MIMO-OFDM WLAN sistemlerinde kompakt çok-modlu anten dizinleri ve anten seçimi kullanılarak kapasite arttırımı
Capacity improvement in  MIMO-OFDM WLAN systems using compact multimode antenna arrays and antenna selection
Yazar: ASUMAN YAVANOĞLU
Danışman: YRD. DOÇ. DR. ÖZGÜR ERTUĞ
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2013
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Kablosuz haberleşme sistemlerinde özellikle gelişen sevislerle çoğul-ortam veri iletimi için iç-ortam WLAN (Wireless Local Area Network) sistemlerinde veri hızı ve erişim kalitesi açısından artış gerekmektedir. Yeni nesil kablosuz haberleşme sistemlerinde yüksek iletim performansı ve yüksek veri hızlarına gönderici ve alıcıda çoklu anten kullanımı sağlayan MIMO (Multiple input Multiple output) sistemler ile ulaşılabilmektedir. IEEE802.11n standardına uyumlu MIMO-OFDM WLAN sistemlerinde yüksek erişim kalitesine ulaşmak için kullanılan antenlerde elemanlar arası ilintinin düşük olması ve boyut-performans açısından avantaja sahip olan kompakt antenlerin kullanılması büyük önem taşımaktadır. MIMO haberleşmede IEEE802.11n standardına uyumlu MIMO-OFDM WLAN sistemlerinde yüksek transmisyon performansı ve iletim hızlarına ulaşmak için kullanılan anten türü ve iletim kanalına bağlı olarak oluşan transmisyon portları arası ilinti de büyük önem taşımaktadır. 

Bu tez çalışmasında MIMO uzaysal-çoğullama ile IEEE802.11n MIMO-OFDM WLAN haberleşme sistemlerinde kullanılmak üzere kompakt multimod bindirilmiş mikroşerit anten dizinlerinin uzay-multimod (SM-SCP-ULA) ve uzay-multimod-polarizasyon (SMP-SCP-ULA) çeşitliliğini hibrit olarak içerecek şekilde kullanılan dairesel yama antenin lineer dizin olarak kullanıldığı durumda temel mod ve yüksek-dereceden modlarda ışıma özellikleri kullanılarak eriştiği uzaysal/modal ilinti, ergodik spektral verimlilik, veri hızı ve bit-hata oranı cinsinden sistem performansına etkisi incelenmiş ve farklı MIMO detektörler kullanılarak elde edilen benzetim çalışmaları literatürde sıkça yer alan dipol (DP-ULA) ve ana-mod dairesel mikroşerit antenlerle (CP-ULA) karşılaştırmalı olarak yapılmış ve veri hızı ve kompaktlık açısından kazançları ortaya konulmuştur. 

Yüksek derece modlarda ışıma yapan SMP-SCP anten dizinlerinde ayrıca dizi boyutu arttıkça çeşitlilik kanal sayısındaki artış hem maliyet hem de işlem karmaşıklığında bir artışa yol açmaktadır. Bu probleme bir çözüm olarak bu tez çalışmasında kapasite-maksimizasyonu tabanlı ortak gönderici / alıcı anten seçimi teknikleri kullanılmış, RF zinciri sayısı azaltılarak alt-taşıyıcı başına anten seçimi algoritmaları kullanılarak kapasite artışı yönünde elde edilen kazançlar benzetim sonuçları ile ortaya konulmuştur.

Abstract:
The recent developments in wireless communication systems in indoor environments requires high data rate and high transmission quality especially for multimedia applications in WLAN (Wireless Local Area Network) systems. In the next generation communication systems, the spectral efficiency and transmission quality can be vastly enhanced by using compact-multiple-antennas with low correlation ports at both the transmitter and the receiver side for MIMO communication. 

In this thesis, the performance analysis in terms of ergodic spectral efficiency and data rate as well as compactness gain for both compact space-multimode stacked circular microstrip patch antenna arrays (SM-SCP-ULA) and space-multimode-polarization stacked circular microstrip patch antenna arrays (SMP-SCP-ULA) which are used for MIMO SM (Spatial Multiplexing) communication in OFDM WLAN systems conforming to IEEE802.11n Standard is presented by using linear MIMO detectors comperatively with respect to dipole atenna arrays (DP-ULA) and dominant mode circular patch antenna arrays (CP-ULA). 

Multiple antennas and also MIMO can improve the system capacity and reiability of radio communication, however the multiple RF chains associated with multiple antennas are costly in terms of hardware, computational complexity and size. Antenna selection is a low-cost solution to reduce this problem. In this thesis, we propose capacity-maximization-based joint transmit/receive antenna selection in IEEE 802.11n MIMO-OFDM WLANs over spatially-correlated Ricean fading channels composed of using Space-Multimode-Polarization Diversity Stacked Circular Multimode Microstrip Patch Antenna Arrays (SMP-SCP-ULA). Selection algorithms are flexible Two-Step Selection Algorithm (TSSA) at the receiver and Variable Per-Tone Selection Algorithm (VAS-PS) at the transmitter.  Using capacity-maximization based antenna selection in conjunction with higher-order modal SMP-SCP-ULA provides an additional performance improvement in terms ergodic spectral efficiency and reduces the need for multiple radio frequency (RF) chains.