Yayılı Spektrum Haberleşmesinde Kullanılan Farklı Yayma Dizilerinin Boğucu Sinyallerin Çıkarılması Üzerine Etkilerinin İncelenmesi Ahmet Altun, Engin Öksüz, Büşra Ülgerli, Gökay Yücel, Ali Özen Nuh Naci Yazgan Üniversitesi HARGEM Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü Kayseri ahmtt.93@gmail.com, enginksz@hotmail.com, busraulgerli@gmail.com,gokayyucel38.gy@gmail.com, aozen@nny.edu.tr Özet Bu bildiride yayılı spektrum haberleşme sisteminde kullanılan farklı yayma dizilerinin sisteme karışan durağan olmayan boğucu sinyallerin spektrumdan çıkarılması üzerindeki başarımları incelenmektedir. Sisteme karışan boğucu sinyallerin çıkarılması için [1] de önerilen yöntemden esinlenilerek IEEE standartlarında yer alan, Barker ve yayma dizilerinin başarımları karşılaştırmalı olarak analiz edilmektedir. Sisteme karışan boğucu sinyal ve gürültü gücünün farklı değerleri için bilgisayar benzetimleri yapılmaktadır. Yapılan benzetimlerde, yayma dizisi ile en iyi başarımların elde edildiği gözlenmektedir. Anahtar Kelimeler Sinyal Boğma; DSSS-CDMA; Kısa Süreli Fourier Dönüşümü; Yayma Kodları. 1. Giriş Kablosuz haberleşme sistemlerinde iletim ortamındaki gürültü ve boğucu sinyaller iletimin kalitesini düşürmekte ve gönderilmek istenen verinin alıcıda doğru olarak alınmasını engelleyebilmektedir. Bu durum kablosuz haberleşme sistemleri için büyük bir problemdir. Farklı haberleşme sistemleri farklı frekans bantlarında iletim yapmalarına rağmen, her bir işaret bir diğeri için bozucu etki gösterebilmektedir. Kasıtsız olarak gerçekleşen bu tip bozucu etkiler, bazen sisteme boğucu İşaretlerin karıştırılmasıyla kasıtlı olarak da yapılabilmektedir. Özellikle askeri haberleşme uygulamalarında karşılaşılan bu durumdan en az etkilenmek için kullanılan bir yöntem, doğrudan sıralı yayılı spektrum (Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS) teknikleriyle yapılan kod bölüşümlü çoklu erişim (Code Division Multiple Access, CDMA) haberleşmesidir [1]. Yayılı spektrum haberleşme sistemleri, iletişim yaparken bilgi bant genişliğinden çok daha büyük bir bant genişliği kullanan sistemlerdir. Yayılı spektrum sistemleri iletilen enerjiyi çok geniş bir bant üzerine yayarlar ve bu yüzden alıcı girişindeki sinyal gürültü oranı çok düşük olur. Ancak alıcı, iletilen sinyali sinyal gürültü oranı düşük olmasına rağmen başarılı bir şekilde gürültüden ayırıp kullanabilme yeteneğine sahiptir. Spektrumu yaymanın amacı; girişim etkilerini azaltmak, aynı anda çok sayıda kullanıcının aynı kanalı kullanarak iletişim yapmasını sağlamak, çoklu yol kullanarak iletişim yapmak ve yakalanma olasılığı düşük (LPI) sinyal özelliği sağlamaktır. Yayılı spektrum sistemler iki önemli teknik kullanırlar. Bunlar; Frekans Atlamalı Yayılı Spektrum (Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSS) ve DSSS dir [2]. DSSS ile CDMA de sinyal, genellikle modülasyon sonrasında yayma dizileri ile çarpılarak frekansta yayılmakta ve kendi bant genişliğinden oldukça büyük bir bant genişliği ile iletilmektedir [1]. Bant genişliğinin artması sistemi gürültü ve boğucu sinyallere karşı dayanıklı bir hale getirir. Ancak artan boğucu sinyal güçlerinde DSSS başarısız olmakta ve boğucu işaretin sistemden çıkarılması için ek bir sisteme ihtiyaç duyulmaktadır [3]. Bu bildiride, farklı yayma kodları için IEEE 802.11 Standartlarında yer alan sözde rasgele dizisi, Barker dizisi ve Tümleyici Kod Anahtarlama (Complementary Code Keying, ) dizisini kullanan yayılı spektrum haberleşme sistemi kullanılmaktadır. Farklı yayma kodlarının boğucu sinyal çıkarımı başarımı üzerindeki etkileri analiz edilmektedir. Yayılı spektrum haberleşmesi ve sistem modellemesi 2. bölümde incelenmektedir. 3. bölümde boğucu sinyal kestirimi ve çıkarımı özetlenmektedir. Son bolümde ise bilgisayar benzetim sonuçları ele alınarak elde edilen sonuçlar karşılaştırmalı olarak verilmektedir. 248
2. Yayılı Spektrum Haberleşmesi ve Sistem Modellemesi Yayılı spektrum sistemleri, doğasından gelen girişime karşı koyabilme yeteneğiyle, yıllar içerisinde birçok farklı iletişim sistemi için popüler bir teknik haline gelmiştir [4]. DSSS CDMA ile hücresel haberleşme sistemlerinde uygulama alanı buldu. Yayılı spektrum haberleşmesi, sinyalleri iletim için gerekli minimum bant genişliğinden daha fazlasını kapsayacak şekilde frekans spektrumunda yayarak kanaldan iletilmesi tekniğidir [5]. Haberleşme sistemi için çok önemli bir ölçüt olan bant genişliğinin fazla kullanılması, ilk bakışta büyük bir dezavantaj olarak görülse de, yayılı spektrum haberleşmesi, CDMA tekniği ile kanalın olumsuz etkilerine karşı veriyi dayanaklı hale getiren oldukça verimli bir haberleşme tekniğidir [1]. Bir verici ve bir alıcı antenden oluşan bir sistem düşünülürse, verici tarafta veri sinyali yayma dizisiyle çarpılır. Bu çalışmada, DSSS sistemine kasıtlı olarak haberleşme spektrumunu bozmak amacıyla boğucu sinyallerin karıştırıldığı bir sistem modellenmektedir. Gönderilmek istenen veri x(t), { 1, +1} genlik değerlerinde dikdörtgen bir darbe ise BPSK ile modüle edildiğinde, verici antenden iletilen sinyal aşağıdaki gibidir; m(t) = A c x(t)cos (2πf c t) (1) Burada, A c ve f c sırasıyla BPSK modülasyonu taşıyıcısının genliği ve frekansıdır. Yayılı spektruma geçmek için modüleli sinyal kodu ile çarpılır. kodu, bilgi sinyalinde olduğu gibi { 1, +1} genlik değerlerine sahip dikdörtgen bir darbe şeklinde olmasına rağmen, kodunun bant genişliği x(t) nin bant genişliğine oranla oldukça büyük seçilir. Bu durumda vericiden gönderilecek yayılı işaret olan y(t), y(t) = A c x(t)(t)cos (2πf c t) (2) şeklinde elde edilir. Sonuç olarak en genel formuyla, y(t) = A c cos (2πf c t + θ(t)) (3) ile ifade edilir. Burada θ(t) modülasyonlu sinyalin fazını göstermektedir. Tasarlanan haberleşme sisteminin gerçekçi bir benzetimini elde etmek için, şehir merkezlerinde ve alıcının vericiyi doğrudan görmediği sistemlerde genel olarak kullanılan Rayleigh kanal modeli seçilmiştir [6]. Benzetimlerde iletilen sinyalin yansımalardan ve kırılmalardan dolayı alıcıya 100 ve 1000 farklı yoldan geldiği kabul edilmiştir. Benzetimi gerçekleştirilen sistemin blok diyagramı Şekil 1 de gösterilmektedir [7]. 3. Boğucu Sinyal Kestirimi/Çıkarımı Kaynak [1] den esinlenilerek tasarlanan haberleşme sisteminde FFT tabanlı boğucu sinyal kestirimi yapılarak alıcıdaki sinyalden çıkarılmaktadır. Boğucu sinyalin alıcıdaki etkisinin ortadan kaldırılabilmesi için Şekil 1 deki Boğucu Sinyal Kestirimi bloğunda Kısa Süreli Fourier Dönüşümü (KSFD) kullanılarak kestirim yapılmaktadır. KSFD, frekans içeriği zamanla değişen sinyaller için zaman ve frekans bilgisini bir arada veren doğrusal bir dönüşümdür. Bir KSFD imgesi, sinyalin enerjisinin zaman ve frekans bölgelerindeki dağılımını ifade etmektedir [1]. Bu teknikte, sinyal bir pencere yardımıyla durağan kabul edilebilecek parçalara bölünmekte ve her bir parçanın Fourier Dönüşümünün (FD) hesaplanmasıyla KSFD elde edilmiş olmaktadır [1, 3]. KSFD, KSFD v (t, f) = v(τ)g(τ t) e j2πft dt (4) şeklinde ifade edilebilir. Burada, g(τ) pencere fonksiyonu, t zaman ve f frekans değişkenini göstermektedir. Boğucu sinyalin enerjisi, CDMA li sinyalin enerjisine oranla oldukça fazla olduğundan alıcıya gelen toplam işaretin KSFD si hesaplandığında, boğucu sinyalin enerjisinin zaman ve frekansta nasıl dağıldığı bilgisi elde edilir. Boğucu sinyalin kestirimin yapılabilmesi için, sadece boğucu sinyalin olduğu bölge kalacak şekilde KSFD imgesi eşiklenerek şablon bir imge oluşturulur [1, 3]. Modülasyon ISI Kanal Boğucu Sinyal Boğucu Sinyal Kestirimi De - Modülasyon AWGN Şekil 1. Tasarlanan haberleşme sisteminin blok diyagramı [7]. 4. Bilgisayar Benzetim Sonuçları Bu bölümde 11 bitlik, 11 bitlik Barker ve 8 bitlik yayma dizilerinin boğucu sinyalin çıkarılması üzerine etkilerinin incelenmesi için Jakes kanal modelinin [8] Rayleigh sönümlemeli kanallarda elde edilen benzetim sonuçları gösterilmektedir. Bilgisayar benzetim çalışmalarında, taşıyıcı frekansının 1900 MHz, gezgin araç hızının 50 km/saat olduğu bir ortamda sinyalin alıcıya yansımalardan ve kırılmalardan dolayı 100 ve 1000 farklı yollardan geldiği senaryolar test edilmiştir. Boğucu sinyalin kestirildiği KSFD nde 129 uzunluklu Hanning penceresi kullanılmıştır. Benzetimler 1000 bağımsız döngü üzerinden örnekleme oranının 2 olduğu BPSK modülasyonlu sinyaller için elde edilmiştir. Boğucu sinyal olarak [1] de kullanılan doluluk - boşluk oranı % 33 olan tek bileşenli çörp sinyali kullanılmıştır. Yapılan benzetimlerde boğucu sinyalin gücünün DSSS - CDMA li 249
sinyalin gücüne oranının (JSR) 10, 20, 30, 40, 50 ve 60 db olduğu senaryolarda başarımlar karşılaştırılmıştır [7]. JSR = 10 db olduğunda Şekil 2 de çok yol sayısı (ÇYS) 100 ve Şekil 3 te için, ve Barker yayma dizilerinin boğucu sinyalin çıkarılmasına yönelik Bit Hata Oranı İşaret Gürültü Oranı ( SNR) başarımlarının karşılaştırılması gösterilmektedir. 9.5E-2 8.5E-2 JSR = 10 db 2.8E-2 2.6E-2 2.4E-2 2.2E-2 JSR = 20 db 2E-2 7.5E-2 6.5E-2 Şekil 4. JSR=20 db ve ÇYS=100 iken, ve Barker yayma - 5.5E-2 Şekil 2. JSR=10 db ve ÇYS=100 iken, ve Barker yayma - Şekil 2 deki JSR=10 db ve ÇYS=100 olduğundaki -SNR başarımları incelendiğinde, 11 bitlik ve Barker yayma dizileri ile tüm SNR bölgesinde yaklaşık olarak aynı başarım elde edilirken 8 bitlik yayma dizisi ile çok daha iyi başarım elde edildiği görülmektedir. Sonuç olarak yayma dizisinin kullanıldığı haberleşme sisteminin boğucu sinyali daha iyi ayırt edebildiği anlaşılmaktadır. Şekil 3 teki JSR=10 db ve ÇYS=1000 olduğundaki -SNR başarımları incelendiğinde ise, 11 bitlik ile elde edilen başarımın 11 bitlik Barker ile elde edilen başarımı geçtiği görülmektedir. Buna karşılık, 8 bitlik yayma dizisi ile diğerlerinden daha iyi başarım elde edildiği ve boğucu sinyali daha iyi ayırt edebildiği anlaşılmaktadır. 2.36E-1 2.16E-1 1.96E-1 1.76E-1 JSR = 10 db 1.53E-1 1.33E-1 1.13E-1 9.3E-2 7.3E-2 5.3E-2 JSR = 20 db 3.3E-2 Şekil 5. JSR=20 db ve ÇYS=1000 iken, ve Barker yayma - Şekil 4 teki JSR=20 db ve ÇYS=100 olduğundaki -SNR başarımları incelendiğinde, 5 db den sonra 11 bitlik başarımının Barker başarımını geçtiği görülmektedir. Buna karşılık, yayma dizisi ile en iyi başarımın elde edildiği ve boğucu sinyalin daha iyi ayırt edebildiği anlaşılmaktadır. Şekil 5 teki JSR=20 db ve ÇYS=1000 olduğundaki -SNR başarımları incelendiğinde ise, SNR nin yüksek olduğu bölgede Barker başarımının ile elde edilen başarımı geçtiği görülmektedir. Buna karşılık, başarımının tüm SNR bölgesinde diğerlerinden daha iyi olduğu ve boğucu sinyali daha iyi ayırt edebildiği anlaşılmaktadır. JSR = 30 db olduğunda Şekil 6 da ve Şekil 7 de için, ve Barker yayma dizilerinin 1.56E-1 Şekil 3. JSR=10 db ve ÇYS=1000 iken, ve Barker yayma - JSR = 20 db olduğunda Şekil 4 te ve Şekil 5 te için, ve Barker yayma dizilerinin 1.8E-1 1.7E-1 1.6E-1 1.5E-1 1.4E-1 1.3E-1 JSR = 30 db 1.2E-1 Şekil 6. JSR=30 db ve ÇYS=100 iken, ve Barker yayma -SNR başarımlarının karşılaştırılması. 250
Şekil 6 daki JSR=30 db ve ÇYS=100 olduğundaki -SNR başarımları incelendiğinde, 11 bitlik başarımının tüm SNR bölgesinde Barker başarımını geçtiği, buna karşılık, yayma dizisi ile en iyi başarımın elde edildiği ve boğucu sinyalin daha iyi ayırt edebildiği anlaşılmaktadır. 4.13E-1 4.03E-1 JSR = 40 db 3.05E-1 2.95E-1 2.85E-1 2.75E-1 2.65E-1 2.55E-1 2.45E-1 JSR = 30 db 2.35E-1 Şekil 7. JSR=30 db ve ÇYS=1000 iken, ve Barker yayma - Şekil 7 deki JSR=30 db ve ÇYS=1000 olduğundaki - SNR başarımları incelendiğinde ise, 11 bitlik Barker ve 8 bitlik yayma dizileri ile tüm SNR bölgesinde yaklaşık olarak aynı başarım elde edilirken, 11 bitlik yayma dizisi ile daha iyi başarım sağlandığı ve boğucu sinyalin daha iyi ayırt edilebildiği görülmektedir. JSR = 40 db olduğunda Şekil 8 de ve Şekil 9 da için, ve Barker yayma dizilerinin 3.53E-1 3.43E-1 3.33E-1 3.23E-1 JSR = 40 db 3.13E-1 Şekil 8. JSR=40 db ve ÇYS=100 iken, ve Barker yayma - Şekil 8 deki JSR=40 db ve ÇYS=100 olduğundaki -SNR başarımları incelendiğinde, 11 bitlik Barker başarımının tüm SNR bölgesinde başarımını geçtiği, buna karşılık, yayma dizisi ile en iyi başarımın elde edildiği görülmektedir. 3.93E-1 3.83E-1 3.73E-1 Şekil 9. JSR=40 db ve ÇYS=1000 iken, ve Barker yayma - Şekil 9 daki JSR=40 db ve ÇYS=1000 olduğundaki - SNR başarımları incelendiğinde ise, bir önceki sonuca benzer olarak 11 bitlik Barker başarımının tüm SNR bölgesinde başarımını geçtiği ve buna karşılık, yayma dizisi ile en iyi başarımın elde edildiği görülmektedir. JSR = 50 db olduğunda Şekil 10 da ve Şekil 11 de için, ve Barker yayma dizilerinin SNR başarımlarının karşılaştırılması gösterilmektedir. 4.31E-1 4.29E-1 4.27E-1 4.25E-1 4.23E-1 4.21E-1 Şekil 10. JSR=50 db ve ÇYS=100 iken, ve Barker yayma - Şekil 10 daki JSR=50 db ve ÇYS=100 olduğundaki - SNR başarımları incelendiğinde, 11 bitlik Barker başarımının tüm SNR bölgesinde en iyi başarımı verdiği buna karşılık en kötü başarımın ile elde edildiği görülmektedir. 4.75E-1 4.73E-1 4.71E-1 4.69E-1 4.67E-1 JSR = 50 db JSR = 50 db 4.65E-1 4.63E-1 Şekil 11. JSR=50 db ve ÇYS=1000 iken, ve Barker yayma - 251
Şekil 11 deki JSR=50 db ve ÇYS=1000 olduğundaki - SNR başarımları incelendiğinde ise, 11 bitlik Barker ile 8 bitlik nın yaklaşık olarak aynı başarımı verdiği buna karşılık en kötü başarımın ile elde edildiği görülmektedir. 4.99E-1 JSR = 60 db 5. Sonuçlar Sinyal karıştırma/boğma, özellikle askeri haberleşme sistemlerinde oldukça büyük bir öneme sahiptir. Bu bildiride, literatürdeki çalışmalara alternatif olarak, Barker ve gibi farklı yayma dizilerinin boğucu sinyallerin kestirilmesi ve çıkarılması üzerine başarımlarının karşılaştırmalı olarak bilgisayar benzetimleri ve analizleri yapılmıştır. Yapılan benzetimlerin genelinde yayma dizisi ile elde edilen başarımların diğerlerinden daha iyi olduğu görülmüştür. Boğucu sinyal gücü artırıldığında, her üç yayma dizisi ile elde edilen başarımların ise gittikçe azaldığı gözlenmiştir. Şekil 12. JSR=60 db ve ÇYS=100 iken, ve Barker yayma - JSR = 60 db olduğunda Şekil 12 de ve Şekil 13 te için, ve Barker yayma dizilerinin Şekil 12 ve 13 ten görüldüğü gibi her üç yayma dizisi ile elde edilen başarımların bir birine çok yakın olduğu ve boğucu sinyal gücünün artması nedeniyle başarımların tatmin edici olmadığı görülmektedir. 4.99E-1 JSR = 60 db Şekil 13. JSR=60 db ve ÇYS=1000 iken, ve Barker yayma - 6. Kaynaklar [1] Aldırmaz S., Yayılı Spektrum Haberleşmesinde Boğucu İşaret Çıkarımı, Yüksek Lisans tezi, Yıldız Teknik Üniversitesi, Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği, İstanbul, 2006. [2] Ayvalık A., Frekans Atlamalı Haberleşmenin Karıştırılması, Yüksek Lisans tezi, Hacettepe Üniversitesi, Elektrik Elektronik Mühendisliği, Ankara, 2007. [3] Aldırmaz S. and Durak L., Broadband Interference Excision in Spread Spectrum Communication Systems Based on Short-Time Fourier Transformation, Progress In Electromagnetics Research B, vol. 7, pp. 309-320, 2008. [4] Ko S.C., Lee K.H. and Choi H.J., Performance of Coherent DS-SS/QPSK for Mobile Communications in Fast Fading Multipath and High Frequency Offset, IEEE Transactions on Vehicular Technology, Vol. 50, pp. 250-266, January 2001. [5] Groe, J.B., Larson, L.E., CDMA Mobile Radio Design, Artech House Pubisher, London, 2000. [6] Rappaport, T.S., Wireless Communications: Principles and Practice, Prentice-Hall PTR, second edition, Upper Saddle River NJ, 2002. [7] Altun A., Yayılı Spektrum Haberleşmesinde Kullanılan Farklı Yayma Dizilerinin Boğucu Sinyallerin Çıkarılması Üzerine Etkilerinin İncelenmesi, Elektronik Tasarım ve Uygulaması Tezi, Nuh Naci Yazgan Üniversitesi, Elektrik Elektronik Mühendisliği Bölümü, Kayseri, Ocak 2016. [8] Jakes W. C., Microwave Mobile Communications, Wiley, New York, 1974. 252