Ağırlıklı toparlama dizili DD/KBÇE iletişim sistemleri için yayma kodlarının tanımlanmasında ve en iyilerinin belirlenmesinde yeni yaklaşımlar
New approaches to the description of spreading codes and to the determination of optimum spreading code set for DS/CDMA communication systems with weighted despreading sequences
Yazar: İBRAHİM DEVELİ
Danışman: DOÇ. DR. CEBRAİL ÇİFTLİKLİ
Erciyes Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2003
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
IV ÖZET AĞIRLIKLI TOPARLAMA DİZİLİ DD/KBÇE İLETİŞİM SİSTEMLERİ İÇİN YAYMA KODLARININ TANIMLANMASINDA VE EN İYİLERİNİN BELİRLENMESİNDE YENİ YAKLAŞIMLAR Doğrudan dizili-kod bölmeli çoklu erişim (DD-KBÇE), geleneksel frekans bölmeli çoklu erişim ve zaman bölmeli çoklu erişim tekniklerine göre, gezgin hücresel iletişim ve diğer çok kullanıcılı uygulamalarda tercih edilen bir seçenektir. DD-KBÇE iletişiminde her kullanıcı, kendisine ait ikili veriyi modüle etmek için değişik bir yayma kodu ile farklılaştırılmıştır. Bir DD-KBÇE ortamında demodülasyon, iki tip gürültünün bastırılmasına ihtiyaç duyar: çoğunlukla toplanır Gauss işlemi olarak modellenen doğal kanal gürültüsü ve sistemdeki eşzamanlı kullanıcıların neden olduğu çoklu erişim girişimi (ÇEG). Algılama işlemi esnasında ilgili kullanıcıya ait kod bilgisi, iletilmiş işaret üzerine kilitlenmeyi ve ÇEG ile kanal gürültüsünün bastırılmasında kullanılır. Bu işlem, tek kullanıcılı algılama olarak adlandırılır. Diğer taraftan, kullanıcıların tümüne ait kod bilgisi ve iletilmiş işaretlerin tümünün eşzamanlı olarak algılanması, çok kullanıcılı algılama olarak bilinir. Gerçekte kablosuz iletişimdeki DD-KBÇE uygulamaları, tek veya çok kullanıcılı algılama algoritmalarını içerebilir. Bir kullanıcıya ait bilginin algılanması için literatürde, genel olarak üç farklı yaklaşım bulunmaktadır. Bunlardan ilki, kullanıcılar arasındaki ÇEG bilgisini göz ardı eden geleneksel tek kullanıcılı algılamadır. İkincisi, pratik uygulamalar açısından gerçekleştirilmesini oldukça zorlaştıran bir hesapsal karmaşaya sahip optimal algılamadır. Üçüncü yaklaşım ise, geleneksel yaklaşıma göre daha iyi bir başarım sağlayan alt optimal metotları içerir. Daha önceki çalışmalarda, geleneksel tek kullanıcılı algılayıcının başaranını iyileştirmek için, integral eşitlik alıcısı (İEA) olarak adlandırılan basit bir yapı önerilmiştir. Maalesef; işleme kazancının oldukça büyük olduğu durumlarda, İEA için kullanılacak optimum toparlama dizisinin (OTD) bulunması kolay değildir. ÇEG'nin bastırılması yönünde oluşturulan bir OTD'nin, referans kullanıcıya ait alınan işaret içerisindeki geçişleri vurguladığı iyi bilinmektedir. Buradan hareketle, ilgili kullanıcıya ait OTD'nin belirlenmesi yerine, orijinal toparlama dizisinin ayarlanabilir kırmık ağırlıklandırma dalga biçimleri (üstel veya adım) ile ağırlıklandırılması önerilmiştir. Bahsedilen ağırlıklandırma dalga biçimleri ile gürültü beyazlatma yaklaşımı kullanılarak gerçekleştirilen ÇEG bastırma başaranından oldukça küçük bir fedakârlıkyapılarak pratik gerçekleştirmeler için daha elverişli bir model ortaya konulmuştur. Bu model kullanılarak elde edilen toparlama dizisi, karar değişkenine ait işaret / (girişim + gürültü) (SINR) oranının maksimize edilmesi doğrultusunda, ÇEG ve toplanır beyaz Gauss gürültüsü arasındaki bağıl kuvvete dayalı olarak uyumlama gereksinimli bir parametre ile belirlenmiştir. Bahsedilen bu girişim bastırma yaklaşımında, SINR' yi maksimize eden parametre değerlerinin (uyumlama değerleri) basit ve hızlı olarak hesaplanmasını ele alan herhangi bir yaklaşım literatürde bulunmamaktadır. Ayrıca; ağırlıklı toparlama dizili (ATD) bir DD-KBÇE sistemi için, referans olarak kullanıldıkları taktirde daha iyi bit hata oram (BHO) başarımları oluşturacak yayma kodları ile çalışmanın önemini vurgulayan ve bahsedilen bu özellikteki yayma kodlarını bir kod seti içerisinden ayrıştıran bir yaklaşım literatüre geçmemiştir. Bu tez çalışmasında, ATD'li bir DD-KBÇE sistemi için kullanılması uygun olan üç yeni yaklaşım önerilmiştir. İlk olarak, SINR için basit bir ifade türetilmiştir. Bu işlem, keyfi yayma kodlarına ait bazı özellikler arasında ortaya konulan basit bir ilişkiye dayandırılmıştır. Sayısal sonuçlar, karar değişkenine ait SINR'nin hesaplanması için ardışık iki kırmık arasında gerçekleşen geçiş sayısının göz önüne alınmasına gerek olmadığını göstermiştir. îkinci olarak, ayarlanabilir kırmık ağırlıklandırma dalga biçimlerine ait uyumlama değerlerinin hesaplanması için, yapay sinir ağlarına (YSA) dayalı yeni bir metot kullanılmıştır. Bu metodun temel avantajı, YSA'ların öğrenme yeteneği ve yüksek hızlı hesaplama kabiliyetinden faydalanarak, alıcılarda kullanılacak ATD'nin belirlenmesi sürecindeki hesapsal yoğunluğun ve işlem zamanının kısaltılmasıdır. Bu kısma ait sonuçlar, önerilen ağ tarafından üretilen uyumlama değerlerini kullanan ATD'nin, ulaşılan BHO başarımı noktasında yeterli olduğu göstermiştir. Tez çalışmasının son aşamasında, bir kod seti içerisinden uygun kodların seçilmesi ile daha iyi BHO başarımlarının elde edilebileceği görülmüştür. Bu kapsamda, kod atama sürecinde referans olarak kullanılması uygun olan yayma kodlarının belirlenmesine hizmet eden basit ve doğru stratejiler geliştirilmiştir. Sonuç olarak bu tez, ATD'li DD-KBÇE iletişim sistemleri için yeni yaklaşımlar sunmaktadır. Basitlik, tüm yaklaşımlar için ortak sonuç olarak öne çıkmaktadır. Anahtar sözcükler: DD-KBÇE sistemleri, yayılı spektrum iletişimi, çoklu erişim girişimi bastırma, tek kullanıcılı algılama, ayarlanabilir kırmık ağırlıklandırma dalga biçimleri, ağırlıklı toparlama dizileri, uygun kod seçimi, yapay sinir ağları.

Abstract:
VI ABSTRACT NEW APPROACHES TO THE DESCRIPTION OF SPREADING CODES AND TO THE DETERMINATION OF OPTIMUM SPREADING CODE SET FOR DS-CDMA COMMUNICATION SYSTEMS WITH WEIGHTED DESPREADING SEQUENCES Direct sequence-code division multiple access (DS-CDMA) is an attractive alternative to traditional frequency division multiple access and time division multiple access techniques for use in mobile cellular communication as well as other multiuser scenarios. In DS-CDMA communication, each user is distinguished by a unique spreading code which is used to modulate their binary data. In a DS-CDMA environment, demodulation requires the suppression of two forms of noise: inherent channel noise, which is often modeled as an additive Gaussian process, and multiple access interference (MAI), which is caused by the users simultaneously using the system. Knowledge of the code of the user of interest at the receiving end is used to lock onto the transmitted signal and suppress the MAI and the channel noise. This is what is known as single-user detection. On the other hand, knowledge of all user codes and simultaneous detection of all transmitted signals are known as multiuser detection. Realistic DS-CDMA scenarios in wireless communications may involve either single or multiuser detection algorithms. Generally, there are three different approaches in the literature to the detection of a user's message. The first one is the conventional single- user detection which ignores the information about the MAI among users. The second one is the optimal detection which has a computational complexity that prohibits its practical use. The third approach employs suboptimal methods which can yield a better performance compared with the conventional approach. In the previous works, a simple structure called the integral equation receiver (IER) has been introduced to improve the performance of the conventional single-user detector. Unfortunately, it is not easy to find the optimum despreading sequence (ODS) in practice for the IER when the processing gain is relatively large. Because the ODS emphasized the transitions in the received signal of the reference user for MAI rejection, it has been proposed to weight the original despreading sequence with adjustable chip weighting waveforms (exponential or stepping). These weighting functions have been shown to be better suited for practical implementations at only minor loss ofvıı performance in terms of MAI reduction caused by the noise whitening. For this model, the resulting despreading sequence under consideration is determined by one parameter which needs to be tuned based on the relative strength between MAI and the additive white Gaussian noise so as to maximize the signal-to-interference-plus-noise ratio (SINR) of the decision variable. Despite the success of this rejection scheme, there is no approach in the literature that introduces a simple and fast method for the computation of the values of the parameter which maximizes the SINR (tuning values). Furthermore, the importance of employing spreading codes which achieve better bit error rate (BER) performances when they are used as references, and detecting these codes in a given code set have not also been studied in the literature for a DS-CDMA system employing weighted despreading sequences (WDS). In this thesis, three new approaches, which are suitable to be used for a DS-CDMA system with WDS, are introduced. First, a simple expression for the SINR is derived. This is achieved by indicating a simple relation among some properties of random spreading sequences. Numerical results show that, there is no need to account the number of transitions occurring between two consecutive chips to calculate the SINR of the decision variable. Secondly, a new method based on artificial neural networks (ANN) is presented to calculate the tuning values of the adjustable chip weighting waveforms. For this method, the main objective is to reduce the computational intensity and shorten the processing time to determine the WDS for each user's receiver by using the learning ability and the high-speed computational capacity features of ANN. Results indicate that the WDS, which employ the tuning values produced by the proposed network, are satisfactory in accordance with the achieved BER performances. Finally, it is observed that better BER performances might be achieved for a DS-CDMA system with WDS by selecting proper codes as references in a given code set. Simple and accurate strategies are introduced to determine the spreading codes, which are suitable to use as references in a code assignment process. As a result, this thesis introduces new approaches for DS-CDMA communications systems with WDS. Simplicity is the common result for those approaches. Key words: DS-CDMA systems, spread spectrum communications, multiple access interference suppression, single-user detection, adjustable chip weighting waveforms, weighted despreading sequences, optimal code detection, artificial neural networks.