Dikgen frekans bölmeli çoğullama sistemleri için kanal kestirim yöntemlerinin başarımının incelenmesi
Investigation of the performance of the channel estimation methods for orthogonal frequency-division multiplexing systems
Yazar: FATİH AYVENLİ
Danışman: DOÇ. DR. ÇETİN KURNAZ
Ondokuz Mayıs Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Çok taşıyıcılı haberleşme sistemlerinden biri olan OFDM sistemi bant genişliğini etkin kullanarak yüksek hızlı haberleşmesine olanak sağlaması ve yankı gecikmelerine karşı dayanıklılığı nedeniyle son zamanlarda pek çok sistemde yaygın olarak kullanılmaktadır. OFDM sisteminde vericiden gönderilen sinyal gezgin iletim kanalınından geçerek alıcıya ulaşmaktadır. Alıcıya ulaşan sinyal kanalın bozucu etkisine bağlı olarak derin sönümlenmelere uğramakta, bu ise gönderilen bitlerin hatalı alınmasına neden olmaktadır. Kanalın bozucu etkisi alıcıda kanal kestirimi yapılarak giderilebilir. OFDM tabanlı sistemlerde kanal kestirimi pilot tabanlı, kör ve yarı kör olmak üzere üç temel yöntemle yapılabilir. Bu yöntemler içerisinde pilot tabanlı yöntemler kanal kestirim başarımı açısından en güvenilir olanıdır. Pilot tabanlı kanal kestirim yöntemleri de kendi içinde pilot bitlerin zaman ve frekans düzleminde yerleşimlerine bağlı olarak gruplandırılabilir. Pilot bitler frekans/zaman düzleminde düzenli yerleştirilebileceği gibi, kanalın yapısına göre düzensiz de yerleştirilebilir.
Bu çalışmada OFDM sisteminde pilot tabanlı kanal kestirim yöntemlerinin başarımları farklı frekans ve zaman seçici kanal durumları için incelenmiştir. Bunun için MATLAB programlama dili kullanılarak bir OFDM benzetimcisi oluşturulmuş ve sistem başarımı düzenli, düzensiz ve önerilen pilot yerleşim yöntemleri için incelenmiştir. Düzenli pilot yerleşimi için tarak tip pilot yerleşimi kullanılmış, kanalın pilot alt taşıyıcılarındaki değeri LS, veri alt taşıyıcılarındaki değeri ise doğrusal aradeğerleme algoritmasıyla hesaplanmıştır. İletim kanalı olarak ITU'nun beş farklı kanalı kullanılmış, her bir yöntem için 4, 8 ve 16 pilot oranları seçilmiştir. Kanalın zamanla değişimi Rayleigh sönümleme modeliyle modellenmiş, Doppler frekansı olarak 10 Hz, 100 Hz, 300 Hz değerleri kullanılmıştır. Benzetimler sonucunda 0-30 dB aralığındaki SGO değerleri için BHO grafikleri elde edilmiştir.
Benzetim sonuçlarından düzenli pilot bit yerleşiminin farklı zaman ve frekans seçicilikli kanal profilleri için her zaman en düşük BHO değerini vermediği, özellikle derin sönümlenmeli kanal durumunda yetersiz kaldığı görülmüştür.  Bu kanal profilleri için pilot bitlerin düzensiz yerleşiminin sistem başarımını değiştirdiği ancak bu değişimin her zaman istenilen düzeyde olmadığı sonucuna varılmıştır. Bu çalışmada kanalın yapısına bağlı olarak adaptif olarak değişebilen bir pilot bit yerleşim algoritması önerilmiştir. Önerilen yöntem kanalın derin sönümlenmelerinin olduğu bölgeye daha sık pilot bit yerleştirilmesi temeline dayanmaktadır. Pilot bitlerin yerleşim sıklığı ve yerleşim bölgeleri kanal profiline bağlı olarak değişebilmektedir. Benzetim sonuçlarından önerilen adaptif pilot tabanlı kestirim yönteminin klasik pilot tabanlı kestirim yöntemlerine göre daha iyi olduğu görülmüştür. Ayrıca önerilen yöntemde kanal profilinde pilot sıklığının artırılacağı bölgelerin eşik değerini belirlemek için matematiksel bir ifade önerilmiştir. 
Tezin ilk bölümünde genel olarak OFDM sistemlerinde kanal kestiriminin gerekliliği hakkında bilgi verilmiştir. İkinci bölümde yankılı kanalın bozucu etkileri ve OFDM sistem modeli anlatılarak pilot tabanlı kanal kestirim yöntemleri açıklanmış ve kaynak özetleri verilmiştir. Üçüncü bölümde, çalışmada kullanılacak olan Rayleigh sönümleme modeli ve önerilen kanal kestirim yöntemi anlatılmıştır. Dördüncü ve beşinci bölümde ise tartışma, sonuçlar ve öneriler ile çalışma sonlandırılmıştır.

Abstract:
The OFDM system, which is one of the multi-carrier communication systems, has been widely used in many systems recently due to its ability to provide high-speed communication using bandwidth effectively and its resistance to echo delays. In OFDM system, the signal sent from the transmitter reaches the receiver through the mobile transmission channel. The signal reaching the receiver experiences deep fading due to the disturbing effect of the channel, resulting in erroneous reception of the transmitted bits. The disturbing effect of the channel can be removed by estimating the channel in the receiver. Channel estimation in OFDM based systems can be done in three basic methods as pilot based, blind and semi-blind. Among these methods, pilot-based methods are the most reliable in terms of channel estimation performance. Pilot-based channel estimation methods can also be grouped within themselves based on their placement of the pilot bits in the time and frequency domain. The pilot bits can be placed regularly in the frequency/time domain, or they can be placed irregularly according to the structure of the channel. 
In this study, the performances of pilot based channel estimation methods in OFDM system are investigated for different frequency and time selective channel situations. For this purpose, an OFDM simulator is created using MATLAB programming language and system performance is examined for regular, irregular and proposed pilot placement methods. Comb type pilot placement is used for regular pilot placement, the value of the channel in the pilot subcarriers is calculated by LS algorithm and the value in the data subcarriers is calculated by linear interpolation algorithm. Five different channels of ITU are used as transmission channels and 4, 8 and 16 pilot ratios are selected for each method. The change of channel over time is modeled by Rayleigh fading model and 10 Hz, 100 Hz, 300 Hz values are used as Doppler frequency. As a result of the simulations, BER (bit error rate) graphs are obtained for SNR (signal to noise ratio) values between 0-30 dB. 
It is seen from the simulation results that the regular pilot bit placement does not always give the lowest BER value for different channel profiles with different time and frequency selectivity, especially in case of deep fading channel. It is concluded that the irregular placement of pilot bits for these channel profiles changes the system performance, but this change is not always at the desired level. In this study, a pilot bit placement algorithm which can adaptively change depending on the structure of the channel is proposed. The proposed method is based on placing the pilot bits more frequently in the region of the channel which experiences deep fading. The placement frequency and location of the pilot bits may vary depending on the channel profile. From the results of the simulation, it is seen that the proposed adaptive pilot based estimation method is better than the classical pilot based estimation methods. Furthermore, in the proposed method, a mathematical expression is proposed to determine the threshold value of the regions in which the pilot frequency will be increased.
In the first part of the thesis, information is given about the necessity of channel estimation in OFDM systems in general. In the second part, the disturbance effects of the echo channel and OFDM system model are explained and pilot based channel estimation methods are explained and reference summaries are given. In the third chapter, the Rayleigh fading model and feedback-aided adaptive pilot placement scheme which will be used in our study are explained. In the fourth and fifth chapter, the study is ended with discussion, results and suggestions.