3.KUŞAK HÜCRESEL SİSTEMLERDE YANKI PROFİLİNİN GÖRÜNTÜ İLETİMİNE ETKİSİ

Transkript

1 3.KUŞAK HÜCRESEL SİSTEMLERDE YANKI PROFİLİNİN GÖRÜNTÜ İLETİMİNE ETKİSİ Çetin KURNA 1, Hülya GÖKALP 2 1,2 Elektrik - Elektronik Mühendisliği Bölüü Ondokuz Mayıs Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Kurupelit, Sasun 1 ckurnaz@ou.edu.tr, 2 hgokalp@ou.edu.tr Anahtar sözcükler: 3K Sisteler, WCDMA, Yankı profili, Tırık alıcı ÖET 3. Kuşak (3K) hücresel sisteler hava ara yüzünde geniş bantlı CDMA (WCDMA) kullanacaktır. Öngörülen 5 MHz lik bant genişliğindeki sinyalin radyo kanalından alınan yankılarından 3K sistelerinde Tırık alıcı kullanıı ile yararlanılabilecektir. Bu çalışada, farklı Tırık alıcı parak sayısı, farklı yayını özelliklerinin tek kullanıcılı tek hücreli bir 3K sisteinde görüntü iletiine etkisi incelendi. Bu aaçla Manchester kent erkezinde UMTS bantlarında yapılan kanal ölçülerinde elde edilen yankı istatistikleri kullanılarak dört kanal profili saptandı. Bu profiller ve 1, 2, 3, 5 paraklı Tırık alıcı için 3K siste başarıı inceleede kullanıldı. Elde edilen sonuçlar farklı hareket ve veri hızlarında görüntü kalitesinin ve Tırık alıcıda kullanılacak en uygun parak sayısının kanal profiline bağlı olduğunu gösteriştir. 1. GİRİŞ 2.Kuşak sistelerin kapasite sınırlaaları, yüksek veri hızı gerektiren video, elektronik posta gibi geniş kullanı alanlı servislere olan talebin artası sonucunda 3K gezgin iletişi sisteleri ortaya çıkaya başlaıştır. 3K gezgin iletişi sistelerinde hava bağlantısı olarak geniş bantlı kod böleli çoklu erişi (WCDMA) kullanılacaktır [1]. WCDMA da kullanıcı verisinin her bir biti o kullanıcıya ait olan (pseudo noise) kodu ile çarpılarak iletilecek sinyalin bandı genişletilir. kodunun uzunluğu işlee kazancı olarak da bilinir. Kanal kodlanış ve genişletiliş sinyaldeki her bir bit chip olarak adlandırılır. WCDMA da aynı ileti bandını kullanan kullanıcılar birbirlerinden kodlar ile ayrılırlar. 3K WCDMA için belirlenen chip hızı 3.84 Mchip/s dir [2]. Karasal gezgin radyo kanalında her bir sinyal yankısı farklı faz, gecike ve farklı güç kaybı ile alıcıya ulaşır [3,4]. 3K sistelerde Tırık alıcı [5-7] kullanıldığından bağıl gecikeleri en az bir chip süresi (3K sisteler için 0.26µs) kadar olan yankılar ayrı ayrı işlenebilecek ve sonrasında enerjileri birleştirilerek daha güçlü sinyal elde edilecektir. Tırık alıcı aynı zaanda yankılı kanaldaki sönüleneye karşı yankı çeşitliliği sağlayacaktır. Ancak Tırık alıcıdan beklenen başarı iyileşesi kanaldan gelen yankıların bağıl güçlerine, Tırık alıcıda kullanılan parak sayısına ve alıcıda toplanan yankıların birbirlerine göre nasıl sönülendiklerine bağlıdır. Tırık alıcıda kullanılacak parak sayısı siste başarıını etkileyecektir [8 11]. Bu sayı ileti bant genişliğinin yanında kanalın yankı profiline, veri hızına ve hareket hızına da bağlıdır. [8] de radyo kanalı ölçü verilerine dayanılarak yankıların birbirine benzeyen ve benzeeyen sönüleneli yankı duruları için 1 3 parak için benzetiler yapılış; genişlete dizilerinin ideal olayan öz-ilinti özelliğinin yol açtığı sinyalin kendi yankıları arasındaki girişiin genişlete çarpanlarına göre etkisi inceleniştir. [9] da Tırık alıcı parak sayısı yankı sayısına eşit olduğu duru için Tırık alıcı başarıı inceleniştir. Bu çalışada yankıların ortalaa güçleri eşit varsayılıştır. [10] da veri hızına bağlı olarak başarı inceleniştir. Bir diğer çalışada sadece yankıların bağıl güçleri ve gecikeleri kullanılarak Tırık alıcı için en uygun parak sayısı belirleneye çalışılıştır [11]. Ancak literatürde gerçek radyo kanalı ölçülerine dayalı Tırık alıcı parak sayısının başarıa etkisi inceleneiştir. Bu çalışada, farklı Tırık alıcı parak sayısı ve farklı yayını özelliklerinin tek kullanıcılı, tek hücreli bir 3K sisteinin başarıına etkisi incelendi. Benzetilerde kullanılan genişlete çarpanları 32 ve 64; hareket hızları 0 k/saat ve 50 k/saat dir. Yayını özellikleri için Manchester kent erkezinde UMTS/FDD bantlarında yapılan radyo kanalı ölçülerinde [4] elde edilen yankı istatistikleri kullanılarak dört kanal profili belirlendi. Bu kanal profilleri ölçü yerlerinin %10, %20, %50 ve %80 nini tesil etektedir. Benzetilerde verici ile alıcı arasındaki kanalın ideal tahin edildiği varsayılıştır.

2 2. WCDMA SİSTEM MODELİ Verici, Rayleigh gezgin radyo kanalı ve Tırık alıcı ana bloklarından oluşan bir 3K siste benzetii yapıldı. Tırık alıcıdaki parak sayısı 1, 2, 3 ve 5; genişlete çarpanı 32 ve 64; durağan/50 k/saat hareket hızları seçilerek vericiden 256x256 piksellilik S/B Lena test görüntüsü gönderildi. Görüntüdeki her bir piksel 8 bitten oluşaktadır. İlk olarak test görüntüsü sayısallaştırılarak ikilik düzende bildiri bitleri elde edildi. Bildiri bitleri ½ lik katlaalı kanal kodlaasından geçirilip dikgen OVSF kodları ile genişletilerek chip hızı 3.84 Mchip/s yapıldı; Elde edilen teel bant S(t) sinyali (1 eşitliği) kanala beslendi (Şekil.1). S(t) sinyali Rayleigh gezgin radyo kanalında farklı gecike ( τ 1, τ2,..., τm ) ve farklı kanal kazanç değerleri ( β 1 (t), β 2 (t),..., β M (t) ) ile çarpılıp toplandı. Yankıların toplaına güç yoğunluğu N 0 olan toplasal beyaz Gauss gürültüsü eklendi (r(t), 3 eşitliği). M paraklı Tırık alıcı Şekil.2 de gösteriliştir. Parak sayısı kadar güçlü yankı Tırık alıcı ile alındı. Her parak çıkışındaki sinyal vericide kullanılan kodunun yankı gecikesine bağlı faz kaydırılış biçii ile çarpılarak daraltıldı. Buradaki α 1, α 2,..., α M ağırlık katsayıları hesaplayıcı çıkışındaki güç değerine bağlıdır ve (4) de verilen eşitlik ile hesaplanır. Parak çıkışları en yükseğe oranlı (Maxial Ratio Cobining-MRC) olarak toplanır ve bit tahincisine beslenir [3,6]. Viterbi kod çöze işleinden sonra elde edilen bitlerden test görüntüsü tekrardan oluşturuldu. S(t) τ 1 τ 2 τ M β 1 (t) β 2 (t) β M (t) Şekil.1 Yankılı kanal odeli + S ai ) i= n(t) r(t) ( t) = b( i) ( t it (1) N 1 a i ( t) = ci ( n) p( t ntc ) (2) n= 0 M 1 r ( t) = β ( t) S( t τ) + n( t) (3) = 0 Burada; b(i) i. veri biti, a(t) genişlete kodu ( kodu), β kanal kazanç değeri, T sebol süresi, N T işlee kazancı, T c = chip periyodu, c(n) OVSF N kodu, M yankı sayısı, n(t) toplanır beyaz Gauss gürültüsü, p(t) darbe şekillendiricidir. Hesaplayıcı 1 τ 1 α 1 1 Ağırlık katsayısı α ; 2 α = M (4) = 1 Yankılı teel bant CDMA sinyali Hesaplayıcı 2 2 r(t) ( ) dt Karar Verici 2. RADYO KANALI YANKI İSTATİSTİKLERİ Manchester kent erkezinde UMTS/FDD bantlarında yapılan radyo kanal ölçüünde [4] elde edilen veriler kullanılarak yankı istatistikleri bulundu. Kısaca ele alınırsa ölçülerde sürekli dalga frekans odülasyonu (FMCW) kullanıldı. Yukarı link ve aşağı link bantlarında ( MHz ve MHz ) aynı anda ölçü yapıldı. Verici ve alıcı anten yükseklikleri sırasıyla 46 ve 1.75 dir. Verici anten yedi katlı bir binanın çatısına yakınında başka bir yüksek bina tarafından görüşü kısıtlanayacak biçide onte edildi etreye varan alıcı-verici uzaklıklarında 581 küçük ölçekli konuda kanal verisi saniye süresince toplandı. Kanal taraa hızları olarak 100 Hz veya 250 Hz kullanıldı. Ölçüde kullanılan gecike penceresi genişlikleri µs, 27.5 µs ve µs. Kullanılan odülasyon τ 2 2 α 2 Hesaplayıcı M Şekil.2 M paraklı Tırık alıcı yapısı τ M α M M b (t) Çıkış verisi

3 yöntei nedeniyle değişen bant genişlikleri için kanal profilleri kolayca belirlenebilektedir MHz orta frekansında 5 MHz bant genişliği için kanal profilleri elde edildi. Her konuda elde edilen kanal profilinin ortalaası alınarak ortalaa kanal profili bulundu. Ortalaa kanal profilinde gürültü tabanının en az 5 db üstü gürültü eşik seviyesi olarak belirlendi ve bu eşiğin altındaki tepeler göz ardı edildi. Yankı bağıl güç ve bağıl gecike istatistiklerinden ölçü yerlerinin %10, %20, %50 ve %80 nini tesil eden 4 kanal profili belirlendi (Tablo.1). K1-K4 kanal profillerindeki bağıl güçler incelenirse K1 de kayda değer enerjili dört yankı vardır. K2, K3 ve K4 için bu değer sırasıyla 3, 2 ve 1 yankıdır. Tablo.1. Benzetilerde kullanılacak kanal profilleri Bağıl güç (db) Bağıl Yankılar K1 K2 K3 K4 1.yankı µs 2.yankı µs 3.yankı µs 4.yankı µs 4. BENETİM SONUÇLARI gösteriledi. Bu kanal yapısı için uygun parak sayısı 2 dir. Sadece 1 kayda değer yankının olduğu K4 için parak sayısındaki artış görüntü kalitesinde bir iyileşe sağlaadı. Dolayısıyla bu tür bir profili olan kanal için uygun parak sayısı 1 dir (Şekil 4.d, Şekil 5.d, Şekil 6.d). Şekil 6 dan çıkan sonuca göre 3 paraklı Tırık alıcı ile tü kanallar için başarı yaklaşık aynıdır. Bu nedenle Tırık alıcı parak sayısı 3 olarak seçilip artan hareket hızı için başarı inceleesi yapıldı (Şekil.8). Yapılan benzetilerde hareket hızı arttıkça (50k/s) aynı yayını özellikleri için siste başarıın kötüleştiği gözlendi. Ancak kötüleşe derecesinin kanalın yankı profiline de bağlı olduğu ve güçlü yankıların bulunduğu K1, K2 için kötüleşenin daha büyük olduğu görüldü Şekil.9 da Tırık alıcının parak sayısı 3 seçilerek genişlete çarpanının siste başarıına olan etkisi incelendi. Genişlete çarpanının 64 den 32 ye düşesi veri hızının iki kat artasını sağlarken görüntüde daha fazla bozulaya neden olduğu görüldü. Genişlete çarpanını 2 kat azaltılası az sayıda güçlü yankı içeren kanallar için (K3, K4) görüntü kalitesinde daha az oranda bozulaya neden oluştur. Şekil.3 deki Lena test görüntüsü kullanılarak oluşturulan 3K sinyalinin K1 den geçerek alıcıya gelesi duruunda; 4 tane büyük güçte yankı alınaktadır. Şekil 4.a da görüldüğü gibi parak sayısı 1 olduğunda görüntüdeki bozula fazla iken parak sayısı artırıldığında (iki (Şekil 5.a) ve üç (Şekil 6.a) paraklı duruda) görüntüde bir iyileşe söz konusudur. 5 paraklı Tırık alıcı (Şekil 7.a) ile 3 paraklı Tırık alıcı için benzer görüntüler elde edildi. Bu nedenle K1 kanal profili için 3 paraklı Tırık alıcı kullanılabilir. Şekil.3 Orijinal test görüntüsü Sinyalin 3 güçlü yankısı olan K2 geçerek gelesi duruunda 1 paraklı alıcı için görüntüdeki bozulalar fazladır (Şekil 4.b). Parak sayısının 2 (Şekil 5.b) yerine 3(Şekil 6.b) seçilesinin fazla olaakla birlikte daha iyi başarı sağladığı görüldü. 5 paraklı Tırık alıcı (Şekil 7.b) ile 3 paraklı tırık alıcı için benzer görüntüler elde edildi. Bu kanal yapısı için de en uygun parak sayısı 3 kabul edilebilir. İki güçlü yankısı olan K3 le yapılan benzetilerde 1 paraklı Tırık alıcı ile elde edilen görüntü kötü iken (Şekil 4.c) parak sayısının 2, 3 ve 5 olası durularında benzer başarılar elde edildi. 3 paraklı alıcı (Şekil 5.c) ile 5 paraklı alıcı (Şekil 6.c) benzer sonuçları verdiğinden 5 paraklı görüntü Şekil.4 Bir paraklı Tırık alıcı, veri hızı 60 kbit/s, S/N=-12dB, durağan kullanıcı, K1, K2, K3, K4 kanal profilleri için 3K sisteinin görüntü iletiine etkisi

4 Şekil.5 İki paraklı Tırık alıcı, veri hızı 60 kbit/s, S/N=-12dB, durağan kullanıcı, K1, K2, K3, K4 kanal profilleri için 3K sisteinin görüntü iletiine etkisi Şekil.8 Üç paraklı Tırık alıcı, veri hızı 60 kbit/s, S/N=-12dB, 50 k/saat kullanıcı hızı, K1, K2, K3, K4 kanal profilleri için 3K sisteinin görüntü iletiine etkisi Şekil.6 Üç paraklı Tırık alıcı, veri hızı 60 kbit/s, S/N=-12dB, durağan kullanıcı, K1, K2, K3, K4 kanal profilleri için 3K sisteinin görüntü iletiine etkisi Şekil.9 Üç paraklı Tırık alıcı, veri hızı 120 kbit/s, S/N=-12dB, durağan kullanıcı, K1, K2, K3, K4 kanal profilleri için 3K sisteinin görüntü iletiine etkisi 5. VARGILAR Şekil.7 Beş paraklı Tırık alıcı, veri hızı 60 kbit/s, S/N=-12dB, durağan kullanıcı, K1, K2, kanal profilleri için 3K sisteinin görüntü iletiine etkisi Tırık alıcısındaki parak sayısı kanal profiline bağlı olarak değişektedir. Bu nedenle K1, K2, K3, K4 kanal profilleri için sırasıyla 3, 3, 2, 1 paraklı Tırık alıcı kullanılabilir. 3 paraklı Tırık alıcı değişen kanal koşullarında en uygun çözüü veriştir. Güçlü yankıların MRC kısındaki katkıları fazla olacağından sistee dâhil edileleri gerekektedir. Bu çalışanın sonuçları gösteriştir ki benzetilerde kullanılan kanal profillerinde bağıl gücü -6 db veya daha büyük olan yankıların alınası küçüklerinin ise göz ardı edilesi en uygun parak

5 sayısı seçii için uygun olacaktır. Dikkat edilirse K1- K4 kanal profıllerinde bağıl gücü -6dB ile 10dB arasında olan yankılar yoktur. Bu nedenle bağıl güçleri -7 db, -8dB ve 9dB olan yankıların da bulunduğu kanal profilleri için benzetiler yapılalıdır. Artan genişlete çarpanı ile görüntü kalitesinde beklenilen iyileşe sağlandı. Bu ise aynı S/N değeri için daha kaliteli görüntü deektir. Ayrıca kullanıcı hızı kanal profiline bağlı olarak görüntü kalitesini farklı etkileiştir. 6. KAYNAKÇA [1] [2] Hola, H., Toskala, A., WCDMA for UMTS, John Wiley & Sons Ltd., England, 2001 [3] Rappaport, T. S., Wireless Counications Principles and Practice, Prentice Hall PTR,1996 [4] Salous, S., Gokalp, H., Dual-frequency sounder for UMTS frequency-division duplex channels, Counications, IEE Proceedings, vol.149, Issue 2, pp , April 2002 [5] Price, R., Gren, P. E., A Counication Technique for Multipath Channel, Proceedings of the IRE, pp , March 1958 [6] Haykin, S., Counication Systes, John Wiley&Sons, Inc., Fourth Edition, 2000 [7] Proakis, J. G., Digital Counications, McGrow-Hill, Third Edition, New York, 1995 [8] Adnani, N.V., Bultitude, R. J. C., Hafez, R. H. M., Propagation-easureent-based predictions of RAKE receiver perforance in W-CDMA systes operating in urban icrocells, 2002 IEEE 56th Vehicular Technology Conference Proceedings, vol.1, pp , Sept., 2002 [9] Boujeaa, H., Mohaed S., On the Rake receiver perforance, IEEE Vehicular Technology Conference, vol.3, pp , Septeber 2000 [10] Moradi, H., Kenari, M.N., Ahadian, M., Salahi, A., Perforance of WCDMA spreading in downlink for FDD ode, Circuits and Systes for Counications, Proceedings. ICCSC '02. 1st IEEE International Conference, pp , June 2002 [11] Gokalp, H., Salous, S., Multipath Statistics for 3G W-CDMA Systes, SCI (Systeics, Cybernetics, and Inforatics), Orlando, Florida, USA, July 27-30, 2003 [12] Melis, B., Roano, G., UMTS W-CDMA: evaluation of radio perforance by eans of link level siulations Personal Counications, IEEE Wireless Counications, vol. 7, Issue 3, pp.42 49, June 2000