Kablosuz iletişim sistemlerinde zaman-frekans yaklaşımı ile kanal modelleme ve kestirimi
Channel modeling and estimation for wireless communication systems using a time-frequency approach
Yazar: MAHMUT YALÇIN
Danışman: PROF. DR. AYDIN AKAN
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2011
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Eğri uydurma algoritmaları = Curve fitting algorithms ; Kablosuz iletişim = Wireless communication ; Kablosuz sistemler = Wireless systems ; Kanal kestirimi = Channel estimation ; Kanal modelleri = Channel models ; OFDM = Orthogonal frequency division multiplexing ; Sezimleme = Detection ; Zaman-frekans = Time-frequency ; İletişim sistemleri = Communication systems

Özet:
Geniş bandlı kablosuz iletişim, günümüzde çok hızla gelişen bir iletişim sektörüdür. Dikgen Frekans Bölmeli Çoğullama, Dikgen Olmayan Frekans Bölmeli Çoğullama, Darbe şekillendirme ve Çok Taşıyıcılı Yayılı İzge gibi çok taşıyıcılı modülasyon tekniklerinin, hızlı değişen çok yollu iletişim kanallarında, semboller arası girişimlere ve gürültülere karşı tek taşıyıcılı iletişim sistemlerine göre çok daha dayanıklı olduğu son yıllarda ortaya konmuştur. Bu nedenle yeni nesil, data hızı yüksek, geniş bandlı kablosuz iletişim sistemleri için, çok taşıyıcılı modülasyon teknikleri aday olarak düşünülmekte, ve standart olarak yerleşmektedir. Örnek olarak Avrupa sayısal radyo yayın sistemi, sayısal televizyon sistemi, kablosuz yerel bilgisayar ağları standardı (IEEE 802.11a) ve kablosuz metropolitan bilgisayar ağları (IEEE 802.16a) verilebilir. Ancak, Doppler frekans kaymaları, faz ve osilatör frekans kaymaları, ve çok yollu sönümleme etkileri, çok taşıyıcılı iletişim sistemlerinin başarımını büyük oranda zayıflatmaktadır. Özellikle gezgin iletişim sistemlerinde kanal yapısı hızla değişebildiğinden, ardarda gelen iletim sembolleri arasında kanal parametrelerinde büyük sıçramalar olabilmektedir. Bu nedenle kanal parametrelerinin kestirimi ve alıcıda kanal denkleştirme işlemleri gerekmektedir. Dolayısıyla çok taşıyıcılı iletişimdeki işaret ve sistemlerin gösterimi ve modellenmesi için yeni ve üstün yaklaşımlar ortaya konması, iletişim mühendisliği alanında önemli yararlar sağlayacaktır.Çok yüksek mobiliteli sönümlemeli kanallarda, OFDM sembolü üzerindeki kanalın zaman değişimi, altkanalın diklik kaybına sebep olmasının sonucunda taşıyıcılar arası girişime neden olur. Geleneksel kestirim teknikleri kullanan alıcılar, bir OFDM sembolü boyunca kanalı zamanla değişmez kabul ettiğinden yüksek mobiliteli durumlarda hata yüzeyine sahiptir.Bu tezde, kablosuz OFDM için 2 boyutlu (2B) pilot sembolü destekli kanal kestirim yöntemi sunulmuştur. Bu kestirim için kullanılan doğrusal aradeğerleme algoritması, gerçek mobil kanala iyi bir tahminle yaklaşırken sistem karmaşıklığı ve işlem gecikmesini minimum yapma avantajına sahiptir. 2 boyutlu frekans bölgesi kestirim algoritmasının performansı, evreuyumlu kiplenimli mükemmel kanal kestiriminin yanısıra diğer geleneksel yöntemlerle de karşılaştırılmış ve farklı sezim teknikleri kullanılarak da incelenmiştir.Yapılan benzetimlerde, önerilen kanal kestirim algoritmasının, daha önce önerilen geleneksel kanal kestirim algoritmalarına göre üstünlüğü ve başarımının yüksek mobilite ortamında kanalın bilindiği duruma yakın sonuçlar verdiği gösterilmiştir.

Abstract:
Broadband wireless communication is a very fast growing communication area. Multicarrier modulation techniques like Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM), Biorthogonal Frequency Division Multiplexing (BFDM), Pulse Shaping (PS) and Multi-Carrier Spread Spectrum (MCSS) have recently been introduced as robust techniques against intersymbol interference (ISI) and noise, compared to single carrier communication systems over fast fading multipath communication channels. Therefore, multicarrier modulation techniques have been considered as a candidate for new generation, high data rate broadband wireless communication systems and have been adopted as the related standards. Several examples are the European digital audio broadcasting (DAB) and digital video broadcasting (DVB), the IEEE standands for wireless local area networks (WLAN), 802.11a, and wireless metropolitan area networks (WMAN), 802.16a. However, Doppler frequency shifts, phase offset, local oscillator frequency shifts, and multi-path fading severely degrade the performance of multicarrier communication systems. For fast-varying channels, especially in mobile systems, large fluctuations of the channel parameters are expected between consecutive transmit symbols, because channel state of wireless communication systems may change rapidly. Therefore, the estimation of channel parameters and channel equalization at the receiver becomes essential. Ultimately, introducing new and successful approaches for the representation and modelling of signals and systems in multicarrier communication systems will trigger an important progress in communication engineering.In fading channels with very high mobility, the time variation of channel over an OFDM symbol period results in a loss of subchannel orthogonality which leads to inter-carrier interference (ICI). Receivers based on conventional estimation techniques that assume time-invariant channel for one OFDM symbol has error floor for high mobility cases.In this thesis, two-dimensional (2D) pilot-symbol assisted channel estimation for wireless OFDM systems is presented. This linear interpolation algorithm has the advantage of minimizing the system complexity and processing delay while providing a good approximation to real mobile environment. The performance of the 2D frequency domain estimation algorithm is compared to coherent modulation with perfect channel estimation as well as other conventional methods, and investigated under different detection techniques.Simulation results show that the performance of proposed channel estimation algorithm outperforms the conventional channel estimation algorithms and gives very close results to the known channel state case for high mobility environments.