4G (LTE)  haberleşme sistemlerinin matematiksel modellenmesinin matlab simülasyonu ve performans analizleri
Performance analysis and mathematical model with matlab simulation of  4G (LTE)  communication systems
Yazar: AHMET ŞAFAK YILDIZ
Danışman: DOÇ. DR. NURSEL AKÇAM
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2015
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Bu tez çalışmasının amacı, Uzun Vadeli Evrim (LTE-Long Term Evolution) radyo erişim teknolojisi ve özellikle onun fiziksel katmanıdır (PHY-Physical Layer). PHY'nin ana bölümlerini meydana getiren Dikey Frekans Bölmeli Çoklu Erişimin (OFDMA-Orthogonal Division Multiple Access), modülasyonun, turbo kodlamanın ve bağlantı adaptasyonunun gözden geçirilmesi,  LTE standardına ait PHY modelinin tam olarak kavranmasına yardımcı olur.  PHY'na daha yüksek tabakalardan aşağı iletilen veri bitleri üzerinde gerçekleştirilen tüm işlemler fiziksel katman modellemesini en güzel şekilde tanımlar. Çalışmada LTE PHY radyo ara yüzü tasarımlarındaki teknoloji seçeneklerinin anlaşılması ve karar verilmesi tartışılarak, çeşitli taşıma kanallarının fiziksel kanallara eşlenmesi, kanalların her birinin üzerindeki sinyal işleme ve verilerin yayın için antene en yüksek seviyede taşınması incelenmiştir. Ayrıca PHY veri iletişimi ve LTE standartlarının iletim protokolleri ile ilgili ana ayrıntılar açıklanmaktadır. Uplink (mobil cihazdan baz istasyonuna) ve downlink (baz istasyonundan mobile cihaza) için veri iletişim protokolleri LTE standartları tarafından belirlenir. Frekans Bölmeli Çiftleme (FDD-Frequency Division Dubleks), Zaman Bölmeli Çiftleme (TDD-Time Division Dubleks), çiftleme metodolojileri, esnek bant genişliği tahsisi, zaman çerçeveleme ve LTE standardının zaman-frekans kaynak gösterimini içeren frekans bantları gözden geçirilmiş, çoklu taşıyıcı iletim şemalarını, tek anten protokollerini, adaptif modülasyonu, kodlama şemalarını ve kanal bağımlı bağlantı uyarlamalarını içeren downlink ve uplink işleme yığınları detaylı olarak ele alınmıştır. Her bir durum için iletişim yığınlarının farklı katmanlarını birleştiren çeşitli kanallara ve uplink/downlink fiziksel kanallarının her birine uygulanan PHY'da mevcut sinyal işleme faaliyetlerine ilişkin detaylı tanımlar sunulmuştur. Bu detaylı bilgiler downlink PHY işleminin MATLAB programında modellenmesine yardım edip, daha sonra Dikey Frekans Bölmeli Çoklama (OFDM-Orthogonal Frequency Division Multiplexing) teknolojisinin temeli, OFDM çerçeve yapısı ve LTE standardı uygulaması detaylı olarak tartışılmıştır. MATLAB fonksiyonları, çeşitli modülasyon şemalarının etkilerini, Toplanabilir Beyaz Gauss Gürültülü (AWGN-Additive White Gaussian Noise) kanal modeli ile birlikte Bit Hata Oranı (BER-Bit Error Rate)  performansındaki farklı kanal kodlama oranlarını simüle etmek için kullanılmıştır. Daha sonra, açıklanan teknoloji esas alınarak tasarımı yapılan LTE PHY bileşenlerini yinelemeli ve aşamalı olarak oluşturan MATLAB modelleri meydana getirilip, BER performans grafiklerinin sonuçları analiz edilmiştir.

Abstract:
The main discussion of this subject is the Long Term Evolution (LTE) radio access technology and especially its Physical Layer (PHY). The PHY model of  LTE can be best understood by studying PHY's most useful four sections, which are Orthogonal Division Multiple Access (OFDMA), modulation, Turbo coding and link adaptation. Reviewing OFDMA, modulation, Turbo coding and link adaptation, that are main leading  parts of PHY, helps the PHY of LTE to be fully realized. The whole process performed on data bits that are transfered down from the higher layers to the PHY best defines physical layer model. How to realize and decide the technology choices with in designing LTE PHY radio interface are the main topics to be discussed in this thesis. Mapping various transport channels to physical channels, signal processing on each of these channels and the ultimate data transport to the antenna for transmission is examined. Protocols of data communications needed for the uplink (mobile to base station) and downlink (base station to mobile) communications are defined by LTE standards. Some main details for PHY data communication and the transmission protocols of the LTE standards are to be studied. Frequency bands containing Frequency Division Duplex (FDD), Time Division Duplex (TDD), duplex methodologies, flexible bandwidth allocation, time framing, and the time–frequency resource representation of the LTE standard are summarized at the beginning. Mult-carrier transmission schemes, single-antenna protocols, adaptive modulation, and coding schemes and channel-dependent link adaptations is examined in detail with in processing stacks of downlink and uplink. For every situation, a complete description is given to the various channels joining different layers of the communication stacks and signal processing in the PHY used in each of the downlink and uplink physical channels. This detailed information helps the downlink  PHY processing to be modelled in the programs of MATLAB. After that the fundamental of the Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) technology, OFDM frame structure and application in the LTE standard are discussed in detail. The MATLAB function is applied to be able to simulate the effects of different modulation schemes and different coding rates on the Bit Error Rate (BER) performance with an Additive White Gaussian Noise (AWGN) channel model. At the end models in MATLAB that iteratively and progressively forming the components of the LTE PHY designed due to these techniques are composed and graphics of the BER performance are cleared up.