistemler için çoklu erişim tekniği olarak düşünülmektedir. ÇT-KBÇE frekans çeşitliliğinden yararlanmasına rağmen sistem başarımı frekans seçicici kanal tarafından kısıtlanmaktadır. Frekans seçici kanalın etkisi çok sayıda alt taşıyıcı ve geniş tampon zamanı kullanımı ile azaltılabilir. Çok sayıda alt taşıyıcı kullanıldığında tepe gücünün ortalama güce oranı (TOGO) büyür, geniş tampon zamanı için ise tayfsal verimlilik düşer ve tampon zamanı kullanım kayıpları artar. Dolayısıyla ÇT-KBÇE sistem verimliliğini ve kapasitesini artırmak için; frekans seçici kanalın ÇT-KBÇE sistem başarımına etkisi belirlenmelidir.Bu çalışmada gezgin iletim kanalının ÇT-KBÇE sistem başarımına etkisi benzetimsel ve kuramsal olarak incelendi. Kanalın tutarlı bant genişliği (BT) ile etkin yankı gecikmesinin ( ? etkin) ters orantılı olduğu varsayılmaktadır. Son yıllarda yapılan çalışmalar, bu iki kanal değişkeni arasında kesin bir bağıntı olmadığı yönündedir. Bu ise ? etkin değeri kullanılarak kanalın tutarlı bant genişliğinin kesin olarak belirlenemeyeceği anlamına gelir. Bu çalışmada ? etkin ya da BT değişkenlerinden hangisinin ÇT-KBÇE sistemi için kanal özelliklerini en iyi yansıttığı araştırıldı. Ayrıca, hangi ilinti katsayısı için olan değerinin sistem başarımı ile ilişkilendirilebileceği incelendi.Aşağı hat ÇT-KBÇE sistem başarım değerlendirmesi bina dışı ortamlarda ölçülen, üstel olarak azalmayan, büyük yankı gecikmeli ve Doppler kaymalı gerçek kanal verileri kullanılarak yapıldı. ÇT-KBÇE sistem başarımına alt taşıyıcı sayısının, kullanıcı sayısının, iletim bant genişliğinin ve tampon zamanının etkisi incelendi.Gerekli alt taşıyıcı sayısı ile ilişkilendirildiğinde; frekans ilinti katsayısının 0.5 değerinin ÇT-KBÇE sistemi için kanal özelliklerini yansıtmadığı, 0.9 ve 0.75 değerlerinin ise kanal özelliklerini daha iyi yansıttığı görüldü. 0.9 ilinti katsayılı tutarlı bant genişliğinin (BT,0.9) gerekli alt taşıyıcı sayısı için kanal özelliklerini en iyi gösterdi.Alıcıya geç ulaşan yankı bileşenleri ? etkin değerini artırmasına rağmen çoklu erişim girişimine (ÇEG) katkıları azdır. Frekans seçiciliğinin yüksek olduğu kanallarda başarım ÇEG nedeniyle düşer. Genellikle güçlü yankı bileşeninin olması sonucunda geniş BT,0.5 değeri elde edilir. Benzetim sonuçlarından BT,0.5 değerinin çoklu erişim girişiminin şiddetini belirlemede kullanılabileceği görüldü.İletim bant genişliğinin sistem başarımına etkisi incelendiğinde; düşük frekans seçiciliğindeki kanallar için sistem başarımının iletim bant genişliğine bağlı olmadığı görüldü. Yüksek frekans seçiciliğindeki kanallar için ise, bir alıcı-verici konumunda bile sistem başarımının kullanılan frekans aralığına bağlı olarak değişebileceği görüldü.Son olarak tampon zamanının ÇT-KBÇE sistem başarımına etkisi incelendi. Sinyal-gücü gürültü-gücü oranındaki (SGO) değişim bağıntısı türetildi. SGO'daki kötüleşmeyi en az yapan tampon zamanı en uygun tampon zamanını olarak belirlendi. 20 dB'lik Eb/N0 değeri için bulunan en uygun tampon zamanının [3 ? etkin - 6 ? etkin] arasında değiştiği görüldü. Kullanılan Eb/N0 değerine bağlı olarak toplam yankı gücünün belirli bir yüzdesini içeren yankı güç pencere genişliği kabul edilebilir tampon zamanı olarak belirlendi. 10 ve 20 dB'lik Eb/N0 değeri için toplam yankı gücünün sırasıyla %95 ve %99'unu içeren yankı güç pencere genişliğinin en uygun tampon zamanı olarak kullanılabileceği vargısına ulaşıldı.

Abstract:
With the rapid growth in the demand for high data rates for mobile communications services multicarrier transmission has gained increasing popularity. Multi carrier CDMA (MC-CDMA) is among the techniques considered for such high data rate systems due to its capability for supporting wireless communication in outdoor environments with diverse frequency selective fading. Although an MC-CDMA system can exploit frequency diversity through transmitting the chips of a symbol over multiple subcarriers, its performance is prone to frequency selectivity of the channel. In order to alleviate the effect of frequency selectivity, an increased number of subcarriers and longer guard intervals can be used. However, the price paid for a higher number of subcarriers is low power efficiency; and that for a longer guard interval is a loss in bandwidth and power efficiencies. In order to increase the MC-CDMA system efficiency and capacity, a through understanding of the effect of the channel frequency selectivity on the MC-CDMA system performance is essential.This thesis investigates the effect of frequency selectivity of the wireless channel on the performance of MC-CDMA system via theoretical analysis and computer simulation. It has been assumed that channel coherence bandwidth is inversely proportional to the root-mean-square (rms) delay spread, , however, recent work using channel modeling has shown that there is no exact relationship between and the coherence bandwidth (Bc). This work investigates whether ? rms or Bc better represents the channel properties for MC-CDMA systems.The performance analysis of the downlink in MC-CDMA systems was undertaken on channel data previously measured in an outdoor environment. The channel profiles used included channels with large delay spread and Doppler shift, and with non-exponentially decaying profile. The effect of transmission bandwidth, number of users, number of sub-carriers and guard interval on system performance was analyzed.The work shows that the coherence bandwidth for correlation levels of 0.75 (i.e., Bc,0.75) or 0.9 (Bc,0.9) can be used to predict the required number of subcarriers, whereas reducing to correlation level of 0.5, i.e., Bc,0.5, no longer was able to reflect the channels properties for MC-CDMA system. It can, therefore, be concluded that, in terms of required number of subcarriers, Bc,0.9 better reflects the properties of the channel.Presence of a dominant path, irrespective of its excess delay, alleviated the effect of multiple access interference (MAI). The performance decrease due to MAI was significant for highly frequency selective channels. The simulation results showed that the value of Bc,0.5 may be used as a measure of the severity of the multiple access interference.Analysis of the effect of transmission bandwidth on system performance showed that in the case of low frequency selectivity, performance did not depend on the transmission bandwidth. Whereas in the case of a highly frequency selective channel, some performance improvement can be achieved by using narrower transmission bandwidth and employing an adaptive bandwidth allocation scheme.Degradation in the SNR for a given Eb/N0 value and symbol duration was evaluated for varying guard intervals, and the guard interval that gave the minimum degradation in SNR was determined to be the optimum guard interval. The results show that the optimum value for the guard interval for Eb/N0=20 dB is within the range . For Eb/N0 levels of 10 dB and 20 dB, the optimum guard interval is equal to the length of delay window that contains 95% and 99% of the multipath energy, respectively.