Yüksek mobilite ortamında kanal kestirimi ve eşzamanlama algoritmalarının  FPGA üzerinde tasarımı
Design of  channel estimation  and synchronization algorithms on FPGA for high mobility environment
Yazar: NURULLAH KILINÇ
Danışman: PROF. DR. EMRE AKTAŞ
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Telekomünikasyon Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Elektronik haberleşme = Electronic communication

Özet:
Yüksek hızlı hava araçları arasında kablosuz haberleşme için kanal eşzamanlama ve kestirim yönteminin geliştirilmesi ve FPGA tasarımı tezde amaçlanmıştır.  Hava-hava kablosuz haberleşmede kanal yüksek doplere ve gecikme yayılımına maruz kalmaktadır.
 Yüksek irtifaya sahip hava araçlarında bu değerler artmaktadır. Yüksek gecikme yayılımı kanaldaki çokyollu bileşen sayısını artırır ve bunun sonucunda
 kanal eşzamanlama ve kestirim yönteminin işlem karmaşıklığı artar.  Yüksek dopler sonucu kanal hızlı değişir ve hızlı değişen  kanalda  kestirim için  kullanılabilecek pilot semboller azalır. Bu sorunlar için  f-OFDM iyi çözüm sunmaktadır. Bu yöntemle bant altbantlara bölünür ve sembol süresi artar. Sembol süresinin artması çokyollu bileşenlerin yıkıcı etkisini azaltmaktadır. Altbantlarda bant içi gürültü azalır ve kanal kestirim,  eşzamanlama,  sembol sezim işlemlerinin gürültüye karşı daha dayanıklı olmasını sağlar.

  Yüksek hızlı hava araçları için  f-OFDM  modülasyonu  önerilmiştir ve  bant eş altbantlara bölünmüştür.
  Her altbant ilişkisiz olduğu halde,  altbant kanallar için fiziksel ortam ortaktır. Bundan dolayı altbantlar arasında benzer kanal özelliklerine sahip olduğu söylenebilir. OFDM sisteminde sembol zamanlaması çok iyi yapılmalıdır. Sembol zamanlamasının doğru yapılmaması alt kanallar arasında diklik kaybı, taşıyıcıları ve semboller arası girişim gibi sorunlar oluşur.
 Aynı sorunlar f-OFDM sistemi için de  geçerlidir. Tezde f-OFDM için  sembol zaman kestirimi periyodik pilot sembolleri önerilmiştir. Her altbant için ortak pilot dizisi kullanılmıştır ve her altbantta alınan sinyalde kanaldan kaynaklanan zamanlama hatası eşittir. Buna göre altbantlar için zaman kestirimi için tek kestirimci kullanılabilir.


   Hava araçları kanalı kırsal ortam kanalı gibi seyrek özellik taşır. Seyrek kanal vektörünün kestirimi için f-OFDM sistemine uygun
 yöntem önerilmiştir. Bu yöntem altbant kanalların ortak özelliklerini kullanarak kanal vektörünün anlamlı olan katsayıların konumlarını bulur. Korelasyon yöntemi seyrek kanal vektörünün kestirimi ile kullanılarak yeni yöntem önerilmiştir. Monte-Carlo benzetimi ile yapılan simülasyonların sonucunda yeterli BER değerleri elde edilmiştir. Bu BER değerlerindeki hatalar kodlama ile düzeltilebilecek seviyelerdir.
Sonuç olarak FPGA ortamında gerçeklenebilecek yöntemler önerilmiştir. Geliştirilen kanal eşzamanlama ve kestirim yöntemleri f-OFDM modülasyonu ile birlikte  Simulink ortamında HDL modülleri kullanılarak tasarlanmıştır.

Abstract:
The aim of the thesis is to design channel synchronization and estimation method on FPGA  for wireless communication between high speed air vehicles. In air-to-air wireless communication, the channel is exposed to high doppler and delay propagation. These values are increasing in high altitude aircraft. High latency propagation increases the number of multi-path components in the channel and as a result the complexity of the channel synchronization and estimation method increases. As a result of high doppler, the channel changes rapidly and the pilot symbols that can be used for estimation in the fast changing channel are reduced.  For these problems, f-OFDM offers a good solution. With this method the band is divided into subbands and the symbol duration increases. Increasing the symbol duration reduces the destructive effect of the multi-path components.  In-band noise is reduced in subbands and channel estimation, synchronization, and symbol detection processes become more robust.

f-OFDM modulation is recommended for high-speed aircrafts and the band is subdivided into same subband.
  Although each subband is unrelated, the physical environment for the subband channels is common. Therefore, it can be said that it has similar channel characteristics between subbands. Symbol timing should be done very well in the OFDM system. Failure to perform symbol timing causes problems such as the loss of orthogonality, carriers and inter-symbol interference between the sub-channels.
 The same problems apply in the f-OFDM system. In the thesis, symbol time estimation periodic pilot symbols for f-OFDM are proposed. A common pilot sequence is used for each subband and the timing error from the channel in each subband is equal. Accordingly, a single estimator can be used for time estimation of subbands.
 

The air-to-air wireless communication have sparse channel property like rural channel.
Sparse channel vector estimation method has been proposed suitable for f-OFDM system. This method uses the common features of the subband channels to find the position of the coefficients of the channel vector. The new method is proposed using the correlation method with the estimation of the sparse channel vector. Sufficient BER values were obtained as a result of simulations with Monte-Carlo simulation. Errors in these BER values are levels that can be corrected by coding.
As a result, methods that can be implemented in FPGA environment have been proposed. Developed channel synchronization and estimation methods were designed by using HDL modules in Simulink environment with f-OFDM modulation.