Frekans ve Zaman Bölgesi Kanal Denkleştiricili OFDM Sistemlerinin Kodlamasız ve Katlamalı Kodlanmış Başarımlarının Karşılaştırılması

Transkript

1 Fırat Ünv. Fen ve Mü. Bl. Der. Sene an Eng. J o Fırat Unv Freans ve Zaman Bölges Kanal Denleştrl OFDM Sstemlernn Kolamasız ve Katlamalı Kolanmış Başarımlarının Karşılaştırılması Brol SOYSA ve İsmal KAYA Atatür Ünverstes Eletr-Eletron Müenslğ Bölümü 5 Erzurum Karaenz Ten Ünverstes Eletr-Eletron Müenslğ Bölümü 68 Trabzon bsoysal@ataun.eu.tr Gelş/Reeve: 5.8.5; Kabul/Aepte: 8..6 Özet: Bu çalışmaa reans ve zaman bölges anal enleştrl OFDM sstemlernn olamasız ve atlamalı olama ullanılması urumuna BER başarımları arşılaştırılmataır. Benzetmler Rayleg sönümlemel reans seç anallar üzernen gerçeleştrlmştr. Ele elen sonuçlar gürültünün etn oluğu bölgee zaman bölges anal enleştrl sstemn ISI ın etn oluğu bölgee se reans bölges anal enleştrl sstemn başarımının aa yüse oluğunu göstermştr. Ayrıa atlamalı olama tenğnn zaman bölges anal enleştrl sstemn ata eşğn aşağı çetğ aat ortaan alıramaığı belrlenmştr. Anatar elmeler: OFDM Katlamalı olama Kanal enleştrme Perormane Comparson o Unoe an Convolutonal Coe OFDM Systems wt Frequeny an Tme Doman Cannel Equalzer Abstrat: In ts stuy BER perormanes o unoe an onvolutonal oe OFDM systems wt requeny an tme oman annel equalzer are ompare. Smulatons are arre out troug Rayleg ae requeny seletve annels. Te results obtane sow tat te system wt tme oman annel equalzer ebts better perormane n te nose lmte regon wle te perormane o te system wt requeny oman annel equalzer s better n ISI lmte regon. It s also observe tat onvolutonal ong tenque as reue error loor o te system wt tme oman annel equalzer but as not remove t totally. Key wors: OFDM Convolutonal ong Cannel equalzaton. Grş Son on yıla letşm tenololer onusuna yapılan araştırmaların büyü br ısmı aa yüse ızlara ver letm sağlayan ablosuz letşm sstem tasarımı üzerne yoğunlaşmataır. Günümüze nternet üzernen gerçeleştrlen ses görüntü ve ver letşmne mütş artış çolu ortam multmea uygulamaları belentlernn büyü oluğunu oğrular ntelter. Çolu ortam uygulamalarının geretrğ yüse ızlara çımayı sağlayaa sstemler olara se Ortogonal Freans Paylaşımlı Çolama Ortogonal Frequeny Dvson Multpleng OFDM tabanlı sstemler görülmeter [ ]. OFDM tabanlı sstemlere letşm çn tass elen bant genşlğ ço sayıa ar bantlı alt anallara ayrılır ve gönerlee ver bu alt anallar üzernen paralel olara letlr. Her br alt analan letlen ver mtarı üşü olmasına rağmen toplama yüse ızlara çımayı sağlamataır. Kanalın bozuu etlernen br olan smgeler arası grşm Inter Symbol Intererene ISI analın geme yayılmasına bağlı olara bren azla smgenn aynı ana anala bulunmasınan aynalanmataır. Alııa analan alınan er br örnete bren azla smge yer alığınan veren ang smgenn gönerlmş oluğuna arar verren atalar meyana gelmete ve sstem başarımı üşmeter. veren gönerlen

2 B. Soysal ve İ. Kaya smgey v analan örnelenen şaret ve anal atsayılarını gösterme üzere alıı grşne şaret v... olara yazılablr. Buraa analın geme attı süzgeç moelne al sayısını ve toplanır beyaz Gauss gürültüsünü göstermeter. Böyle br şaretten veren gönerlen smgeler çıarma grşm ortaan alırma öneml br problemr. Bu problem aşma çn anal enleştr Cannel equalzer ullanma önemn oruyan br yöntemr. OFDM tabanlı sstemlere şaret em reans bölgesne em e zaman bölgesne şleneblğnen anal enleştrler e em reans bölgesne [] [] em e zaman bölgesne tasarlanablmeter [5]. Kanal enleştr ullanılara ISI ya arşı önlem alınsa a gürültü anala meyana gelen ern sönümlenmeler ve analın reans seçlğnen olayı sstem başarımı sınırlanmataır. Daa yüse başarıma sap br sstem ele etme çn ata üzeltme olaması tenler yaygın olara ullanılmataır. Brço olama tenğ bulunmasına rağmen OFDM tabanlı sstemlere başarımlarının yüse olmasınan olayı atlamalı olama Convolutonal ong ve turbo olama Turbo ong [6-8] tenler ter elmeter.. OFDM Sstem Şel.a a görülen vere olayıı olara ısıt uzunluğu Constrant lengt K 7 ve olama oranı R / olan atlamalı olayıı ullanılmıştır. Gönerlee şaret olanıtan sonra seçlen ver ızına bağlı olara alt taşıyıı moülasyonuna tab tutulur. Bu çalışmaa ver ızı Mbt/s olara seçlğnen alt taşıyıı moülasyon bçm Quarature Pase St Keyng QPSK r. Arınan plot alt taşıyııların a elenmesyle ele elen reans bölges OFDM smgesne 6 notalı IFFT Inverse Fast Fourer Transorm şlem uygulanır. Ele elen zaman bölges OFDM smgeler ve eşzamanlama çn ullanılaa özel smgelern e elenmesyle çerçeve oluşturulur. Alça geçren süzgeç le stenmeyen reans bleşenler yo elen şaret RF moülatörü ve yüseltenen sonra antene verlr. Alıı yapısı reans bölges anal enleştr Frequeny Doman Equalzer FEQ ullanılması alne Şel.b zaman bölges anal enleştr Tme Doman Equalzer TEQ ullanılması alne se Şel. le verlmeter. Şel. OFDM sstemnn blo şeması a Ver b Freans bölges anal enleştrl alıı Zaman bölges anal enleştrl alıı FEQ ullanılan ssteme alınan şaret öne uvvetlenrlr ve RF Rao Frequeny emoülatör yarımıyla temel banta nrlr. Alça geçren süzgeçten geçrlten sonra çerçeve yapısı çözümlenr ve zaman bölges OFDM smgeler ele elr. Freans bölges OFDM smgelern yenen ele etme çn şarete 6 notalı FFT Fast Fourer Transorm şlem uygulanır. Plot alt taşıyıılarının azına önme ve genllerne zayılamaya göre ğer alt taşıyıılarla gelen şaretlern az ve genller üzeltlr. Bu şlem br çeşt reans bölges anal enleştrme şlemr. Daa sonra alt taşıyıı emoülasyonu yarımıyla gönerlen btler ele elr. Çeştl neenleren olayı meyana gelen ataları üzeltme amaıyla şaret Vterb o çözüü grşne uygulanır. Böylee veren gönerlen şaretn br opyası ele elmş olur. TEQ ullanılan ssteme se anal enleştrme şlem zaman bölgesne ve RF 8

3 Freans ve Zaman Bölges Kanal Denleştrl OFDM Sstemlernn Kolamasız ve Katlamalı Kolanmış Başarımlarının atınan emen sonra yapılmataır. Dğer şlemler FEQ l alııa oluğu gbr. FFT şlem sonuuna ele elen şaret emoülasyona tab tutulmata ve arınan a o çözme şlem gelmeter. Blgsayar benzetm yapılıren öneml ablosuz ağ stanarı olan IEEE nn Insttute o Eletral an Eletrons Engneers 8.a ve ETSI nn European Teleommunaton Stanars Insttute HIPERAN/ Hg Perormane Rao oal Area Networ/Type stanartlarının sstem parametreler temel alınmış IEEE 8.a stanarının öngörüğü çerçeve yapısı ullanılmıştır [9] []. aet ısa OFDM smgesnn arınan aet uzun OFDM smges le zamanaşlama eler oluşturulmuş arınan aet OFDM smges le çerçeve tamamlanmıştır. Oluşturulan çerçeve brbrnen arlı 5 analan gönerlmş ve bu şlem arlı SNR Sgnal to Nose Rato eğerlerne terarlanara sstemn BER Bt Error Rate başarımı ele elmştr. Ver le alıının brbrn göremeğ urumları a apsayan Rayleg sönümlenmel anal moel ullanılmış olup anal prol olara [] e verlen prol ullanılmıştır. Bu prol { } zs le verlmeter. Bu proln seçlmesne amaç oluça ötü br spetral araterstğe sap olmasıır []. Sstemn blgsayar benzetm Mrosot Vsual C6. ortamına gerçeleştrlmştr. Freans bölges anal enleştrl ssteme anal veya anal enleştr atsayıları reans bölgesne zaman bölges anal enleştrl ssteme se anal atsayıları zaman bölgesne MS algortması ullanılara estrlmştr. Her uruma a estrm çn brbrnn aynı olan aet uzun OFDM smges ullanılmıştır.. Freans Bölges Kanal Denleştrl Sstem ve Başarımı Veren gönerlen çerçevenn başına ısa başlangıç enen Sort preamble sonra yer alan ve uzun başlangıç e ong preamble olara alanırılan aet plot smge analın reans bölgesne estrleblmes çn gerel olanağı sağlamataır. Uzun başlangıç e çersne T ve T plot smgeler brbrleryle özeş ve er br 6 örne uzunluğunaır. Alııa FFT şlemnen sonra bu plot smgelere at alınan şaret R R T T H H W W le verleblr. Buraa H analın. alttaşıyııya arşı gelen reans tepesn veren gönerlen reans bölges plot smge örneğn ve W l se toplanır beyaz Gauss gürültüsünün reans bölges örneğn göstermeter. Plot smgelern ortalaması üzernen yapılaa estrm sonuuna analın reans tepes Hˆ H R R T T H W H W W W olara ele elr. Buraa armaşı bölme şlem yapma yerne gönerlen şaretn eşlenğ le çarpma yoluna glmştr. Gürültü örneler arasına orelasyon olmaığı abul elee olursa son enlemen gürültünün etsnn yarı yarıya azaltılığı söyleneblr. Ele elen atsayılar analın reans tepesnn estrlmş eğerler olmalarının yanı sıra reans bölges anal enleştr atsayılarıırlar. Bu atsayılar yarımıyla veren gönerlen smge aşağıa gb ele eleblr: R ˆ Hˆ Buraa R alınan şaretn reans bölges örneğ ve ˆ veren gönerlen smgenn estrlmş eğern göstermeter. Karmaşı bölme şlemnen urtulma amaıyla yne eşlenle çarpma yapılaa olursa ˆ R Hˆ 5 9

4 B. Soysal ve İ. Kaya olara ele elr. BER E E- E- E- E- E-5 AWGN Kolamasız Kolamalı DFE ter elmştr. Çünü bu yapı özellle şaret gürültü oranının üşü oluğu urumlara anala enery toplayara Multpat versty alııa şaret gürültü oranını masmum yapmataır [] []. Şel te zaman bölges anal enleştr CMF-DFE görülmeter. Kanal uyumlu süzgeç analın geme attı süzgeç moelnn aynaa as ve atsayıları a anal atsayılarının armaşı eşlenğr. CMF çıışına şaret çn E-6 SNR [B] Şel. Freans bölges anal enleştrl sstemn olamasız ve olamalı BER başarımı Şel e reans bölges anal enleştrl OFDM sstemnn BER başarımı verlmeter. Kolamasız OFDM sstem başarımının - bt ata oranına ana 5 B l şaret gürültü oranına ulaşablğ görülmeter. Oysa atlamalı olayıı le aynı oranı ele etme çn B en aa az şaret gürültü oranına tyaç uyulmataır.. Zaman Bölges Kanal Denleştrl Sstem ve Başarımı Freans bölges anal enleştr er br alt-taşıyıı çn genl ve azın üzeltlmesn sağlayan brer atsayıan oluştuğu çn oluça bast br yapıya saptr. Oysa zaman bölgesne alınan şaret gönerlen şaret le analın vuruş tepesnn atlanması ve gürültünün toplamınan oluşmataır. Dolayısıyla enleştrme şlem aslına br ters atlamayı veya analın ters le atlamayı geretrmeter. y v v v... v 6 yazılablr. 5 allı anal çn eştlğ 6 eştlğne ullanılır ve üzenlenrse termnn çarpanının gerçel oluğu sanal ısmının bulunmaığı görüleetr. Bu eşzamanlamanın smgesne yapılması alne CMF n çıışına bu smgenn azı üzeltlmş olara ele elebleeğ anlamına gelmeter. Bu uruma ğer bleşenler ISI bleşenler olaatır. Eğer bu ISI bleşenler ortaan alırılablrse gerye ele elme stenen smgeye at şaret alaatır. smgesnn atsayısının genlğ ğer smgelern atsayılarının genlğnen em aa büyü em e gerçel eğerlr. smgesne at bütün allaran gelen ener toplanmış olmataır. Ayrıa ISI bleşenlernen le 8 n le 7 nn le 6 nın ve le 5 n atsayıları brbrlernn armaşı eşlenlerr. Yan genller eşt aat açıları ters şaretlr. CMF n br özellğ e en y örneleme notasını sağlıyor olmasıır. CMF-DFE anal enleştr çıışı Şel. CMF-DFE anal enleştr blo şeması Zaman bölges anal enleştr olara anal uyumlu süzgeç çeren arar gerbeslemel enleştr Cannel Mate Ftler-Deson Feeba Equalzer CMF- ˆ y 7 b le esaplanablr. Buraa ˆ anal enleştr çıışına estrlen smgey y CMF çıışına şaret arar verlen smgey ler-besleme ısmının al sayısını ger-besleme ısmının al b

5 Freans ve Zaman Bölges Kanal Denleştrl OFDM Sstemlernn Kolamasız ve Katlamalı Kolanmış Başarımlarının sayısını lerbesleme ısmının atsayılarını ve ger-besleme ısmının atsayılarını göstermeter. Kanal enleştrnn sap oluğu ger-besleme çevrm DFE y oğrusal olmayan br yapıya götürmete ve bu a olay analz elmesn engellemeter. Buna rağmen DFE atsayılarının optmum yapılmasına ortalama aresel ata rter ullanılablmeter []. CMF n çıış aes 7 eştlğne ullanılaa olursa... - b... b ˆ 8 ele elr. Buraa 9 le verlen yen atsayılar taımıır. Bu genel enlem analın 5 allı anal enleştrnn ler-beslemel ısmının 5 ger-beslemel ısmının allı olması alne yazılır ve üzenlenrse ˆ ele elr. Bu eştlte aet ISI bleşen görülmeter. Eşzamanlamanın smgesne yapılması alne anal enleştrnn ler-beslemel süzgeç ısmı le smgesnen sonra { } ISI bleşenler ve gerbeslemel süzgeç ısmı le { } ISI bleşenler ortaan alırılablr. Ger alan { } bleşenler se alıı ISI bleşenlern oluştururlar. Bu bleşenler CMF-DFE nn ata eşğnn neenrler. ISI bleşenlernn atsayıları sııra ve smgesnn atsayısı e zorlanara ele elen enlem taımının çözümü anal enleştr atsayılarını vereetr Şel te zaman bölges anal enleştrl OFDM sstemnn BER başarımı verlmeter. Kolamasız OFDM sstem başarımının - bt ata oranına yaınsaığı görülüren atlamalı olayıı le - bt ata oranına erşleblmeter.

6 B. Soysal ve İ. Kaya Zaman bölges anal enleştrl ssteme alıı ISI bleşenler neenyle br ata eşğ oluşmata ve BER belrl br eğern altına üşememeter. BER E E- E- E- E- E-5 SNR [B] AWGN Kolamasız Kolamalı Şel. Zaman bölges anal enleştrl sstemn olamasız ve olamalı BER başarımı Şel 5 te se reans ve zaman bölges anal enleştrl sstemlern olamalı BER başarımları verlmeter. Zaman bölges anal enleştrl sstemn BER başarımı gürültünün etn oluğu bölgee SNR < 5 B reans bölges anal enleştrl sstemn BER başarımınan aa y olmasına arşın ISI ın etn oluğu bölgee SNR > 5 B ata eşğ neenyle reans bölges anal enleştrl sstemn BER başarımının gersne almataır. BER E E- E- E- E- E-5 E-6 SNR [B] AWGN Kolamalı FEQ Kolamalı TEQ Şel 5. Freans bölges ve zaman bölges anal enleştrl sstemlern olamalı BER başarımları 5. Sonuçlar ve Tartışma 5 Gz banına çalışan OFDM tabanlı ablosuz ağ sstemlernn reans veya zaman bölges anal enleştr ullanılması alne olamasız ve olamalı benzetmler yapılmış BER başarımları ele elmştr. Zaman bölges anal enleştrl sstemn BER başarımının gere olamasız ve gerese olamalı uruma şaret gürültü oranının 5 B en üşü oluğu bölgee reans bölges anal enleştrl sstemn BER başarımınan aa yüse oluğu görülmüştür. İletşm analı sonlu br süzgeç olara moellenğ çn bunun ters olan zaman bölges anal enleştr süzge sonsuz uzunluta olmataır. Sonsuz uzunluta anal enleştr süzgeç gerçeleştrlemeyeeğnen ISI bleşenlernn tümü ortaan alırılamamataır. Dolayısıyla olamasız uruma mertebesne br ata eşğ açınılmaz olmataır. Katlamalı olama ullanılığı uruma se ata eşğ mertebesne nmeter. Dğer taratan zaman bölges anal enleştrl sstemn BER başarımının yne ata eşğnen olayı şaret gürültü oranının 5 B en yüse oluğu bölgee reans bölges anal enleştrl sstemn BER başarımınan üşü oluğu belrlenmştr. Freans bölges anal enleştrl sstem olamasız olara atalı bt oranını yaalayablme çn B l şaret gürültü oranına tyaç uyaren olamalı ssteme 9 B l şaret gürültü oranı yeterl olmataır. Kolama reans bölges anal enleştrl sstemn başarımını öneml ölçüe arttırmataır. Zaman bölges anal enleştrnn gürültünün etn oluğu bölgee başarımınan ve reans bölges anal enleştrnn ISI ın etn oluğu bölgee başarımınan yararlanablme amaıyla şaret gürültü oranına bağlı olara enleştr türünü seçen br algortma gelştrleblr. Böylee üşü şaret gürültü oranlarına a aa yüse başarıma sap ve ata eşğ olmayan brt anal enleştr ele elmş olaatır. Katlamalı olamanın zaman bölges anal enleştrnn alıı

7 Freans ve Zaman Bölges Kanal Denleştrl OFDM Sstemlernn Kolamasız ve Katlamalı Kolanmış Başarımlarının ISI neenyle oluşan ata eşğn aşağı çetğ aat ortaan alıramaığı görülmüştür. 6. Kaynalar. Bngam J.A.C. 99 Multarrer Moulaton or Data Transmsson: An Iea Wose Tme Has Come IEEE Commun. Mag Cmn.J. 985 Analyss an Smulaton o a Dgtal Moble Cannel Usng Ortogonal Frequeny Dvson Multpleng IEEE Transatons on Communatons Jeon W.G. Cang K.H. ve Co Y.S. 999 An Equalzaton Tenque or Ortogonal Frequeny-Dvson Multpleng Systems n Tme-Varant Multpat Cannels IEEE Transatons on Communatons An J. ve ee H.S. 99 Frequeny Doman Equalzaton o OFDM Sgnals Over Frequeny Nonseletve Rayleg Fang Cannels Eletrons etters Zang J. ve Ser W. New Crteron or Tme-Doman Equalzer Desgn n OFDM Systems ICASSP' IEEE Internatonal Conerene on Aousts Spee an Sgnal Proessng Proeengs USA n. Cmn.J. ve Cuang J.C.-I. Comparson o Convolutonal an Turbo Coes or OFDM wt Antenna Dversty n Hg-Bt-Rate Wreless Applatons IEEE Communaton etters Km J. Cmn.J. ve Cuang J.C.-I. 998 Cong Strateges or OFDM wt Antenna Dversty or Hg-Bt-Rate Moble Data Applatons VTC 98 IEEE Internatonal Conerene on Veular Tenology Proeengs Canaa Beneetto S. ve Montors G. 996 Desgn o Parallel Conatenate Convolutonal Coes IEEE Transatons on Communatons IEEE 999 St 8.a Supplement to IEEE Stanar or Inormaton Tenology- Teleommunatons an Inormaton Eange Between Systems- oal an Metropoltan Area Networs- Spe Requrements- Part : Wreless AN Meum Aess Control MAC an Pysal ayer PHY Speatons: Hg-Spee Pysal ayer n te 5 GHz Ban New Yor.. ETSI 999 DTS/BRAN- Broaban Rao Aess Networs BRAN; HIPERAN Type ; Tenal Speatons; Pysal PHY ayer Sopa Antpols Cee.. Proas J.G. Dgtal Communatons Fourt Eton MGraw-Hll Co. Sngapore s.. Kaya I. 998 A Stuy o Hg Perormane Equalsaton an Pre- Equalsaton or Hg Spee Wreless Data Communatons P.D. Tess Centre or Communatons Resear Unversty o Brstol s.. Balta Y. Kaya I. ve N A.R. Implementaton o a HIPERAN/ Compatble CMF-DFE Equalser VTC IEEE 5 st Veular Tenology Conerene Proeengs Toyo