YÜKSEK LĐSANS TEZĐ ELEKTRĐK ELEKTRONĐK MÜHENDĐSLĐĞĐ

SENKRON DOĞRUDAN DĐZĐLĐ KBÇE SĐSTEMLERĐ ĐÇĐN ÇOK- YOLLU SÖNÜMLEMELĐ KANALLARDA TEK KOD ÇEVRĐMSEL KAYDIRMA (TKÇK) ÇOK KULLANICILI SEZĐCĐNĐN TURBO KODLAMA VE ÇOKLU ANTEN ALIM ÇEŞĐTLĐLĐĞĐ ĐLE PERFORMANS ARTIRIMI Sezin GÜNDOĞAN YÜKSEK LĐSANS TEZĐ ELEKTRĐK ELEKTRONĐK MÜHENDĐSLĐĞĐ GAZĐ ÜNĐVERSĐTESĐ FEN BĐLĐMLERĐ ENSTĐTÜSÜ MART 2013 ANKARA

Sezin GÜNDOĞAN tarafından hazırlanan SENKRON DOĞRUDAN DĐZĐLĐ KBÇE SĐSTEMLERĐ ĐÇĐN ÇOK-YOLLU SÖNÜMLEMELĐ KANALLARDA TEK KOD ÇEVRĐMSEL KAYDIRMA (TKÇK) ÇOK KULLANICILI SEZĐCĐNĐN TURBO KODLAMA VE ÇOKLU ANTEN ALIM ÇEŞĐTLĐLĐĞĐ ĐLE PERFORMANS ARTIRIMI adlı bu tezin Yüksek Lisans tezi olarak uygun olduğunu onaylarım. Yrd. Doç. Dr. Özgür ERTUĞ Tez Danışmanı, Elektrik Elektronik Mühendisliği Anabilim Dalı. Bu çalışma, jürimiz tarafından oy birliği ile Elektrik Elektronik Mühendisliği Anabilim Dalında Yüksek Lisans tezi olarak kabul edilmiştir. Doç. Dr. Suat ÖZDEMĐR Bilgisayar Mühendisliği Anabilim Dalı, G.Ü.. Yrd. Doç. Dr. Özgür ERTUĞ Elektrik Elektronik Mühendisliği Anabilim Dalı, G.Ü.. Doç. Dr. Erkan AFACAN Elektrik Elektronik Mühendisliği Anabilim Dalı, G.Ü.. Tez Savunma Tarihi: 28/03/2013 Bu tez ile G.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü Yönetim Kurulu Yüksek Lisans derecesini onamıştır. Prof. Dr. Şeref SAĞIROĞLU Fen Bilimleri Enstitüsü Müdürü.

TEZ BĐLDĐRĐMĐ Tez içindeki bütün bilgilerin etik davranış ve akademik kurallar çerçevesinde elde edilerek sunulduğunu, ayrıca tez yazım kurallarına uygun olarak hazırlanan bu çalışmada bana ait olmayan her türlü ifade ve bilginin kaynağına eksiksiz atıf yapıldığını bildiririm. Sezin GÜNDOĞAN

iv SENKRON DOĞRUDAN DĐZĐLĐ KBÇE SĐSTEMLERĐ ĐÇĐN ÇOK-YOLLU SÖNÜMLEMELĐ KANALLARDA TEK KOD ÇEVRĐMSEL KAYDIRMA (TKÇK) ÇOK KULLANICILI SEZĐCĐNĐN TURBO KODLAMA VE ÇOKLU ANTEN ALIM ÇEŞĐTLĐLĐĞĐ ĐLE PERFORMANS ARTIRIMI (Yüksek Lisans Tezi) Sezin GÜNDOĞAN GAZĐ ÜNĐVERSĐTESĐ FEN BĐLĐMLERĐ ENSTĐTÜSÜ Mart 2013 ÖZET Bugünün ve geleceğin önemli uygulama alanları olan 3G, 4G geniş bant kablosuz haberleşme sistemlerinin ve daha pek çok yeniliğin performansını, çoklu anten teknolojisini yüksek spektral etkinlik ve veri hızı sağlayan uygun haberleşme yöntemleriyle birleştirip kullanarak artırmak mümkündür. Mobil iletişimin giderek daha çok önem kazandığı şu günlerde bant genişliğinin çok daha fazla kullanıcı için uygun olacak şekilde daha verimli kullanımı öncelikli bir konu halini almıştır. Eşit derecede önemli diğer bir konu da söz konusu iletişimin güvenliği ve güvenilirliğidir. Bu sorunların çözümü için kullanılan yöntemlerden biri de Kod Bölmeli Çoklu Erişim sistemidir. Bu çalışmada çok yollu sönümlemeli kanallarda, senkron Kod Bölmeli Çoklu Erişim sistemlerinin Tek Kod Çevrimsel Kaydırma (TKÇK) sezici tipi kullanılarak, MATLAB simülasyon programı ile bit hata oranı (BER) analizleri gerçekleştirilmiştir. Söz konusu çalışma, alıcı anten çeşitlemesi maksimum oran birleştirme tekniği kullanılarak çoklu anten yapısına genişletilmiş ve önerilen sezici yapısı literatürde tanımlı diğer sezici yapılarıyla karşılaştırılmıştır. Son olarak sistem mimarisine Turbo Kodlama tekniği eklenmiş ve bu yöntemin Tek

v Kod Çevrimsel Kaydırma sezici tipinde sağladığı performans iyileşmesi analiz edilmiştir. Bilim Kodu : 905.1.035 Anahtar Kelimeler : Kod bölmeli çoklu erişim, Tek kod çevrimsel kaydırma çok kullanıcılı sezici, Alıcı anten çeşitlemesi, Turbo kodlama Sayfa Adedi : 81 Tez Yöneticisi : Yrd. Doç. Dr. Özgür ERTUĞ

vi PERFORMANCE IMPROVEMENT OF SINGLE CODE CYCLIC SHIFT (SCCS) MULTIUSER DETECTOR BY USING TURBO CODING AND MULTIPLE ANTENNA RECEIVE DIVERSITY OVER MULTIPATH FADING CHANNELS FOR SYNCHRONOUS DS-CDMA SYSTEMS (M.Sc. Thesis) Sezin GÜNDOĞAN GAZĐ UNIVERSITY INSTITUTE OF SCIENCE AND TECHNOLOGY March 2013 ABSTRACT It is possible to increase the performance of today's and future s important applications 3G, 4G broadband wireless communication systems and many other innovations by using multiple antenna technology that provides high spectral efficiency and data rate combined with appropriate communication methods. Nowadays, when importance of mobile communication increases more and more, to use bandwidth, which is suitable for much more user, more efficiently has become a priority issue. Another equally important issue is the safety and reliability of the communication. One of the methods used to solve these problems is Code Division Multiple Access system. In this study, bit error rate (BER) of synchronous Code Division Multiple Access systems in which Single Code Cyclic Shift (SCCS) detector method is used over multipath fading channels is analyzed by MATLAB simulation program. After that, study is extended to multiple antenna structure by using receive diversity and maximal ratio combining method and the proposed detector s performance is compared with other detector types defined in

vii literature. At the end, Turbo coding is added to the system architecture and the effect of this method to Single Code Cyclic Shift detector s performance is analyzed. Science Code : 905.1.035 Key Words : Code division multiple access, Single code cyclic shift multiuser detection, Receive Diversity, Turbo coding Page Number : 81 Adviser : Assist. Prof. Dr. Özgür ERTUĞ

viii TEŞEKKÜR Çalışmalarım boyunca değerli yardım ve katkılarıyla beni yönlendiren saygıdeğer hocam Yrd. Doç. Dr. Özgür ERTUĞ a, desteğini hiç eksik etmeyen hocam Araştırma Görevlisi Asuman YAVANOĞLU na ve laboratuar çalışmalarımda bana yardımcı olan arkadaşım Fatih GENÇ e katkılarından ötürü teşekkür ederim. Ayrıca beni hiçbir zaman yalnız bırakmayıp bana güvenmekten hiç vazgeçmeyen kıymetlilerim anneme, babama, kardeşlerime; manevi desteklerini hep hissettiren arkadaşlarım Çiğdem KEKLĐKCĐ ve Aydan ASLAN a teşekkürü borç bilirim. Tüm bu süreçte sabır ve hoşgörüsüyle beni desteklemeyi bir an olsun bırakmayan, her konuda yardımcım, desteğim, ortağım olan eşim Mehmet GÜNDOĞAN a ve en zor anlarımda bile tek bir hareketiyle bana güç veren dünyaya gelecek kızım Đpek GÜNDOĞAN a hep benimle oldukları için minnettarım.

ix ĐÇĐNDEKĐLER Sayfa ÖZET... iv ABSTRACT... vi TEŞEKKÜR...viii ĐÇĐNDEKĐLER... ix ŞEKĐLLERĐN LĐSTESĐ... xii SĐMGELER VE KISALTMALAR... xiv 1. GĐRĐŞ... 1 2. SAYISAL HABERLEŞMEDE SÖNÜMLEMELĐ KANAL YAPILARI... 5 2.1. Sönümlemeli Kanal Modelleri... 5 2.2. Sönümlemeli Kanalların Sınıflandırılmasında Kullanılan Genel Parametreler 5 2.3. Sönümlemeli Kanalların Sınıflandırılması... 8 2.3.1. Geniş ölçekli sönümleme... 8 2.3.2. Küçük ölçekli sönümleme... 9 2.4. Đstatistiksel Kanal Modelleri... 10 2.4.1. Rayleigh sönümleme... 10 2.4.2. Ricean sönümleme... 11 3. ÇOKLU ERĐŞĐM TEKNĐKLERĐ... 13 3.1. Zaman Bölmeli Çoklu Erişim... 13 3.2. Frekans Bölmeli Çoklu Erişim... 13 3.3. Kod Bölmeli Çoklu Erişim... 14 4. YAYILI SPEKTRUM ĐLETĐŞĐM SĐSTEMLERĐ VE KOD BÖLMELĐ ÇOKLU ERĐŞĐM... 15

x Sayfa 4.1. Yayılı Spektrum Đletişim Sistemleri... 15 4.2. Yayılı Spektrum Đletişim Sistemi Modeli... 16 4.3. Doğrudan Dizili Yayılı Spektrum Sistemler... 17 4.4. Frekans Atlamalı Yayılı Spektrum Sistemler... 19 4.5. Bir Yayılı Spektrum Sistemi Olarak Kod Bölmeli Çoklu Erişim Doğrudan Dizili Kod Bölmeli Çoklu Erişim... 20 5. KOD BÖLMELĐ ÇOKLU ERĐŞĐM SĐSTEMLERĐNDE ÇOK KULLANICI KARIŞIMI... 23 6. ÇOK KULLANICILI SEZĐCĐ TĐPLERĐ... 25 6.1. Đlinti Çözücü Çok Kullanıcılı Sezici (Decorrelating Detector-DEC)... 25 6.2. Minimum Ortalama Karesel Hata Çok Kullanıcılı Sezici (Minimum Mean Square Error Detector- MMSE)... 28 6.3. Tek Kod Çevrimsel Kaydırma (TKÇK) Çok Kullanıcılı Sezici... 29 6.3.1. TKÇK çok kullanıcılı sezici sistem modeli... 30 7. TURBO KODLAMA... 39 7.1. Turbo Kodlayıcı... 39 7.2. Serpiştirici... 41 7.3. Trellis Diyagramı... 42 7.4. Turbo Kod Çözücü... 42 8. ÇOK GĐRĐŞ ÇOK ÇIKIŞLI (ÇGÇÇ) SĐSTEM FORMATLARI... 47 9. ÇEŞĐTLEME TÜRLERĐ VE ÇEŞĐTLĐLĐK BĐRLEŞTĐRME TEKNĐKLERĐ... 50 9.1. Çeşitleme Türleri... 51 9.1.1. Anten çeşitlemesi... 51 9.1.2. Frekans çeşitlemesi... 52

xi Sayfa 9.1.3. Zaman çeşitlemesi... 52 9.2. Çeşitlilik Birleştirme Teknikleri... 53 9.2.1. Seçmeli birleştirici... 53 9.2.2. Maksimum oran birleştirici... 55 9.2.3. Eşit kazanç birleştirici... 57 10. DENEYSEL SONUÇLAR... 58 10.1. Simülasyonun Genel Tanıtımı... 58 10.2. DD-KBÇE Sistemlerin Çalışma Prensibi ve Performans Analizi... 60 10.3. Tek Giriş Tek Çıkışlı Bir Sistemde Performans Analizleri... 63 10.4. Tek Giriş Çok Çıkışlı Bir Sistemde Alıcı Anten Çeşitlemesi Maksimum Oran Birleştirme Tekniği Kullanılarak Performans Analizleri... 69 11. SONUÇ VE ÖNERĐLER... 75 KAYNAKLAR... 77 ÖZGEÇMĐŞ... 81

xii ŞEKĐLLERĐN LĐSTESĐ Şekil Sayfa Şekil 2.1. Sönümleme türleri...8 Şekil 3.1. Genel TDMA nın zaman slotlarına bölünmesi... 13 Şekil 3.2. FDMA kanallarında uygulama... 14 Şekil 3.3. CDMA tekniği zaman-frekans karakteristiği... 14 Şekil 4.1. Yayılı spektrum iletişim sistemi modeli... 16 Şekil 4.2. Doğrudan dizili yayılı spektrum işaret üretimi... 18 Şekil 4.3. Bir frekans hoplama örüntü örneği... 20 Şekil 6.1. Senkron KBÇE için ilinti çözücü sezici yapısı... 25 Şekil 6.2. Senkron KBÇE için minimum ortalama karesel hata sezici yapısı... 28 Şekil 6.3. TKÇK çok kullanıcılı sezici yapısı kullanılan senkron KBÇE sisteminin verici-alıcı sistem modeli... 30 Şekil 6.4. TKÇK çok kullanıcılı sezici yapısı kullanılan senkron KBÇE sisteminin temel veri ve pilot sinyal yapısı modeli... 31 Şekil 6.5. 3 Çok yollu kanalda, TKÇK çok kullanıcılı sezici yapısı kullanılan k adet kullanıcılı senkron KBÇE sisteminin pilot sinyal alım işlemleri... 34 Şekil 7.1. 1/3 Oranlı bir turbo kodlayıcı... 40 Şekil 7.2. Evrişimli kodlayıcı G=[111 ; 101]... 41 Şekil 7.3. Tekrarlı sistematik evrişimli kodlayıcı G=[111 ; 101]... 41 Şekil 7.4. Trellis diyagram... 42 Şekil 7.5. Turbo kod çözücü... 43 Şekil 9.1. Seçmeli birleştirici yapısı... 54 Şekil 9.2. Maksimum oran birleştirici yapısı... 56

xiii Şekil Sayfa Şekil 10.1. Sistem modeli: a) Çok kullanıcılı bir sistemde genel tek antenli DD- KBÇE verici yapısı b) k. kullanıcının genel çok antenli DD-KBÇE alıcı yapısı... 59 Şekil 10.2. Senkron DD-KBÇE sisteminin çalışma analizi... 60 Şekil 10.3. 10 Kullanıcılı senkron DD-KBÇE sisteminde uyumlu filtre, ilinti çözücü ve MMSE çok kullanıcılı sezicilerin kıyaslamalı BER analiz sonuçları. 63 Şekil 10.4. 4 Kullanıcılı Senkron DD-KBÇE Sisteminde uyumlu filtre, ilinti çözücü ve MMSE çok kullanıcılı sezicilerin kıyaslamalı BER analiz sonuçları. 64 Şekil 10.5. Alıcıda kullanılan lokal TKÇK kodunun kullanıcılara ait BER performansına etkisi a) Lokal kod c 3 (t) a) Lokal kod c 2 (t)... 65 Şekil 10.6. 1, 2, 3, 4 ve 5 kullanıcılı senkron DD-KBÇE sisteminde TKÇK çok kullanıcılı sezicinin BER Analiz Sonuçları... 66 Şekil 10.7. 4 kullanıcılı senkron DD-KBÇE sisteminde TKÇK, ilinti çözücü ve MMSE çok kullanıcılı sezicilerin kıyaslamalı BER analiz sonuçları... 67 Şekil 10.8. Turbo kodlama tekniği kullanılan 4 kullanıcılı senkron DD-KBÇE sisteminde TKÇK çok kullanıcılı sezicinin BER analiz sonuçları... 68 Şekil 10.9. Alıcı anten çeşitlemesi kullanılan 4 kullanıcılı senkron DD-KBÇE sisteminde TKÇK çok kullanıcılı sezicinin BER analiz sonuçları... 69 Şekil 10.10. Alıcı anten çeşitlemesi ve M-QAM modülasyon kullanılan 4 kullanıcılı senkron DD-KBÇE sisteminde M değerinin TKÇK çok kullanıcılı sezicinin BER performansına etkisi a) 1 alıcı anteni b) 4 alıcı anteni... 70 Şekil 10.11. Alıcı anten çeşitlemesi kullanılan 4 kullanıcılı Senkron DD-KBÇE Sisteminde TKÇK, ilinti çözücü ve MMSE çok kullanıcılı sezici kıyaslamalı BER analiz sonuçları... 72 Şekil 10.12. Alıcı anten çeşitlemesi ve Turbo kodlama tekniği kullanılan 4 kullanıcılı senkron DD-KBÇE sisteminde TKÇK çok kullanıcılı sezicinin BER analiz sonuçları... 73

xiv SĐMGELER VE KISALTMALAR Bu çalışmada kullanılmış bazı simgeler ve kısaltmalar, açıklamaları ile birlikte aşağıda sunulmuştur. Simgeler Açıklama B cb B s db c 0 fc fs fn Hz T ct T m T s Σ Kanal bant genişliği Simge bant genişliği Desibel Işık hızı Kesim frekansı Örnekleme frekansı Sinyalde oluşan en yüksek frekans Hertz Kanal uyum zamanı Çok yol yayılımı Simge Periyodu Sigma α, β, γ Turbo kod çözücü parametreleri Kısaltmalar Açıklama 1G 2G 3G 4G ADSL AWGN BER BHO BPSK First Generation Second Generation Third Generation Fourth Generation Asymmetric Digital Subscriber Line Additive White Gaussian Noise Bit Error Rate Bit Hata Oranı Binary Phase Shift Keying

xv Kısaltmalar Açıklama CDMA ÇEG ÇGÇÇ ÇGTÇ DS DSSS DS-CDMA EGC FBÇE FDMA FFT FT IC ISI IFFT KBÇE LD MA MAI MF MIMO MISO MMSE QAM QPSK SC SCCS SINR SIMO SISO Code Division Multiple Access Çoklu Erişim Girişimi Çok Girişli Çok Çıkışlı Çok Girişli Tek Çıkışlı Direct Sequence Direct Sequence Spread Spectrum Direct Sequence Code Division Multiple Access Equal Gain Combining Frekans Bölmeli Çoklu Erişim Frequency Division Multiple Access Fast Fourier Transform Fourier Transform Interference Cancellation Inter Symbol Interference Inverse Fast Fourier Transform Kod Bölmeli Çoklu Erişim Linear Decorrelating Multiple Access Multiple Acess Interference Matched Filter Uyumlu Filtre Multiple Input Multiple Output Multiple Input Single Output Minimum Mean Square Error Quadrature Amplitude Modulation Quadrature Phase Shift Keying Selection Combining Single Code Cyclic Shift Signal-to-Interference and Noise Ratio Single Input Multiple output Single Input Single Output

xvi Kısaltmalar Açıklama SNR SS TDMA TGÇÇ TKÇK ZBÇE Signal-to-Noise Ratio Spread Spectrum Time Division Multiple Access Tek Girişli Çok Çıkışlı Tek Kod Çevrimsel kaydırma Zaman Bölmeli Çoklu Erişim

1 1. GĐRĐŞ Geçen 30 yıl içerisinde bilgi teknolojileri sektörü iki önemli yenilik ile büyük bir atak yaşadı. Bunlardan ilki internet iken diğeri ise kablosuz teknolojilerin büyük ve hızlı yayılımı oldu. Öncelikle internet insanlığa, dünyanın her bir köşesinde optik fiber ağı ile kurulan bir altyapı sayesinde yüksek hızlı bilgi ağının evrensel boyutlara ulaşabileceğini gösterdi. Sonrasında kablosuz teknolojilerin hızlı gelişimi modern haberleşme sistemlerinin kablosuz taşınabilir kullanımını beraberinde getirdi. Aynı ortamda bulunan herkesin ve her şeyin hareketli olabilmesi sebebiyle taşınabilirlik tüm bu modern gelişmelerin en büyük karakteristik göstergesi oldu. Taşınabilir hücresel telefon servislerinin dünyanın her tarafında görülen hızlı artışı taşınabilir haberleşme sistemlerine olan talebi büyük oranda etkiledi. Taşınabilir hücresel haberleşmenin ulaşılabilirliği insanların yaşam tarzını, iş yapma/yürütme şeklini mesafe-zaman ilişkisine bakış açısını tamamen değiştirerek etkiledi. Kablosuz teknolojiler tamamıyla radyo frekansları kullanarak elektromanyetik dalgalar üzerinden bağlantı hatları kurmaya dayalı bir mantık üzerine şekillenmiştir. Bu görünmez RF hatları, son kullanıcıların sabit veya kablolu network altyapısına sahip baz istasyonu veya erişim noktaları ile arasındaki bağlantıyı kurar. Bu durum da kablosuz haberleşme teknolojilerinin fiziksel katman ve mimari anlamında yapılması gereken daha pek çok çalışmaya ihtiyaç duyduğunu gösterir. Kablosuz haberleşme sistemleri kişinin istemesi halinde herhangi bir bilgiye istediği anda istediği yerde ulaşmasını sağlarken, bu avantajlarının yanında yazılım ve donanım zorlukları, network çözümlerinde çapraz katman tasarımı gibi pek çok zorlukları da bulunur. Kablosuz haberleşme sistemlerinde her ne kadar uygulama zorluğu olsa da günümüzde ortaya çıkan kullanıcı sayısındaki yüksek artış bu sistemleri dikkat çeker ve araştırmaya değer bir hale getirmiştir. Bu konuda pek çok araştırmacı ve teknoloji kuruluşu çalışmalar yürütmüş ve mobil sistemlerin haberleşmesinde ilerlemeler kaydedilmiştir. Bu alanda yapılan çalışmalar daha yüksek iletim hızına sahip

2 sistemler geliştirmek ve sistemlere ayrılan bant genişliğinin daha verimli kullanımını sağlamak üzerine şekillenmiştir. Kablosuz taşınabilir haberleşme sistemleri dünya çapında kullanılmış ve bu sistemler analog/sayısal olup olmamalarına taşıdığı trafik türüne göre çeşitli nesiller oluşturmuşlardır. Bunlar, birinci, ikinci, üçüncü ve dördüncü nesil sistemler olarak sınıflandırılmışlardır. 1980 li yıllarda araç telefonu olarak da bilinen analog ve sadece ses iletiminin mümkün kılınabildiği sistemler Birinci nesil hücresel sistemler olarak ortaya çıkmıştır. Bu sistemler analog Frekans Modülasyon teknikleri üzerine şekillenmiş olan sistemlerdir. Birinci nesil sistemlerde her bir kanal tek frekans bandına ayrılır ve yöntem olarak Frekans Bölmeli Çoklu Erişimi (FBÇE) kullanır. Kullanımına verilebilecek başlıca örnek, AMPS (Advanced Mobile Phone System) dir. AMPS, ses iletimi için frekans modülasyon tekniğini ve veri taşıması sırasında sayısal işaretleme tekniğini kullanmaktadır. Bunun yanında Yakın Bant AMPS, Toplam Erişim Hücresel Sistemi (TACS) ve Nordic Mobil Telefon Sistemi (NMT-900) de diğer birinci nesil hücresel sistemlerdir. 1990 lı yıllarda ise Birinci nesil hücresel sistemleri takiben Đkinci nesil hücresel sistemler ortaya çıkmıştır. Bu sistemlerin ortaya çıkışının temel sebebi Birinci nesil sistemlerin artan kullanıcı sayısının talebini karşılayamamış olmasıdır. Bu sistemler tamamıyla sayısal modülasyon teknikleri üzerine şekillendirilmiştir. TDMA ve CDMA gibi veri iletiminin de yapılmasını sağlayan sayısal teknolojiler FDMA ile birlikte kullanılmıştır. USDC standartları IS-54 ve IS-136, GSM (Global System for Mobile Communications), CDMAOne Đkinci nesil hücresel sistemlere verilebilecek başlıca örneklerdir. Đkinci nesil hücresel sistemler 2.5G denilen geçiş teknolojileriyle yoluna devam etmiştir. 2000 li yılların başında mobil haberleşme sistemlerinin geldiği ilk nokta Üçüncü nesil hücresel sistemlerdir. Bu yapının oluşumunda gerçekleştirilen en önemli aşaması yüksek hızlara sahip, IP temelli iletişim şebekeleri üzerine yapılan

3 çalışmalar olmuştur. Bu anlamda gerçekleştirilen en önemli gelişme, insanların radyo dalgalarını kullanarak gerçek zamanlı olarak multimedya uygulamalarını gerçekleştirebilmeleri olmuştur. Yaşanan gelişmelerle birlikte Birinci nesil hücresel sistemlerle birlikte ortaya çıkan iki sabit nokta arasında haberleşme kurulması kısıtlaması ortadan kalkmıştır. Ayrıca şebeke kapsamındaki lokal alanlarda haberleşme hızı 2Mbit/sn değerini bile aşabilmektedir. Günümüz dünyasında kapsama alanlarının artması ile mobil iletişim sistemlerinin kullanımı dramatik oranda artış göstermiştir. Kablosuz dosya transferleri, elektronik postalar gibi uygulamalar Üçüncü nesil hücresel sistemlerle hayatımıza giren en temel uygulamalardır. Üçüncü nesil hücresel sistemlerin daha önce saydığımız pek çok avantajının yanında, bazı ülkelerde oluşan yüksek lisans ücretleri ve altyapı maliyetleri gibi dezavantajları da bulunmaktadır. Mobil haberleşme sistemlerinin geldiği son nokta olan Dördüncü nesil hücresel sistemler, benzer GSM standartları gibi hücresel bir ağ kullanmakla beraber Üçüncü nesil hücresel sistemlerde görülen kapsama alanı ve benzeri problemler karşısında daha verimli bir teknolojidir. Dördüncü nesil hücresel ağların yüksek hız, yüksek kapasite, bit başına düşük maliyet, IP tabanlı servisler gibi özellikleri içermesi sağlanmaktadır. Dördüncü nesil hücresel ağların temel amacı, mevcut merkezi hücresel ağları IP tabanlı dünya çapında tek bir merkezi hücresel ağ standardında birleştirmektir. Bu yeni ağ, kontrol, video IP üzerinde ses gibi bir çok servisi desteklemektedir. WiMax, WiBro, 3GPP LTE gibi standartlar 4G sistemini sağlamaktadır. Günümüzün hızla gelişen teknolojisi son nesil haberleşme sistemleri olarak Kod Bölmeli Çoklu Erişim sistemlerinin farklı uygulamalarını kullanmaktadır. Bu tez kapsamında yürütülen çalışma, Doğrudan Dizili Kod Bölmeli Çoklu Erişim Sistemlerinin çok yollu sönümlemeli kanal ve çoklu alıcı anten yapısı ile Tek Kod Çevrimsel Kaydırma sezici kullanımının bit hata oranı bazında performans analizini incelemek ve aynı koşullar altında geleneksel yöntemler ile yeni uygulamalar arasında hangi yöntemin daha avantajlı olduğunu göstermek amacıyla yürütülmüştür.

4 Teorik çalışmalar esnasında uluslararası organizasyonlarda yayımlanmış pek çok standart ve makale incelenmiş, kapsamlı bir literatür taraması yapılmıştır. Üzerinde çalışılan konulara ilişkin daha önceki çalışmalar detaylarıyla incelenmiş ve zayıf/güçlü yönleri tespit edilerek yapılan tez çalışmasına temel teşkil etmeleri sağlanmıştır. Hazırlanan tez çalışmasının 2. bölümünde sayısal haberleşme sistemlerinin temelini oluşturan sönümlemeli kanal yapıları incelenmiştir. Kablosuz haberleşme kanallarının davranış şekillerine göre oluşan kompleks modeller hakkında bilgi verilmiştir. 3. bölümde, haberleşme teknolojilerinde hem geçmişte kullanılan hem de günümüzde kullanımına devam edilen çoklu erişim teknikleri hakkında genel bilgi verilmiştir. 4. bölümde ise araştırmamızın temelini oluşturan Kod Bölmeli Çoklu Erişim sistemlerinin altyapısı olan yayılı spektrum iletişim sistemleri ve buna bağlı olarak Kod Bölmeli Çoklu Erişim sistemlerinin çalışma prensipleri detaylarıyla anlatılmıştır. 5. bölümde Kod Bölmeli Çoklu Erişim sistemlerinde çok kullanıcı karışımı açıklanmıştır. 6. bölümde ise çok kullanıcılı sezici tipleri açıklanırken yeni uygulama olan Tek Kod Çevrimsel Kaydırma sezici hakkında detaylı teorik bilgiler sunulmuştur. 7. bölümde üzerinde çalıştığımız sistemin performansını artırmak için kullandığımız Turbo kodlama tekniğine ait detaylar verilmiştir. 8. Bölümde çok giriş çok çıkışlı sistemlerin temel yapısı tanıtılmış ve bu bilgiler ışığında 9. bölümde çeşitleme türleri ve çeşitlilik birleştirme teknikleri ile ilgili detaylar verilmiştir. 10. bölümde gerçekleştirilen deneysel çalışmalar ve bunların sonucunda elde edilen sonuçlar paylaşılmış, 11. bölümde ise bu sonuçlara ilişkin genel değerlendirmeler ve öneriler paylaşılmıştır.

5 2. SAYISAL HABERLEŞMEDE SÖNÜMLEMELĐ KANAL YAPILARI 2.1. Sönümlemeli Kanal Modelleri Su altı akustik kanallar, radyo kanalları gibi kablosuz haberleşme hatları, zamanla farklılık gösteren iletim özelliklerine sahiptirler ve bu nedenle bu kanalların davranışlarını açıklayacak karmaşık modeller geliştirilmiştir. Geliştirilen zamanla değişen karakteristiklere sahip olan bu fiziksel kanallar, zamanla değişkenlik gösteren doğrusal süzgeçler ile karakterize edilirler. Bu tip süzgeçler h(; ) şeklinde zamanla değişen dürtü tepkileri ile tanımlanırlar. Mobil hücresel iletimde, baz istasyonundan mobil alıcılara iletilen işaretler çoğunlukla çevredeki engellerden (binalardan, tepelerden vb.) yansır. Dolayısıyla da çoklu yayılım yolları farklı zaman gecikmeleri ile alıcıya ulaşmış olur. Aynı durum tam ters iletimde de yani mobil istasyondan baz istasyonuna iletim için de geçerlidir. Dahası mobil Doppler kayması olarak tabir edilen istasyonun iletim hızı (örn. otomobil, tren), işaretin farklı frekans bileşenlerinde frekans kaymalarına sebep olur [1]. Bu bölümde, ilk olarak kablosuz haberleşmede bilgi kaybına yol açan çok yollu sönümleme çeşitleri ve yaygın olarak kullanılan kanal modelleri incelenecektir. 2.2. Sönümlemeli Kanalların Sınıflandırılmasında Kullanılan Genel Parametreler Ortam Kablosuz kanallarda, dalga yayılımını etkileyen üç ana etken vardır. Bunlar:

6 Yansıma Yansıma, iletilen elektromanyetik dalganın düz bir yüzeye çarpıp geri dönmesi ile oluşur. Söz konusu bu yüzeyin boyutu işaretin dalga boyundan daha büyüktür [1, 4]. Kırılma Verici ile alıcı arasında yer alan ve boyutları işaretin dalga boyundan daha büyük olan bir engel, sistemde yeni dalgaların üretilmesine sebep olur. Bu duruma gölgeleme denir. Saçılma Bir radyo dalgasının, boyutları işaret dalga boyundan küçük ya da ona eşit olan engebeli bir yüzeye çarpması ile oluşur. Şehir ortamında saçılmaya sebep olan en tipik engeller; sokak lambası direği, caddedeki tabelalar vb.dir [1, 4]. Radyo kanallarını olumsuz etkileyen diğer unsur da gezgin istasyonun hareketi sebebiyle oluşan Doppler etkisidir. Doppler etkisi, iletilen bir dalganın her bileşeninde frekans kaymasına sebep olur. Dalganın Doppler frekansı Eş. 2.1 de olduğu gibi ifade edilir. = (2.1) Bu eşitlikte, f max maksimum Doppler frekansı, v aracın hızı, c 0 ışık hızı, f 0 taşınan frekanstır [4]. Đşaret sönümü Zamanla değişen bir kanalda çok yollu yayılımdan kaynaklanan genlik değişimleri işaret sönümü olarak adlandırılır [1].

7 Çok yollu (zaman) yayılımı, T m Kanala giren bir sinyalin ilk ve son ulaşan bileşenlerinin arasında meydana gelen zaman farkı kanalın çok yollu (zaman) yayılımıdır. Bu kanal parametresi T m olarak ifade edilir [1, 20]. Evreuyumlu bant genişliği, B cb (Coherence bandwidth) Kanalda iletilen bir işarete ait frekans bileşenlerinin, kanal parametrelerinden eşit oranda etkilendiği bant genişliğinin ölçüsü olan bu parametre çok yollu yayılımın tersidir. Söz konusu kanal parametresinin gösterimi Eş. 2.2 de verilmiştir [1, 20]. B cb =1/T m (2.2) Uyum zamanı, T ct (Coherence time) Uyum zamanı parametresi, kanal tepkisinin az bir oranda değişiklik gösterdiği zaman aralığının bir ölçüsü olan Doppler yayılımının tersine tekabül etmektedir. Bu parametre Eş. 2.3 de olduğu gibi ifade edilir ve kanalın uyum zamanı olarak adlandırılır. T ct =1/B d (2.3) Kanaldan iki farklı zaman anında gönderilen bir işaretin, uyum zamanı değerinden daha az bir zaman ile birbirinden ayrılması durumunda söz konusu işaret, kanaldan aynı şekilde etkilenecektir. Dolayısıyla bu zaman zarfında kanala ilk olarak gönderilen işaretin kanalda zayıflama oranı büyük ise, ikinci zaman anında kanala gönderilen işaret de büyük oranda zayıflatılacaktır [1].

8 2.3. Sönümlemeli Kanalların Sınıflandırılması Zamanla değişen çok yollu iletişim kanallarında oluşan sönümlemeler aşağıdaki şekilde gruplandırılabilir. Tüm Sönümlemeler Küçük Ölçekli Sönümleme Geniş Ölçekli Sönümleme Çok Yollu Rayleigh Sönümleme Yol Kaybı (mesafeye bağlı olarak) Gölgeleme Kaybı Zaman Yayılımı Zaman Farkı Düz Sönümleme (w<f0) Frekans Seçici sönümleme (w>f0) Hızlı Sönümleme (fd>w) Yavaş Sönümleme (fd<w) Şekil 2.1. Sönümleme türleri 2.3.1. Geniş ölçekli sönümleme Geniş Ölçekli Sönümleme; geniş bir alandaki hareketlilik sonucu meydana gelir ve verici ve alıcı arasındaki mesafe ile karakterize edilir. Diğer bir deyişle, geniş alanlarda hareket sonucu ortalama işaret gücünün zayıflamasını ya da yol kaybını ifade eder. Bu yapı, alıcı ve verici arasındaki yeryüzü kaidelerinden (tepe, orman, reklam panosu vb.) etkilenir. Bu almaçlara gölgelenmiş (shadowed), bu şekilde oluşan sönümlemelere de gölgeleme (shadowing) denilmektedir. Ayrıca geniş ölçekli sönümleme istatistikleri, yol kaybı tahminini mesafenin bir fonksiyonu olarak hesaplama imkânı da sağlamaktadır [1, 5].

9 2.3.2. Küçük ölçekli sönümleme Küçük ölçekli sönümleme, verici ve alıcı arasında yer alan mesafedeki küçük değişiklikler sebebiyle oluşan bir sönümleme türüdür (nesnelerin yer değişikliği vb). Küçük ölçekli sönümleme, sinyalin zamanda yayılımı ve kanalın zamanla değişimi olmak üzere iki mekanizma ile kendini gösterir. Mobil radyo uygulamaları, alıcı ve verici arasındaki hareketin sebep olduğu yayılım yolundaki değişikliklerden ötürü kanalın zamanla değişimi mekanizmasına göre işler [4, 5]. Hızlı Sönümleme Kanala ait darbe cevabının temel bant sembol süresi içerisinde hızlı bir şekilde değişmesi, gezgin radyo kanalının hızlı sönümlü bir kanal olmasına sebep olur. Hızlı sönümlemeli kanalda kanalın darbe yanıtı bir simge periyodu boyunca çok hızlı değişir. Bir kanalın hızlı sönümlü olması, hareketin yol açtığı kanal değişim hızıyla ilgilidir. Bu sönümleme çeşidinde Doppler kayması iletilen işaretin bozulmasına sebep olur ve söz konusu bozulma, Doppler yaymasının artışına paralel olarak artar. Bu kanal yapılarında kanalın uyum zamanı, iletilen işaretin simge periyodundan daha küçüktür. Hızlı sönümleme şu durumlarda meydana gelir; T s > T ct ve B s < B d [4, 5]. Yavaş sönümleme Kanala ait darbe cevabının temel bant sembol süresi içerisinde yavaş bir şekilde değişmesi, gezgin radyo kanalının yavaş sönümlü bir kanal olmasına sebep olur. Bu nedenle kanalın karşılıklı bant genişlikleri aralığında durağan olduğu kabul edilir. Yavaş sönümleme şu durumlarda meydana gelir; T s << T ct ve B s >> B d [4]. Düz sönümleme Gezgin radyo kanalının uyum bant genişliği iletilen işaretin bant genişliğinden daha büyük bant genişliğinde sabit bir kazanca ve doğrusal bir faz yanıtına sahip olursa

10 alınan işaret düz sönümlemeye uğrar. Düz sönümlemede, kanaldan alıcıya iletilen işaretin spektral yapıları korunur ancak çoklu yolların sebep olduğu kanal kazancındaki dalgalanmalar nedeniyle zamanla işaret gücü değişir. Düz sönümlü kanallar, dar bantlı kanallar olarak da adlandırılabilirler. Çünkü kanala giren işaretin uyum bant genişliği, kanalın düz sönümlü bant genişliğinden daha dardır [4]. Bir işaretin düz sönümlemeye uğraması için, B s << B c ve T s >> σ olmalıdır. Burada T s, işaretin simge periyodu; B s, işaretin band genişliği; σ, kanalın gecikme yayılımı; B c, kanalın uyum bant genişliğidir [1, 4]. Frekans seçici sönümleme Gezgin radyo kanalının uyum bant genişliği iletilen işaretin bant genişliğinden daha küçük bant genişliğinde sabit bir kazanca ve doğrusal faz cevabına sahip olursa alınan işaret frekans seçici sönümlemeye uğrar. Bu şartlar altında kanalda, iletilen işaretin sembol periyodunu aşan çok yollu gecikmeler meydana gelir. Bu tip kanallarda iletilen dalga şekli zayıflar, iletim gecikir ve böylece alıcıda işaret bozulmuş olarak alınır. Bu şekilde alıcıdaki işaret gönderilen işaretin zayıflamış ve zamanda gecikmiş birçok bileşeninden oluşur. Kanalda iletilen sembollerin zamanda dağılmasıyla birlikte simgeler arası girişim ISI (Inter-Symbol Interference) oluşur. Özetlersek, frekans seçici sönümleme durumu için Bs > Bc ve Ts < σ olmalıdır [4]. 2.4. Đstatistiksel Kanal Modelleri 2.4.1. Rayleigh sönümleme Rayleigh sönümleme modellerinde kanaldan geçen sinyalin gücü Rayleigh dağılımına bağlı olarak rastgele değişir veya sönümlenir. Rayleigh dağılımı daha çok alıcı ile verici arasındaki doğrudan görüş çizgisi (LOS) yolundan kaynaklanan baskın yayılımın olmadığı çok yollu sönümlemeyi modellemek için kullanılır. Rayleigh sönümleme, alıcı ile verici arasında çok fazla dağılıma sebep olabilecek engellerin bulunduğu ortamlarda kullanılması doğru olan bir modellemedir.

11 Rayleigh dağılımı Eş. 2.4 de verilen olasılık yoğunluk işlevine (pdf) sahiptir. P Rayleigh ( x ) = x b 0 0 exp 2 x 2 b 0 0 x < x 0, (2.4) Bu eşitlikte b 0, bileşenlerin ortalama gücünü (varyansı), x ise zarf genliğini göstermektedir. Rayleigh dağılımının varyansı ise Eş. 2.5 de görüldüğü gibi bulunur. b 0 2 2 2 [ x ] E [ x] = x p( x) = E 0 b0π dx 2 (2.5) π = b 0 2 = 0. 4292b 2 0 2.4.2. Ricean sönümleme Ricean sönümleme, gönderilen sinyalin baskın olan işaret bileşeni (Line of sight) ile birlikte birçok yoldan yansıyarak alıcıya ulaşan zayıf bileşenlerini içeren yayılım yollarını modellemek için kullanılır. Ricean dağılımında baskın işaret bileşeni sönümlenirse Rayleigh dağılımı elde edilir. Küçük ölçekli sönümlemeli kanalın genlik zarfı, baskın zayıflamamış bir işaret bileşeni varsa (Line-of-sight gibi) Ricean dağılımlıdır. Zarf sezici çıkışında baskın işaret doğru akım bileşeninin oluşmasına neden olur. Ricean dağılımı Eş. 2.6 da verilmektedir. ( x 2 2 + A ) x 2b xa 0 p = x ( x) e I 0, A 0 ve x 0 (2.6) b0 b0

12 A, baskın işaretin maksimum değeri (genliği); I 0 (.), 0. derece 1. çeşit Bessel işlevidir. Ricean dağılımı genellikle K parametresi ile ifade edilir. K parametresi Eş. 2.7 de verildiği gibi hesaplanır. 2 A K ( db) = 10 log db (2.7) 2b 0 A 0, K db durumunda Ricean dağılımı Rayleigh dağılımına dönüşür. K >> 1 durumunda ise Ricean dağılımı Gauss dağılımına yakınsar.

13 3. ÇOKLU ERĐŞĐM TEKNĐKLERĐ Sayısal haberleşmede kullanılan 3 çeşit çoklu erişim tekniği bulunmaktadır. Bunlar; Zaman Bölmeli Çoklu Erişim Frekans Bölmeli Çoklu Erişim Kod Bölmeli Çoklu Erişim 3.1. Zaman Bölmeli Çoklu Erişim Bu uygulama, spektrumu özel zaman dilimlerine böler ve her zaman dilimini sadece bir kullanıcının kullanmasına izin verir. Her frekans ayrı zaman dilimine ayrıldığından kullanıcılar aynı frekansı farklı zamanlarda kullanırlar. Bu yapıda her kullanıcı kendine ait olan frekans kanalını kullanır. Bu uygulamada hiçbir kullanıcının iletimi sürekli değildir. Bu özelliğinden ötürü aktarma işlemi kullanıcı için daha basittir. Çünkü boş zamanlarında başka baz istasyonlarını dinleyebilmektedir. Güç Kanal 1 Kanal 2 Kanal3 Kanal 4 Zaman Şekil 3.1. Genel TDMA nın zaman slotlarına bölünmesi [7] 3.2. Frekans Bölmeli Çoklu Erişim Bu uygulamada toplam kanal bant genişliği bağımsız dar frekans kanallarına bölünerek her bir kullanıcıya özel bir frekans kanalı tahsis edilmektedir. Kullanıcı bu kanalı hem almada hem de göndermede kullanmaktadır. Bu uygulamayla birlikte

14 aynı anda aynı iletim ortamına çok sayıda kullanıcı erişebilmektedir. Kanalların kullanılmadığı zamanlarda boş beklemesi bu uygulamanın dezavantajıdır. Güç Kanal 1 Kanal 2 Kanal 3 Kanal 4 Frekans Şekil 3.2. FDMA kanallarında uygulama [7] 3.3. Kod Bölmeli Çoklu Erişim Bu uygulamada tüm kullanıcılar aynı frekans bandında ve aynı anda iletim yapar. KBÇE uygulamalarında tüm kullanıcılar aynı frekans bandını kullanabileceğinden iletişim kanalının paylaştırılmasıyla ilgili herhangi bir planlamaya gerek kalmaz [7, 38]. KBÇE detayları daha sonra anlatılacak olan bir yayılı spektrum tekniğidir. Bu uygulamada iletilecek olan dar bant mesaj sinyali, geniş banda sahip bir işaretle (kod) çarpılarak gönderilir. Bu kodlar her kullanıcı için tektir ve diğer kullanıcıların kodlarına dikgendir. Alıcı tarafında beklenilen kod sezilir (bunun için alıcının verici tarafındaki kodu bilmesi gerekir.) ve diğer tüm kodlar gürültü olarak nitelenir [38]. Şekil 3.3. CDMA tekniği zaman-frekans karakteristiği [7]

15 4. YAYILI SPEKTRUM ĐLETĐŞĐM SĐSTEMLERĐ VE KOD BÖLMELĐ ÇOKLU ERĐŞĐM 4.1. Yayılı Spektrum Đletişim Sistemleri Bu başlık altında incelenecek olan konuda spektrum, temel bant işaretiyle ilişkili olan güç spektrumunu işaret etmektedir. Yayılmış spektrum ise temel bant işareti güç spektrumunun verilen bant genişliği boyunca yayılmasını ifade etmektedir. Herhangi bir sayısal iletişim tekniğinde işaret tasarımı konusunda belirlenen temel hedef, verici gücünün ve mevcut kanal genişliğinin verimli kullanılmasıdır. Pratikte uygulanan birçok faktör verimli bir sayısal haberleşme sistem tasarımını etkileyebilir. Örneğin, bir çoklu erişim iletişiminde bilgi iletimi için birden fazla verici aynı ortak kanalı kullandığında kanal kullanıcılarının oluşturduğu karışım sistemin performansını ciddi oranda kısıtlayabilir. Oluşan bu karışımdan dolayı ortaya çıkan performans kaybının üstesinden gelebilmek için iletilen işaretin bant genişliği daha da artırılabilir. Bu, yayılı spektrum işleminin temel karakteristiğini oluşturmaktadır. Bu uygulamalardaki ikinci bir önemli karakteristikse modülatördeki bilgi işaretinin, bilgi dizisinden bağımsız bir kod sayesinde bant genişliğinde yayılmasıdır. Söz konusu bu kod, sözde-rastgele olma özelliğine sahiptir. Bu yapı, yayılı spektrum iletişim sistemini kanal kodlama fazlalığı özelliği sayesinde iletilen işaretin bant genişliğini yayan, diğer geleneksel haberleşme sistemlerinden ayırt edici bir özelliktir [1]. Yayılı spektrum işaretlerinin oluşturulması için gerekli olan teknikleri ve bu işaretlerin özelliklerini tanımak önemlidir. Yayılı spektrum modülasyon tekniği aşağıda verilen iki kriteri sağlamalıdır: Đletimin bant genişliği bilginin bant genişliğinden çok daha büyük olmalıdır. Sonuçta elde edilen RF bant genişliği, gönderilen bilgi işaretinden istatistiksel olarak bağımsız olmasının sağlanması amacıyla farklı bir fonksiyonla belirlenir.

16 Bu şekilde yayılı spektrum modülasyonu, kanaldan iletilecek olan bilgi işaretini daha büyük bant genişliğine sahip bir işarete dönüştürmüş olur. Bu dönüştürme işlemi, ortaya çıkan bilgi işaretini veri işaretinden daha geniş spektruma sahip ve veriden bağımsız kod işareti ile kodlayarak yapılır [8]. Yayılı spektrum modülasyon tekniklerinin bilinen pek çok avantajı vardır. Bunların başında; işareti düşük güçte ileterek saklama ve bu sayede gürültü altında işaretin varlığını istenmeyen bir dinleyicinin fark etmesini zorlaştırmak yani tespit edilme güçlüğü, frekans bozucu sinyallere karşı dayanıklı olma gibi pek çok önemli avantajı vardır. Bu nedenle bu uygulamalar önceki yıllarda askeri uygulamalarda yaygın olarak kullanılmış olsa da artık günümüzde daha çok sayısal hücresel haberleşme, kablosuz telefon gibi sivil haberleşme uygulamalarında kullanılmaktadır. 4.2. Yayılı Spektrum Đletişim Sistemi Modeli Temel bir yayılı spektrum iletişim sistemi aşağıdaki şekilde görüldüğü üzere; modülatör/demodülatör, kanal kodlayıcı/kanal kod çözücü temel bileşenlerinden meydana gelir. Ayrıca yine bu sistemin başka bir önemli ve karakteristik bileşeni, iki özdeş sözde-rastgele kod dizisi üretecidir. Bahsi geçen bu üreteçler sözde-rastgele ya da sözde-gürültü ikili kod değerli kod dizileri üretirler. Bu üreteçlerden bir tanesi verici tarafında modülatörle ilişki içinde iletilen işareti yaymak için bulunurken diğeri almaç tarafında demodülatörle ilişki içindedir ve alınan işaretin geri yayılım işleminde kullanılır [1]. Bilgi Dizisi Kanal Kodlayıcı Modülatör Kanal Demodülatör Kanal Kod Çözücü Çıkış Verisi Sözde-Rastgele Dizi Üreteci Sözde-Rastgele Dizi Üreteci Şekil 4.1. Yayılı spektrum iletişim sistemi modeli

17 Đletişim sistemlerinde görülen ve çeşitli bozucu etkiler sonucunda oluşan karışım yayılı spektrum işaretin kanal boyunca iletimi sırasında meydana gelir. Oluşan karışımın özellikleri büyük oranda onun kaynağına bağlıdır. Karışımlar, çoğunlukla bilgi işaretinin bant genişliğine ve işaretin zamanda sürekli veya darbeli ilerlemesine bağlı olarak sınıflandırılır. Eğer kullanıcıların hepsi geniş banda sahip bilgi işaretleri kullanıyorsa bu durum geniş bant gürültü eşdeğeri bir karışım olarak karakterize edilir. Eğer kullanıcı frekans hoplaması kullanıyorsa diğer kullanıcılardan kaynaklanan karışım dar bant olarak karakterize edilebilir. Modülatör aşamasında üretilen sözde gürültü kod dizisi, faz kaydırmalı modülasyon ile birlikte modüle edilen işaretin fazını sözde-rastgele olarak bit hızının tamsayı katlarında kaydırmak için kullanılır. Bu işlemin sonucunda elde edilen modüle edilmiş işaret doğrudan dizi (DD) (Direct-Sequence (DS)) yayılı spektrum işaret olarak adlandırılır. Üretilen sözde-rastgele kod dizisi, M-li veya ikili Frekans Kaydırmalı Modülasyon ile birlikte kullanılırsa iletilen işaretin frekansının seçilmesi için kullanılır. Bu işlemin sonucunda elde edilen işaret frekans hoplamalı (Frequency Hopped (FH)) yayılı spektrum işaret olarak adlandırılır [1, 8]. 4.3. Doğrudan Dizili Yayılı Spektrum Sistemler Bir iletişim sisteminde girişte oluşturulan bilgi işaretinin hızının saniyede R bit ve bit uzunluğunun T b =1/R olduğu varsayılsın. Kullanıma uygun olan kanal bant genişliği, B c >> R olmak üzere B c Hz dir. Modülatörde yapılan işlemler sonucunda, taşınan bilgi işaretinin bant genişliği, üreteçten elde edilen sözde rastgele kod dizisine bağlı olarak, taşıyıcının fazı yine sözde rastgele olarak saniyede W kez kaydırılarak, W=B c Hz e genişletilir. Burada bilgi işaretinin süresinin çip işaretinin süresine oranı işlem kazancı (Process Gain-PG) ya da yayılma faktörü (Spreading Factor-SF) olarak tanımlanır [1]. PG=SF=T b /T c (4.1)

18 Eş. 4.1, sistemdeki bir bilgi işaretinin içinde yer alan çip sayısını göstermektedir. Söz konusu oranın yani sistemin PG değerinin yüksek olması daha büyük bir yayılımın varlığını gösterirken, aynı frekans bandında daha çok yayılma kodunun kullanılabileceği anlamına da gelir. Şekil 4.2 de yayılımın gerçekleştirilmesi için gerekli temel yöntem gösterilmektedir. c(t) +1 t -1 v(t) Tc (a) PN Đşaret +1 t -1 v(t)c(t) T b (a) Veri Đşareti +1 t -1 T b (a) Çarpım Đşareti Şekil 4.2. Doğrudan dizili yayılı spektrum işaret üretimi Sistemde bilgi taşıyan temel bant işareti v(t) ile gösterilecek olursa söz konusu ifade Eş. 4.2 de verildiği gibi yazılır. () = ( ) (4.2) Bu eşitlikte = ± 1, < < ve g (t) süreci T b olan bir dikdörtgen darbedir. Bu temel bant işareti sözde rastgele kod üretecinden elde edilen ve Eş. 4.3 ile gösterilen işaret ile çarpılır. () = ( ) (4.3)

19 Bu eşitlikte c(t), +1 ve -1 değerlerinden oluşan sözde rastgele kod dizisini ve p(t), süresi T c olan dikdörtgen darbeyi ifade etmektedir [1]. Çarpım işareti ()(), 2 () uygulayarak Eş. 4.4 ü ortaya çıkarır. taşıyıcısını genlik modülasyonuna () = v(t)c(t)cos2πf t (4.4) Tüm t değerleri için ()() = ±1 olduğundan, taşıyıcı modülasyonlu iletilen işaret Eş. 4.5 de verildiği gibi ifade edilir [1]. () = cos[2πf t + θ(t)] (4.5) 4.4. Frekans Atlamalı Yayılı Spektrum Sistemler Frekans hoplamalı yayılı spektrum sistemlerde, sistemin mevcut W bant genişliği birbiri ile çakışmayan büyük sayıda frekans dilimlerine bölünür. Herhangi bir anda iletilen işaret mevcut frekans dilimlerinden bir veya ikisini tutar. Her bir işaret aralığında kullanılacak olan frekans diliminin/dilimlerinin seçimi sözde rastgele kod üretecinin çıkışında oluşturulan kod dizisine bağlı olarak yapılır [1]. Genellikle R h olarak ifade edilen frekans hoplama hızı, işaretin hızına eşit, işaretin hızından daha düşük veya daha büyük olabilir. Eğer frekans hoplama hızı işaret hızına eşit veya işaret hızından düşükse söz konusu frekans hoplamalı sistem yavaş hoplayan sistem olarak ifade edilir. Eğer frekans hoplama hızı işaret hızından daha büyükse yani bir işaret için birden fazla hoplama gerçekleşiyorsa sistem hızlı hoplayan sistem olarak ifade edilir. Ancak bu durumda yani işaretin çok sayıda frekans hoplamalı elemana bölünmesinden dolayı sistemde olumsuz bazı durumlarla karşılaşılabilir. Bunun nedeni olarak da ayrık elemanlardaki enerjinin birbiriyle uyumlu olmayan bir şekilde birleştirilmesi gösterilmektedir.

20 Frekans hoplamalı yayılı spektrum işaretleri, birçok kullanıcının aynı anda aynı ortak bant genişliğini kullanabilmesi esasına dayalı KBÇE sistemlerinde kullanılabilir. Bazı durumlarda, doğrudan dizili yayılı spektrum işaretlerinin yapısından kaynaklanan katı eşzamanlılık gerekliliğinden ötürü, frekans hoplama işaret kullanımı tercih edilebilir [1]. Frekans hoplamalı yayılı spektrum sistemlerin en büyük avantajı, doğrudan dizili yayılı spektrum sistemlerin uygulanabileceğinden çok daha geniş bant genişliğinde uygulanabilir olmasıdır. Frekans 0 T c 2T c 3T c 4T c 5T c 6T c Zaman Şekil 4.3. Bir frekans hoplama örüntü örneği 4.5. Bir Yayılı Spektrum Sistemi Olarak Kod Bölmeli Çoklu Erişim Doğrudan Dizili Kod Bölmeli Çoklu Erişim Sistemde iletilen işaretin spektral yayılması KBÇE ye çoklu erişim yeteneği kazandırmaktadır. KBÇE protokollerinin çoklu erişim yeteneği kodlarla sağlanmaktadır. Her kullanıcıya kendi bilgi işaretini kodlaması ve spektrumunu genişletmesi için benzersiz bir sözde gürültü kodu atanır. Kullanılan kod dizilerini bilen alıcılar, spektruma yayılmış olan orijinal bilgiyi yine aynı kodu kullanarak geri

21 yayar ve yeniden elde ederler. Kod işareti ile çarpılan bilgi işaretinin spektrumunun genişlemesinden ötürü, CDMA protokolleri, yayılmış spektrum çoklu erişim sistemleri (Spread Spectrum Multiple Access,SS-MA) olarak da bilinirler [9]. Doğrudan Dizili Kod Bölmeli Çoklu Erişim (DD-KBÇE) sistemlerinde tüm kullanıcılar aynı anda aynı taşıyıcı frekansını kullanarak iletilirler. Her kullanıcıya tahsis edilen sözde-rastgele kod dizisi diğer bir kullanıcıya ait olan sözde-rastgele kod dizisi ile yaklaşık olarak dikgen olduğu için bu kod dizileri arasındaki ilintisizleştirmeden ötürü bir kullanıcı için diğer tüm kod dizileri gürültü olarak algılanır. Bu uygulamalarda alıcı tarafında sinyalin doğru bir şekilde ortaya çıkarılabilmesi için alıcı-verici arasında sözde-rastgele kod dizisi bilgisinin paylaşılması gerekir. DD-KBÇE de alıcıdaki çoklu kullanıcıların gücü, ilintisizleştirmeden sonra gürültü katını belirler. Bir hücredeki her kullanıcının gücü baz istasyonunda eşit olmadığından kontrol edilmediği durumlarda yakın-uzak problemi görülür. Yakınuzak probleminde çoğunlukla en güçlü alınan mobil kullanıcı sinyali baz istasyonunda diğer mobillerin işaretlerinden baskın olur. Oluşan bu yakın-uzak problemi ile baş etmek için DD-KBÇE uygulamalarında genellikle güç kontrolü kullanılır. Güç kontrolü, baz istasyonunun kapsama alanında yer alan her bir gezgin kullanıcının baz istasyonu alıcısına aynı seviyede sinyal gönderilmesini sağlar. Her bir hücrede güç kontrolü yapılıyor olsa dahi hücre dışındaki gezgin kullanıcılar, alıcı baz istasyonunda kontrol altında olmayan karışıma neden olabilmektedirler [10]. KBÇE in avantajları Analog sistemlerden daha yüksek iletim kapasitesine sahiptir. Zamanda bir ayrım gözetmeksizin aynı frekans bandının kullanılmasından kaynaklı olarak nispeten kolay sistem planlamasına sahiptir.

22 Modülasyonda üretilen sözde rastgele kodlar bilinmediği sürece modülasyonu çok zordur ve gelişmiş güvenliğe sahiptir. Bu sayede bozucu etkilere karşı daha dayanıklıdır. Kapsama kapasitesinin genişliği nedeni ile mümkün olduğunca az sayıda hücre sitelerine müsaade eder. Đletişimde daha çok bant genişliğinin kullanımına müsaade eder. KBÇE in dezavantajları Çok kullanıcı karışımına veya çoklu erişim karışımlarına yatkın bir yapıya sahiptir. Önceden de bahsedildiği gibi baz istasyonuna yakın bir gezgin mobil cihaz ile uzak bir mobil cihaz aynı güçte iletim yaptığında baz istasyonu, yakın cihazın işaretini çok daha güçlü olarak alabilir. Bu durumda baz istasyonuna uzak olan mobil cihazın işareti bastırılabilir. Bu tarz sıkıntıları engellemek için sistemde katı güç kontrolüne veya çoklu kullanıcı algılayıcı yapılarına gereksinim duyulur [40]. Çoğunlukla katı eş zamanlamaya ihtiyaç duyulur. DD-KBÇE sistemlerinde düşük bit hata oranları sağlamak için gerekli olan yayma kodları arasındaki çapraz ilintinin idealde sıfır olmasını sağlamak gerçekte oldukça zordur.

23 5. KOD BÖLMELĐ ÇOKLU ERĐŞĐM SĐSTEMLERĐNDE ÇOK KULLANICI KARIŞIMI Önceki bölümlerde de anlatıldığı gibi KBÇE sistemlerinin diğer sistemlerden en temel farkı, her kullanıcının kendine ait özel bir sözde-rastgele koda sahip olması ve bu kodlar sayesinde aynı anda aynı frekans bandında diğer kullanıcılarla birlikte hareket edebilmesidir. Her kullanıcının kendine ait olan bilgisi alıcı tarafında yine kendine ait olan sözde-rastgele kod sayesinde çözülebilmekte ve böylece diğer kullanıcılara ait olan bilgiler farklı kodlarla yayıldığı için çözülememekte ve esas kullanıcıya sıfır olmayan çapraz ilinti değerlerinden ötürü gürültü/karışım olarak görünmektedirler. Özellikle sistemdeki kullanıcı sayısı arttıkça Sinyal-Karışım Oranı (Signal to Interference Ratio- SIR) artık sistem performansının kabul edemeyeceği oranda düşmeye başlamaktadır. Dolayısıyla sistemden daha yüksek bir performans elde edebilmek için söz konusu bu çok kullanıcı karışımının mümkün olduğu oranda düşürülmesi gerekmektedir. Bunun için uygulanan metotlar aşağıda verilmiştir. Yayılı Spektrum Sistemindeki Çapraz Đlintiyi Düşürmek Yayılan kodların sıfır çapraz ilintiye sahip dikgen kodlardan oluşması sağlanmaktadır. Bu teknik, özellikle downlink iletimde baz istasyonunun çip seviyesinde yayılmayı senkron olarak yapabilmesi ve tüm kullanıcıların eşzamanlı gönderim yapmasını sağlaması açısından çok verimlidir. Asenkron uplink iletiminde ise kodların dikgenliğinin korunması için mobil kullanıcı herhangi bir senkronizasyon metodu ile zamanda eşleşmeyi sağlamalıdır. Güç Kontrolü Güç kontrolü hem downlink hem de uplink iletimde çoklu erişim karışımını engellemek için önemlidir. Buradaki asıl amaç uplink iletimde baz istasyonuna uzakta bulunan mobil kullanıcıya ait sinyalin alıcıya yakın olan kullanıcıların oluşturduğu karışımdan etkilenmesini önlemektir. Bu durum, sabit bir güç kullanmaktan ziyade tüm kullanıcılara ait alıcı güçlerinin yaklaşık olarak eşit

24 olduğunu varsayarak oluşturulur. Eğer söz konusu güç kontrolü sağlanabilirse birçok abone aynı anda aynı spektrumu kullanabilirler. KBÇE Anten Dizilerinin Kapasitesini Artırmak Eş. 5.1, tek bir KBÇE hücresinin uplink kapasitesini göstermektedir. U = 1 + (σ /G) (5.1) Bu eşitlikte E /N yeterli link performansı için gerekli olan değeri, σ gürültü gücünü, G belirlenen kullanıcının anten kazancının karışıma sebep olan hücrenin anten kazancına oranını simgelemektedir. G değeri, her kullanıcının kendi hüzme örüntüsüne bağlı olmasının yanında anten dizisi boyutuyla da (M) orantılıdır. Buna bağlı olarak anten dizilerinin iki şekilde kapasite artırımı sağlayabilir. Anten kazancını (G), dolayısıyla da anten dizisini (M) artırmak. Bu durum, bir hücredeki her kullanıcının oluşturduğu karışımın ortalama değerini düşürmeye yarar. Gerekli E /N oranını düşürmek. Bu yaklaşım alıcının çoklu erişim karışımına karşı toleransını artırır.

25 6. ÇOK KULLANICILI SEZĐCĐ TĐPLERĐ KBÇE sistemlerinde sistem performans/kapasitesini artırmanın ve çoklu erişim karışımlarından kurtulmanın en bilinen yollarından biri çok kullanıcılı sezici yapısı kullanmaktır. Bu konu özellikle geçmiş 15-20 yılın en çok araştırılan ve çeşitli uygulamaları geliştirilen araştırma konularından biri olmuştur. Günümüzde kullanılan CDMA2000, UMTS-UTRA, WCDMA ve TD-SCDMA gibi birçok 3G standardında çok kullanıcılı seziciler önemli bir seçenek olarak kullanılmaktadır. Ancak kullanımdaki işlem karmaşıklığından ötürü pek çok mobil network operatörü gerçek sistemlerinde bu seçeneğini kullanmak konusunda isteksiz davranmaktadır. Çok kullanıcılı seziciler lineer ve lineer olmayan seziciler olmak üzere temel 2 gruba ayrılırlar. Literatürde yapılmış olan araştırmaların sonucuna göre lineer seziciler (Đlinti Çözücü sezici, MMSE sezici vb.) lineer olmayan sezicilere göre daha basit bir yapıya sahiptirler ve uygulanmaları daha kolaydır [3]. 6.1. Đlinti Çözücü Çok Kullanıcılı Sezici (Decorrelating Detector-DEC) Senkron KBÇE sisteminde ilinti çözme yönteminin blok diyagramı aşağıdaki şekilde verilmektedir. x 1 n x 2 n x K n Kod 1 Kod 2 Kod K C 1 X x C 2 X x C K X x n(t) + y(t) Uyumlu Filtre y 1 n y 2 n y K n y 1 y 2 y k Matris Filtre R -1 1 2 K KBÇE Kanal Yapısı Đlinti Çözme Yapısı Şekil 6.1. Senkron KBÇE için ilinti çözücü sezici yapısı

26 Bu sezici tipi, kullanıcıların yayılma kodlarının korelasyon matrisinin tersinin uyumlu filtrenin çıkışına uygulanması prensibine dayanır [11, 29]. Sistem çıkış vektörü (uyumlu filtre çıkışında) [y 1, y 2,., y K ] T olarak belirlendiğinde bu yapı Eş. 6.1 de verildiği gibi gösterilir. Y=RWx +z (6.1) Burada R ve W, KxK vektörler, z ise Gauss gürültü vektörüdür. R matrisinin komponentleri ise Eş. 6.2 de verildiği gibi dalga şekilleri arasındaki çapraz ilinti olarak gösterilebilir., = () () (6.2) Eş. 6.1 de verilen ikinci matris olan W ise k ıncı kullanıcının kanal zayıflaması c k dan oluşan W kxk ile diyagonaldir. Örneğin 2 kullanıcılı bir sistemde oluşan matris Eş. 6.1 ile ifade edilir ki burada r, kullanıcı imza dalga şekilleri arasındaki çapraz ilintidir. = 1 (6.3) 1 Burada eşitliği, bileşenleri x k olan x i bulmak için çözmeye çalışabiliriz. Eğer z sıfıra yakın bir değerse eşitlik lineer bir sistem halini alır ve y=rwx denkleminin çözümüne, R (birçok durumda ters çevrilebilir bir matristir) matrisinin tersi alınarak gidilebilir. Gürültü vektörü z nin sıfıra yakın bir değer olmadığı durumlarda ise yine R matrisinin tersini almak etkin bir çözüm olarak kullanılabilir. Bu durumda Eş. 6.4 ortaya çıkar ki buradan da görülebileceği gibi x bilgi vektörü her ne kadar kurtarılmış olsa da yeni bir gürültü bileşenine maruz kalmıştır. = = + (6.4)