Tek taşıyıcılı frekans bölmeli çoklu erişim (SC-FDMA) sistemlerinde taşıyıcı frekans kaymasının kestirimi
Estimation of carrier frequency offset in single carrier frequency division multiple access (SC-FDMA) systems
Yazar: MERVE BALKİ
Danışman: PROF. DR. NECMİ TAŞPINAR
Erciyes Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2016
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Günümüzde kablosuz ağlar çok hızlı bir şekilde gelişmekte ve büyümektedir. Bu büyümeye karşılık kablosuz ağları kullanma isteği de hızla artmaktadır. Hızla artan bu isteği karşılama ihtiyacı yeni nesil sistemlerin geliştirilmesine yol açmıştır. Fakat kablosuz ağların gelişimi sırasında semboller arası girişim (ISI), çoklu erişim girişimi (MAI) ve spektrum kısıtlılığı gibi problemlerle karşılaşılmaktadır. Bu problemleri gidermek ve artan ihtiyaçları karşılamak amacı ile OFDM tabanlı sistemler önerilmiştir. OFDM tabanlı sistemler çok yollu yayılım sonucunda meydana gelen girişimleri dikgen frekans bölmeli çoğullama yaparak gidermeye çalışır. OFDM sistemler dikgen frekans bölmeli çoğullama işlemini, mevcut spektrumu daha küçük alt kanallara bölerek gerçekleştirirler. Bu sayede verinin yüksek miktarlarda iletimine izin verir. OFDMA sistemler OFDM tabanlı çoklu erişim sistemleridir. OFDMA sistemler yüksek miktarda veri hacimlerine izin vermelerine karşılık yüksek tepe-ortalama güç oranlarına (PAPR) sahiptirler. Yüksek PAPR değerleri kablosuz sistemler için istenmeyen bir durumdur. PAPR değeri güç verimliliğinin bir ölçüsüdür. Verimli sistemler için düşük PAPR oranları istenmektedir. Bu yüzden SC-FDMA sistemler, OFDMA sistemlere yer-uydu bağı haberleşmesi için LTE tarafından alternatif olarak kabul edilmiştir. 
SC-FDMA sistemler yüksek veri hızlarında ve geniş bant genişliklerinde haberleşme yaparlar. Fakat SC-FDMA sistemler taşıyıcı frekans kaymalarına (CFO) karşı hassasiyet gösterirler. Yani CFO, SC-FDMA sistemleri için istenmeyen bir durum olup sistem performansını olumsuz yönde etkilemektedir. CFO miktarı arttıkça sistem performansı düşmektedir. SC-FDMA sistemlerini elverişli hale getirebilmek için bu CFO değerlerinin kestirilip düzeltilmesi gerekmektedir.
Bu tezde CFO'nun sistem performansı üzerine etkileri incelenmiş olup, kestirim algoritması olarak da daha önce OFDM sistemlerde kullanılmış olan CP (cyclic prefix) tabanlı kestirim metodu ve Maximum-likelihood kestirim metodu bu sisteme uyarlanarak kullanılmıştır. Bu metotların yanı sıra yapay sinir ağları (Çok Katmanlı Algılayıcılar-MLP) kullanılarak bilgisayar ortamında simülasyon çalışmaları ile bir kestirim metodu önerilmiştir. Son olarak bu üç kestirim metodu karşılaştırılmış ve en uygun yöntem seçilmeye çalışılmıştır.  

Anahtar Sözcükler: SC-FDMA, CFO, CP tabanlı kestirim, ML kestirimi, yapay sinir  ağları MLP.

Abstract:
Wireless networks have a fast growth and development nowadays. In response to this transition, indeed the demand to use them is rising drastically. The requirement to meet this market resulted in developing new generation systems. As new wireless networks are designed; however, such problems exist as intersymbol interference (ISI), multiple access interference (MAI), and spectrum constraints. Orthogonal frequency-division multiplexing (OFDM) is proposed to eliminate those problems, and to meet the existing demand. OFDM is achieved by which the total bandwidth is divided into a series of non-overlapping frequency sub-bands. Thus, high volume of data is allowed. OFDMA  systems are multi-user versions of the OFDM scheme. Although OFDMA systems are fast with high data volume, they have a high peak-to-average power ratio (PAPR- a measure of power efficiency) undesirable for wireless systems. Since low PAPR values are required for efficient systems, SC-FDMA (Single Carrier Frequency Division Multiple Access) has been adopted as a modified form of OFDM with similar throughput complexity and performance. 
SC-FDMA systems utilize broadband, high speed, and high data rate uplink communication. Yet, SC-FDMA systems are vulnerable to carrier frequency offsets (CFO) and suffer performance degradation, an undesirable situation directly proportional to the CFO. CFO values are subject to be minimized and corrected in order to make SC-FDMA systems convenient. 
In this thesis, we have analyzed the effects of CFO on system performance adopting the cyclic prefix (CP), widely used in OFDM systems as a prediction algoritm, and maximum likelihood (ML) estimation. Among those methods, a prediction method is proposed using artificial neural Networks (multilayer perceptron-MLP) in computer simulations. In conclusion, three prediction methods are compared and the most suitable method is predicted.

Keywords:SC-FDMA, CFO, Cyclic prefix (CP), Maximum likelihood (ML), artificial neural  networks, MLP.