5. nesil iletişim sistemleri için OFDM'e alternatif yeni OFDM tekniklerinin geliştirilmesi
Development of alternative new ofdm technologies in OFDM for 5th generation communication systems
Yazar: BÜŞRA CENİKLİOĞLU
Danışman: PROF. DR. İBRAHİM DEVELİ
Erciyes Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Yüksek veri hızlarına olan talep arttıkça, daha verimli kablosuz iletişim sistemlerine
olan ihtiyaç da her zaman gündemde olacaktır. Yapılan araştırmalarda, gelecek beş
yılda hücresel veri trafiğinin on kat artacağı tahmin edilmektedir. Yeni nesil hücresel
iletişim teknolojilerinin bu veri trafiği ile beraber daha yüksek veri hızlarını
desteklemesi beklenmektedir. Yaklaşan 5. nesil (5th Generation, 5G) standartlarından
beklentiler arasında birçok farklı hizmetin desteklenmesi, veri hızlarının yaklaşık 1000
kat artması, ultra düşük gecikme süresi ve enerji/maliyet verimliliği bulunmaktadır. Bu
beklentileri karşılamak için araştırmacılar, farklı ağ katmanlarını içeren çeşitli
potansiyel teknolojileri araştırmakta ve muhtemel 5G senaryoları için bunların karşılıklı
etkileşimlerini tartışmaktadırlar.
İletişim sistemlerinin en kritik bileşenlerinden biri olan dalga formu tasarımı, yukarıda
belirtilen amaçlara ulaşmak için hayati bir rol oynamaktadır. 5G dalga biçiminin temel
özellikleri; daha fazla esneklik, çoklu erişim desteği, farklı dalga biçimleriyle birlikte
var olma yeteneği, düşük gecikme süresi, kitlesel çok girişli çok çıkışlı (MIMO) mimari
ve mm dalga iletişimi gibi umut vadeden gelecek nesil teknolojilerle uyumluluk olarak
kısaca özetlenebilir. Dikgen frekans bölmeli çoğullama (Orthogonal Frequency Division
Multiplexing, OFDM) birçok mevcut standartta baskın bir teknoloji olmuştur ve halen
5G radyo erişim teknolojilerinde geniş bant iletişim sistemleri için favorilerden biri
olarak düşünülmektedir. Ancak; klasik OFDM, yüksek bant dışı yayılım (Out of Band
Emission, OOBE), yüksek tepe ortalama güç oranı (Peak to Average Power Ratio,
PAPR), düşük spektral verimlilik ve düşük enerji verimliliği gibi dezavantajlarından
dolayı 5G için istenenleri karşılayamayacağı düşünülmektedir. Bundan dolayı, 5G ve
sonrası hücresel iletişim sistemleri için OFDM'e alternatif yeni dalga formu geliştirme
çalışmaları tüm dünyada devam etmektedir.
vi
Bu tez çalışmasında, literatürde yer alan OFDM yöntemlerine (ZT OFDM, ZT DFT-S
OFDM, F-OFDM, UFMC vb.) alternatif olarak Sıfır Sonlu Ayrık Dalgacık Dönüşümü
Yayılmalı Dikgen Frekans Bölmeli Çoğullama (ZT DWT-S-OFDM) ve Sıfır Sonlu
Ayrık Dalgacık Dönüşümü Yayılmalı Dikgen Dalgacık Bölmeli Çoğullama (ZT DWTS-
OWDM) dalga formları önerilmiştir. Önerilen yöntemlerde ayrık Fourier dönüşümü
(DFT) bloğu ayrık dalgacık dönüşümü (DWT) bloğu ile ve ters hızlı Fourier dönüşümü
(IFFT) bloğu ile de ters ayrık dalgacık dönüşümü (IDWT) bloğu yer değiştirmektedir.
Önerilen iki dalga formunun başarımı; literatürdeki diğer alternatif OFDM yöntemlerini
de içerecek şekilde, toplanabilir beyaz Gauss gürültüsü (AWGN) ve düz sönümlenmeli
zamanla değişmeyen Rayleigh kanallar için yapılan bilgisayar benzetim çalışmalarıyla
gösterilmiştir. Özellikle; bu sistemlere ait OOBE, PAPR ve bit hata oranı-işaretin
gürültüye oranı (BER-SNR) başarımları incelenmiştir. Elde edilen benzetim sonuçları
önerilen yöntemlerin klasik OFDM ve ZT DFT-S OFDM yöntemlerinden daha iyi
OOBE, PAPR ve BER başarımlarına sahip olduğunu göstermiştir.

Anahtar Kelimeler: 5G, OFDM, ZT DWT-S OFDM, Dalgacık Dönüşümü, ZT DWT-S OWDM.

Abstract:
As the demand for higher data rates increases steadily, there is always being a need
more efficient wireless communication systems. In the researches done, it is estimated
that the cellular data traffic will increase ten times over the next five years. It is
expected that next generation cellular communication technologies will support higher
data rates with this data traffic. There is support for many different services, about 1000
times increase in data rates, ultra-low latency and energy / cost efficiency among the
expectations of the upcoming 5th generation (5G) standards. To meet these
expectations, researchers are exploring a variety of potential technologies, including
different network layers, and discussing their mutual interactions for possible 5G
scenarios.
Waveform design, one of the most critical components of communication systems,
plays a vital role in achieving the above objectives. The key features of the 5G
waveform can be briefly summarized as compatibility with the promised next
generation of technologies, such as greater flexibility, multiple access support, ability to
coexist with different waveforms, low latency, massive multi input multi output
(MIMO) and mm wave communication. Orthogonal frequency division multiplexing
(OFDM) has become a dominant technology in many existing standards and is currently
considered one of the favorites for broadband communication systems in 5G radio
access technologies. However, it is thought that conventional OFDM will not meet the
requirements for 5G due to its disadvantages such as out of band emission (OOBE),
peak to average power ratio (PAPR), low spectral efficiency and low energy efficiency.
Therefore, new waveform development studies that are alternative to OFDM for 5G and
later cellular communication systems continue all over the world.
viii
In this thesis study, zero tail discrete wavelet transform spread orthogonal frequency
division multiplexing (ZT DWT-S-OFDM) and zero tail discrete wavelet transform
spread orthogonal wavelet division multiplexing (ZT DWT-S-OWDM) waveforms
were proposed as an alternative to so far thought alternative OFDM methods (ZT
OFDM, ZT DFT-S OFDM, F-OFDM, UFMC etc.) in literature. In these proposed
methods, the discrete Fourier transform (DFT) block is replaced by the discrete wavelet
transform (DWT) block and the inverse discrete Fourier transform (IDFT) block is
replaced by the inverse discrete wavelet transform (IDWT) block. The performance of
the proposed 2 waveforms were performed with the simulation studies for additive
white Gaussian noise (AWGN) and flat fading time-invariant Rayleigh channels
including other alternative OFDM methods in literature. In particular, OOBE, PAPR
and bit error rate-signal to noise ratio (BER-SNR) performances of these systems were
investigated. The obtained simulation results show that the proposed methods had better
OOBE, PAPR and BER performance than conventional OFDM and ZT DFT-S OFDM
methods.

Keywords: 5G, OFDM, ZT DWT-S OFDM, Wavelet Transform, ZT DWT-S OWDM.