Verici çeşitlemeli OFDM sistemlerinde kanal kestirimi
Channel estimation in transmitter diversity OFDM systems
Yazar: MESUT ÇEVİK
Danışman: PROF. DR. HAKAN ALİ ÇIRPAN
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2007
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences ; İstatistik = Statistics
Dizin: Kanal kestirimi = Channel estimation ; İletişim sistemleri = Communication systems

Özet:
Bu tezde, verici çeşitlemeli dik frekans bölmeli çoğullama yöntemi kullanan telsizhaberleşme sistemleri için yeni bir kanal kestirim yöntemi önerilmiştir. Önerilen bu yenikanal kestirim yöntemi hem uzay-frekans hem de uzay-zaman OFDM sistemlerineuygulanmıştır. Kanal değişimleri özbağlanımlı süreçle modellenmiştir.Kullanılan çok sayıda telsiz haberleşme uygulamasında kanal parametrelerininbilinmesine gereksinim duyulmaktadır. OFDM sistemlerinin kapasitesini ya dabaşarımını arttırmak için çok sayıda verici-çok sayıda alıcı veya çok sayıda verici-tekbir alıcı anten kullanılabilir. Kanalın nasıl değiştiğini bilmek, çeşitleme birleştirmesi,girişim bastırma ve işaret seziminde oldukça önemlidir. Bu nedenle kanal durumbilgisinin doğruluğu bütün sistemin başarımını fazlasıyla etkiler.Bu çalışmada, bilinmeyen sönümlemeli telsiz haberleşme kanallarında verici çeşitlemeliOFDM sistemleri için işlem yükü az yani etkin hesaplanabilen bir kanal kestirimalgoritması önerilmiştir. Önerilen algoritma vericide de bilinen pilot sembollerinikullanmış ve kanal kestirimi en küçük ortalama karesel hata yöntemi kullanılarak eldeedilmiştir. İşlem yükünü azaltmak amacıyla kanal kestirimi frekans domeni yerinezaman domeninde gerçekleştirilmiştir. Karhunen-Loeve dik açılımı kullanılarak ayrıkçokyollu sönümlemeli kanalın dürtü yanıtlarının uygun gösterilimi bulunmuştur.İlintisiz Karhunen-Loeve serilerinin açılım katsayılarının MMSE kestirim değerleribulunmuştur. Böyle bir açılım kullanılması sonucunda, önerilen MMSE kestirimcisindematris tersi almak gerekmez. Böylece işlem yükü daha da azalmış olur. Önerilenyöntemde, işlem yükünü daha da azaltmak için sıfıra çok yakın değerli yani anlamsızKarhunen-Loeve açılım katsayıları dikkate alınmayarak optimal rank indirimiuygulanmıştır. Bunun sonucunda sadece anlamlı filtre katsayıları elde edilmiştir.Böylece hesaplanması gereken filtre katsayılarının sayısı belirgin olarak azalmıştır.Önerilen algoritmanın başarımı analitik sonuçlarla ve bilgisayar benzetimleriyle ayrıntılıolarak incelenmiştir. Başarımı inceleyebilmek amacıyla, en fazla oran alıcı birleştiricisiiçin ortalama sembol hata oranının kapalı ifadesi elde edilmiştir. Daha sonra, Cramer-Rao alt sınırı göz önüne alınmış ve rasgele KL katsayıları için kapalı bir ifade eldeedilmiştir. Bunun sonucunda, minimum Bayesçi ortalama karesel hatanın hesabındanyararlanarak MMSE kanal kestirimcisi kullanılmıştır. Bununla birlikte, kestirimciüzerindeki modelleme uyumsuzluğu da analiz edilmiştir. Benzetim sonuçları elde edilenteorik sonuçları onaylamakta ve önerilen algoritmanın sırasıyla hızlı sönümlemeli vefrekans seçici sönümlemeli kanallarda kullanılabileceğini ve toplam başarımı arttırdığınıgöstermektedir.

Abstract:
In this dissertation, a new channel estimation method for wireless communicationsystems that use orthogonal frequency division multiplexing is proposed. This proposednew channel estimation method is applied to both space-frequency and space-timeOFDM systems. Channel variations are modelled by autoregressive process.Channel parameters are required by many wireless communications applications.Multiple transmit and/or receive antennas can be used for increasing the capacity orperformance of OFDM systems. Channel information is essential to diversitycombining, interference suppression, and signal detection. Therefore, the accuracy ofchannel state information greatly influences the overall system performance.In this study, a low cost i.e., computationally efficient channel estimation algorithm forOFDM systems with transmitter diversity in unknown wireless fading channels isproposed. The proposed algorithm used pilot symbols known at the receiver andestimation was obtained by minimum mean-square-error method. In order to decreasethe computational load estimation was realized in time domain instead of frequencydomain. The proposed approach employed a convenient representation of the channelimpulse responses based on the Karhunen-Loeve (KL) orthogonal expansion and foundMMSE estimates of the uncorrelated KL series expansion coefficients. Based on suchan expansion, no matrix inversion was required in the proposed MMSE estimator. Thus,computational load decreased. Subsequently, optimal rank reduction was applied toobtain significant taps resulting in a smaller computational load on the proposedestimation algorithm.The performance of the proposed approach was studied through the analytical resultsand computer simulations. In order to explore the performance, the closed-formexpression for the average symbol error rate (SER) probability was derived for themaximum ratio receive combiner (MRRC). Then, the stochastic Cramer-Rao lowerbound (CRLB) was considered and the closed form expression for the random KLcoefficients was derived. Consequently, the performance of the MMSE channelestimator based on the evaluation of minimum Bayesian MSE was exploited. Themodelling mismatch on the estimator performance was also analyzed. Simulation resultsconfirme theoretical analysis and illustrate that the proposed algorithms are capable oftracking fast fading and improving overall performance.