Dik kanal modülasyonda kanal kestirimi
Channel estimation of quadrature channel modulation
Yazar: HASAN PAMUKÇU
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ BAHATTİN KARAKAYA ; PROF. DR. HAKAN ALİ ÇIRPAN
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Gelişen teknolojiyle insanların telsiz iletişime duydukları ihtiyaç her geçen gün
artmaktadır. Bu ihtiyaç sadece telefonlar ve bilgisayarlar ile karşılanmamaktadır.
Günümüzde nesnelerin interneti (Internet of Things) adı altında insanlara hizmet eden
hemen her aracın birbirleriyle iletişimi söz konusudur. Artan talep yüksek veri hızlarına
çıkmayı ve bant verimliliğini artırmayı gerektirmektedir. Bu talepleri karşılamak için
bir çok çalışma yapılmaktadır. Bu çalışmaların en popüler olanları hiç şüphesiz indeks
modülasyon (Index Modulation, IM) teknikleri üzerine olmaktadır.
Uzaysal Modülasyon (Spatial Modulation, SM) bilinen en iyi IM uygulamasıdır. Uzaysal
modülasyon, geleneksel modülasyon tekniklerine ek olarak bilgi bitlerini iletmek için iki
boyutlu yaklaşımla aktif anten indisini de kullanır. Bu sayede bant verimliliği geleneksel
modülasyonlara göre artırılmış olur.
Dik Uzaysal Modülasyon (Quadrature Spatial Modulation, QSM) tekniği de SM'in
geliştirilmiş halidir. Bu teknikte SM'den farklı olarak bilgi bitleri gerçek ve sanal olmak
üzere iki farklı antenden gönderilir. Böylece iletme bir boyut daha kazandırılır ve bant
verimliliği SM'e göre artırılmış olur. Ayrıca sistemde karmaşıklık artışı olmamıştır ve
hata başarım oranı daha iyi olmuştur.
SM ve QSM yüksek veri hızlarına ulaşmada etkilidir. Fakat yüksek veri hızı ve bant
verimliliği verici anten sayısının artmasıyla sağlanmaktadır. Bu sebeple, SM ve QSM'de
yüksek veri hızı ve bant verimliliği yüksek maliyetlerle sağlanabilmektedir. Bu maliyet
artışından kurtulmak için verici anten birimlerine radyo frekansı (radio frequency, RF)
aynaları yerleştirilerek, ayarlanabilen etkin anten durumlarını veri iletiminde kullanma
fikri önerilmiştir. Bu teknik Ortam Tabanlı Modülasyon(Media Based Modülasyon,
MBM) olarak bilinmektedir.
QSM ve MBM tekniklerinin birleşiminden oluşan dik kanal modülasyonu (Quadrature
Channel Modulation, QCM) bilgi bitlerinin iletiminde RF aynaları ve aktif anten indisini
beraber kullanarak daha iyi bant verimliliği ve veri hızı sağlar. Ayrıca QCM bit hata
başarımında ciddi avantajlar sağlar.
Geliştirilen bu teknikler temelde verici biriminin, verici anten ve RF aynası, sayısının
artması ile daha fazla avantaj sağlamaktadır. Verici birimin sayısının artması, sağladığı
avantajların yanında kanal durum bilgisinin (Channel State Information, CSI) önemini
artırmaktadır. Kanal durum bilgisini elde edebilmek için kanal kestirimi yapılmaktadır.
Kanal kestirimi için kullanılan çeşitli teknikler vardır. Bunlardan en yaygın kullanılanı
pilot işaret yöntemiyle kanal kestirimdir.
Bu tez çalışmasında QCM sistemi için kanal kestirimi çalışılmıştır. İlk olarak kanal
kestirim hatası modellenerek sistem modeli verilmiştir. QCM şemasının çift yönlü
hata olasılığı (Pairwise Error Probalitiy, PEP) kanal kestirim hatası varlığında kapalı
formda hesaplanmıştır ve ortalama bit hatasının (Average Bit Errror Rate, ABEP) üst
sınırını M-QAM sinyaliyle hesaplamak için kullanılmıştır. Bit hata oranı kanal durum
bilgisinin tamamen bilindiği durum ile bilgisayar simülasyonlarıyla karşılaştırılmıştır.
Bilgisayar simülasyon sonuçları teorik analiz sonuçlarının doğruluğunu artan sinyal
gürültü oranı (Signal-to-Noise ratio, SNR) için göstermiştir. Devamında pilot işaret
yöntemiyle kanal kestirim çalışması yapılmıştır. Kanalın tamamen bilindiği durum ile
bilgisayar simülasyonlarıyla karşılaştırılmıştır.

Abstract:
People wireless communications needs are increasing day by day with the developing
technology. This need is not provided by only mobile phone and computers. Nowadays,
almost every device that serves people communicates each other under the name of
Internet of things (IoT). Increasing communications demand requires higher data rates
and spectral efficiency. In order to meet increasing demands, many studies have been
carried out. The most popular of these studies are undoubtedly on index modulation (IM)
techniques.
Spatial modulation (SM) is the most well-known application of IM. SM considers two
dimensional approach to transmit information bits by using the index of active transmit
antenna in addition to the traditional modulation techniques. In this way, spectral
efficiency is increasing compared to traditional modulation techniques.
Quadrature spatial modulation (QSM) technique is an improved version of SM. In this
technique differently from SM, real and imaginary part of information bits are transmitted
by two different antennas to gain one more dimension in transmission. Thus, spectral
efficiency is increased compared to SM. Moreover, there will be any hardware complexity
in the system and error performance will be better.
SM and QSM are very effective in achieving high data rates. However, the high data rates
and spectral efficiency are provided by the large number of transmit antennas. Therefore,
high data rates and spectral efficiency can be achieved at high costs in SM and QSM. To
avoid this high cots, the idea of using radio frequency (RF) mirrors in transmitting antenna
units has been proposed for using them in data transmission with adjustable active antenna
status. This technique known as media based modulation (MBM).
Combination of QSM and MBM techniques, which is quadrature channel modulation
(QCM) provided better spectral efficiency and high data rates by using together both RF
mirrors and index of active antennas for data transmissions. Furthermore, QCM provides
serious advantages in bit error performance.
Developing these techniques mainly provide more advantages by increasing the number of
transmit units, such as transmit antenna and RF mirrors and so on. In addition to the these
advantages, the channel state information (CSI) is becoming more important. Channel
estimations is performed to obtain channel state information. The most commonly used
technique is the pilot-based channel estimation.
In this thesis, channel estimation for the QCM system is studied. Firstly, modelling the
channel estimation error and system model is given. A closed-form expression for the
pairwise error probability (PEP) of the QC scheme is derived in the presence of channel
estimation errors, and used to calculate upper bound of the average bit error probability
(ABEP) for M-QAM signalling. The bit error rate is compared with the conditions
of perfectly known channel state information by the computer simulations. Computer
simulation results are provided to corroborate the accuracy of the derived analysis with
increasing signal-to-noise ratio (SNR). Finally, channel estimation is performed by using
the pilot-based channel estimation technique. Computer simulations compared with the
conditions of perfectly known channel state information.