Çok taşıyıcılı çok kullanıcılı MIMO sistemlerin kanal kestirim hatası ve güç yükselteci etkisi altındaki performansı
Performance of multi-carrier multi-user MIMO systems under channel estimation error and power amplifier effect
Yazar: UMUT KAYIKCI
Danışman: PROF. DR. EMRE AKTAŞ
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Çok giriş çok çıkışlı (MIMO) mimari, kablosuz iletişim sistemlerinin verimini artıran önemli bir teknolojidir. Bu durum MIMO yapıları beşinci nesil (5G) ağlar dahil olmak üzere çeşitli iletişim standartlarının temel bir unsuru haline getirmektedir. Gelecek nesil sistemler için de öneminin artması beklenenen MIMO teknolojisinin analizleri genellikle kusursuz donanımlar ve hatasız kanal kestirimi gibi idealleştirilmiş varsayımlara dayanır. Ancak, gerçekçi sonuçlar için bu unsurların yol açacağı etkilerin hesaba katılması gerekir. Bu tez, kablosuz iletişimde çok kullanıcılı MIMO (MU-MIMO) sistemlerin performansının, kanal kestirim hatası ve güç yükselteci etkilerine odaklanarak derinlemesine bir analizini sunmaktadır.

Araştırma, dik frekans bölmeli çoklu erişim (OFDM)'ye potansiyel bir alternatif olan ve hücresel olmayan iletişim sistemleri için de aday olan çok taşıyıcılı süzgeç kümesi (FBMC) yöntemi ile başlamaktadır. FBMC kullanan MU-MIMO sistemlerin aşağı bağlantı performansı üzerindeki güç yükselteci etkisi incelenmektedir. Çalışmada MU-MIMO-FBMC sistemler için sinyal bozulma, girişim ve gürültü oranı (SDINR) ve ergodik ulaşılabilir hız için analitik ifadeler elde edilmektedir. Sayısal sonuçlar sadece analitik bulguları desteklemekle kalmamakta, aynı zamanda doğrusal olmayan bölgede çalışan güç yükselteçlerine sahip MU-MIMO sistemlerde FBMC ve OFDM yöntemlerinin karşılaştırmalı bir analizini sunmaktadır.

Ayrıca tez, OFDM yöntemi kullanılan MU-MIMO sistemlerin performansını, doğrusal olmayan bölgede çalışan güç yükselteçleri ve kanal kestirim hatasının birleşik etkisini gözeterek değerlendiren bir analize yer vermektedir. Azami oranlı iletim (MRT) ve sıfır zorlama (ZF) ön kodlama yöntemleri için kapalı formda SDINR ile ergodik ulaşılabilir hız için analitik ifadelerin elde edilmesini içermektedir. Analitik bulgular, sayısal sonuçlarla desteklenmektedir.

Abstract:
The multiple input multiple output (MIMO) architecture is crucial in improving the efficiency of wireless communication systems, making it a key element of various standards, including fifth-generation (5G) networks. Its importance is expected to grow in future-generation systems. Analyses of MIMO systems often rely on idealized assumptions, such as perfect channel estimation and the absence of hardware impairments. Yet, for realistic results, these factors must be accounted for. This thesis provides an in-depth analysis of the performance of multi-user MIMO (MU-MIMO) systems in wireless communications, with a focus on the effects of channel estimation errors and power amplifier nonlinearity.

The research starts with filter bank multi-carrier (FBMC) signaling, a potential alternative to OFDM and a candidate for non-cellular communication systems. It examines the influence of power amplifier nonlinearity on the downlink performance of MU-MIMO systems using FBMC. This part of the study derives the signal to distortion, interference, and noise Ratio (SDINR) and ergodic achievable rate for MU-MIMO-FBMC systems. Numerical results not only corroborate the analytical findings but also offer a comparative analysis of FBMC and traditional orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) signaling in MU-MIMO systems with amplifier nonlinearity.

Furthermore, the thesis presents an analysis that evaluates the performance of MU-MIMO systems that use OFDM signaling, especially considering the combined impact of power amplifier nonlinearity and channel estimation errors. It includes a derivation of the closed-form SDINR and the ergodic achievable rate for maximum ratio transmission (MRT) and zero forcing (ZF) precoding schemes. Extensive numerical results support the analytical findings.