Çoklu-giriş, çoklu-çıkış, dik frekans bölmeli çoğullama (MIMO OFDM) sistemlerinde kanal kestirimi
Channel estimation in multi input multi output (MIMO OFDM) systems
Yazar: BAHATTİN KARAKAYA
Danışman: PROF. DR. HAKAN ALİ ÇIRPAN
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2010
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Multimedya tabanlı uygulamalarla tahrik edilen gelecek nesil kablosuz uygulamaları yüksek hızda iletişim yapabilecek kapasitede sistemleri gerektirecektir. MIMO ve OFDM gibi yeni teknikler ihtiyaç duyulacak gelecek nesil yüksek veri hızlı sistemler için seçenekler vaadetmektedir.MIMO uzay bölgesi içinde yeni altkanallar açmak üzere verici ve alıcı taraflarında çoklu antenler istihdam eder. Paralel kanallar aynı zaman ve frekansta tesis edildiğinden yüksek veri hızı ekstra bantgenişliğine gerek kalmadan gerçeklenir. Bandgenişliği verimliliğinden dolayı gelecek genişbantlı telsiz erişim standartları içinde MIMO bulunması için gayret gösterilmektedir.Diğer taraftan OFDM kullanılabilir spektrumu üst üste binen fakat birbirine dik olan dar bantlı altkanallara böler ve bu nedenle frekans seçici kanalı, frekans seçici olmayan kanala çevirir. Ayrıca semboller arası girişim (intersymbol interference, ISI), periyodik önek (cyclic prefix, CP) ile OFDM sembollerinin uzatılmasıyla bertaraf edilmiştir. Bu hayati avantajlarla OFDM, dijital ses ve video yayını (DAB, DVB), telsiz yerel alan ağı (WLAN) ve telsiz kentsel alan ağı (WMAN) da olduğu gibi birçok telsiz standartlarında benimsenmiştir. Bu avantajları nedeniyle MIMO ve OFDM sistemlerinin birlikte kullanımını gelecek yüksek veri hızlı sistemler için cazip teknikler yapmıştır.Bu tezde ileri çoklu-anten çözümleri ile birlikte OFDM'e dayalı OFDMA ve SC-FDMA teknolojilerini kullanan LTE sistemler de ele alınmıştır. Üstün Üçüncü Nesil (Super 3G) olarak da adlandırılan LTE sistemleri, diğer 3G gezgin iletişim sistemleri ile karşılaştırıldığında, 3GPP LTE'nin gelişmiş teknolojiler ve yeni sinyal işleme algoritmaları kullandığı, hava arayüz yapı katmanı, fiziksel katman iletim teknolojileri, ve sistem yapısında köklü değişiklikler önerdiği görülmektedir.Diğer birçok faz uyumlu dijital telsiz alıcılarda olduğu gibi, kanal kestirimi uyumlu MIMO-OFDM sistemlerindeki alıcı tasarımının, ayrılmaz bir parçasıdır. Telsiz sistemlerinde gönderilen bilgi bir radyo kanalından geçtikten sonra alıcıya ulaşır. Geleneksel faz uyumlu alıcılar için, iletilen sinyal üzerindeki kanal etkisi iletilen bilgiyi geri elde etmek için kestirilmelidir. Alıcı kanalın işareti nasıl değiştirdiğini doğru bir şekilde kestirdiği taktirde iletilen işareti yeniden elde edebilir.Bu tezde, Sabit Genişbantlı Kablosuz Uygulamalarda MIMO-OFDM ve LTE Uplink sistemleri için, kanal kestirim teknikleriyle ilgili olarak yürütülen çalışmalar ana başlıklar halinde aşağıdaki şekilde sıralanabilir:?Bayes ve Kalman Filtre tabanlı yeni etkin kanal kestirim algoritmalarının geliştirilmesi?Bu sistemlerin çalışacağı gerçek kanal modellerine ilişkin parametrelerin belirlenmesi ve bu kanalların analiz ve bilgisayar simulasyonlarının yapılması?Önerilen kanal kestirim algoritmalarının sayısal alıcılarda çevrimiçi kullanılabilmesi için hesaplama karmaşıklığının azaltılması?Geliştirilen bu algoritmaların her biri için başarım analiz yöntemlerinin belirlenmesi ve gerçekleştirilerek varolan yöntemlerle karşılaştırılması?Önerilen algoritmaların çalışacağı sistemlerin başarım analizlerinin analitik olarak yapılabilmesi için kuramsal özgün hata üst sınırların geliştirilmesi

Abstract:
Driven by multimedia based applications, anticipated future wireless applications will require high data rate capable systems. Novel techniques like multiple input multiple output (MIMO) and orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) stand as promising choices for future high data rate systems . MIMO employs multiple antennas at the transmitter and receiver sides to open up additional subchannels in spatial domain. Since the parallel channels are established over the same time and frequency, high data rates without the need of extra bandwidth are achieved. Due to this bandwidth efficiency, efforts are in progress to include MIMO in the standards of future broadband wireless access (BWA).OFDM, on the other hand, divides the available spectrum into a number of overlapping but orthogonal narrowband subchannels, and hence converts a frequency selective channel into a non-frequency selective one. Moreover, inter-symbol interference (ISI) isavoided by the extension of OFDM symbols with cyclic prefix (CP). With these vital advantages, OFDM has been adopted by many wireless standards such as digital audio and video broadcasting (DAB, DVB), wireless local area networks (WLAN), and wireless metropolitan area networks (WMAN). These benefits has made the combination of MIMO-OFDM an attractive technique for future high data rate systems.In this dissertation, Long term evolution (LTE) standarts are also considered which uses Orthogonal Frequency Division Multiple (OFDM) based technologies such as Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA), Single Carrier-Frequency Division Multiple Access (SC-FDMA) as their multiple access technologies with frequency domain adaptation in combination with advanced multi-antenna solutions.LTE for 3G radio access is sometimes referred to as Super-3G. Compared with the 3rd generation mobile communication system, 3GPP LTE has revolutionized the physical layer transmission technologies, the air interface protocol structure layer, and network architecture by adopting series of advanced technologies and novel concepts.Like many other coherent digital wireless receivers, channel estimation is an integral part of the receiver designs in coherent MIMO-OFDM systems. In wireless systems, the transmitted information reaches the receiver after passing through a radio channel. For conventional coherent receivers, the effect of the channel on the transmitted signal must be estimated to recover the transmitted information. As long as the receiver accurately estimates how the channel modifies the transmitted signal, it can recover the transmitted information.In this dissertation, we will specifically address following issues arising in channel estimation techniques for MIMO-OFDM systems in fixed broadband wireless applications and for LTE systems:?Bayesian and Kalman Filter based new efficient channel estimation algorithms have been worked out and developed for some of the problems mentioned above,?Channel model parameters, corresponding to fixed wireless MIMO-OFDM and LTE systems have been investigated and then simulation studies have been carried out,?Computational complexity problems of these algorithms when applied to on-line implementations of some algorithms running in the digital receivers have been handled,?Implementation of these algorithms based on batch processing and sequential (adaptive) processing depending on how the data are processed and the inference is made has not been completely solved for some of the techniques mentioned above,?For each proposed algorithm, performance issues have be explored,?Analytical performance bounds for these systems that include developed advanced signal processing algorithms have been explored and studied in details.