Erciye Üiveritei Fe Bilimleri Etitüü Dergii (1-) 75-8 (006) http://fbe.erciye.edu.tr/ ISSN 101-354 DİKGEN FREKANS BÖMEİ ÇOĞUAMA SİSTEMERİNDE PİOT TON TABANI SENKRONİZASYON TEKNİĞİ M. Nuri SEYMAN a, Necmi TAŞPINAR b a Kırıkkale Üiveritei, Kırıkkale Melek Yükek Okulu, 71100 KIRIKKAE b Erciye Üiveritei, Mühedilik Fakültei, Elektrik-Elektroik Müh. Bölümü, 38039 KAYSERİ ÖZET Bir dikge freka bölmeli çoğullama (OFDM) itemide demodülayou hataız bir şekilde ağlamaı ve OFDM iyallerii tepiti içi alt taşıyıcıları birbirie dikge olmaı gerekmektedir. Taşıyıcı oilatörlerideki değişim yada hatalı embol zamalamaları bir itemi dikgeliğii etkileye faktörlerdir. Bu faktörleri ortada kaldırılmaı içi ekroizayo tekikleri kullaılır. Bu çalışmada pilot tolar göderilerek gerçekleştirile OFDM ekroizayo tekiğii performaı paket hata oraı (PER), ortalama kareel hata (MSE) ve faz hata variyaı kriterlerie göre icelemiştir. Aahtar kelimeler: OFDM (dikge freka bölmeli çoğullama), Sekroizayo, Faz hata variyaı. PIOT TONE BASED SYCHRONIZATION TECHNIQUE IN ORTHOGONA FREQUENCY DIVISION MUTIPEXING SYSTEMS ABSTRACT I a orthogoal frequecy diviio multiplexig (OFDM) ytem ubcarrier mut be orthogoal each other to obtai demodulatio correctly ad to determie the OFDM igal. Variatio i carrier ocillator time or icorrect ymbol timig are factor which affect orthogoality of ytem. To remove thee factor ychroizatio techique are ued. I thi tudy, performace of the OFDM ychroizatio techique that i made with edig pilot toe, are ivetigated with packet error rate (PER), mea quare error (MSE) ad phae error variace criteria. Keyword: OFDM (orthogoal frequecy diviio multiplexig), Sychroizatio, Phae error variace. E-mail: tapiar@erciye.edu.tr
76 Dikge Freka Bölmeli Çoğullama Sitemleride Pilot To Tabalı Sekroizayo Tekiği 1. GİRİŞ So yıllarda gerek e ve görütü iletimi, gereke yükek hızlı iteret uygulamalarıda olduğu gibi büyük bad geişliği gerektire uygulamalarda yükek veri hızlarıda iletime ihtiyaç duyulmaktadır. Ayrıca kullaılacak bad geişliği ıırlı olduğu içi ayı iletim ortamıda birde fazla kullaıcıı ayı ada iletilmei gerekmektedir. Bu gerekiimde dolayı, ayı hattı birde fazla kullaıcıı kullamaı içi çoğullama yötemleri kullaılır. So yıllarda hem yükek hızlı iletime cevap vermei, hem de iletim hattıı verimli bir şekilde kullaarak hatta meydaa gelebilecek girişimlere ve çoklu yol kayıplarıa karşı ola verimliliğide dolayı Dikge Freka Bölmeli Çoğullama (OFDM) tekiği yaygı olarak kullaılmaktadır. OFDM tekiği, yükek bit hızlı bir veri akışıı birkaç adet paralel düşük bit hızlı veri akışıa böle ve bu düşük bit hızlı veri akışlarıı birkaç taşıyıcıyı modüle etmek içi kullaa bir veri iletim tekiğidir [1-11]. Toplam bad geişliğii dar badlı alt kaallara bölerek, çoklu yol yayılımları yüzüde meydaa gelebilecek gecikme yayılımları miimize edilebilir. OFDM i tercih edilme ebepleride biri freka eçici öümleme ya da dar bat girişime karşı direci artırmaıdır [8]. Ayrıca dikge alt taşıyıcılar, bad geişliğii olabildiğice verimli bir şekilde kullamaktadırlar. OFDM tekiğii ağladığı bu avatajları yaıda item taarımıda dikkate alımadığıda itemi çalışmaıı olumuz yöde etkileyecek problemler bulumaktadır. Tek taşıyıcılı bir item ile kıyaladığı zama OFDM itemii e öemli akıcalarıda biri, zama ve freka ekroizayo hatalarıa karşı ola haalığıdır. Zama ve freka hatalarıa karşı itemi korumak ve itemi verimii artırmak içi ekroizayo işlemie gerek vardır. OFDM itemide eğer alıcı ve verici ayı frekaları kullaıyora, OFDM alıcıı alt taşıyıcıları demodüle etmede öce e azıda iki ekroizayo işlemii gerçekleştirmek zorudadır [10-11]. İlk olarak embolleri erede başladığı belirlemeli ve ikici olarak ie alıa iyali taşıyıcı freka kaymalarıı tam olarak tahmi edilmei gerekmektedir. Bu zama ve freka ekroizayo hataları düzeltilmediği zama emboller araı girişim (ISI) ve taşıyıcılar araı girişim (ICI) meydaa gelecek ve buu oucuda item doğru bir şekilde çalışmayacaktır. OFDM itemide ekroizayou ağlamak içi verici tarafta pilot tolar göderilerek ekroizayo işlemii yapılmaı ağlaır. Bu çalışmada, dikge freka bölmeli çoğullama (OFDM) itemleride pilot to tabalı ekroizayo tekiğii başarımı bilgiayar imülayou ile icelemiştir. İkici bölümde dikge freka bölmeli çoğullama (OFDM) itemi hakkıda bilgi verilmiştir. Üçücü bölümde pilot to tabalı OFDM ekroizayo tekiği alatılmıştır. Dördücü bölümde MATAB kodları kullaılarak bilgiayar imülayou oucuda elde edile ouçlar verilmiştir. Beşici bölüm makalei ouç bölümüdür.. DİKGEN FREKANS BÖMEİ ÇOĞUAMA (OFDM) OFDM, çok ayıda modüle edilmiş alt taşıyıcı kullaarak veri iletimii parelel olarak yapıldığı bir tekiktir. Bu alt taşıyıcılar (yada alt kaallar), mevcut bad geişliğii böler ve her bir taşıyıcı içi yeterli bir şekilde freka ayrılarak bu alt taşıyıcıları dikge olmaı ağlaır. Taşıyıcılar araıdaki dikgeliği alamı; her bir taşıyıcıı bir embol periyodu üzeride tam ayı periyotlara ahip olmaıdır. Bu ayede her bir taşıyıcıı pektrumu, itemdeki diğer taşıyıcıları her birii merkez frekaıda ıfıra ahip olacaktır. Buu oucuda taşıyıcılar araıda pektral olarak üt üte bime olmaıa rağme herhagi bir girişim meydaa gelmeyecektir [3]. Taşıyıcılar araıdaki bu ayrıklık teorik olarak miimum olacak ve çok iyi bir şekilde pektral verimlilik ağlaacaktır. OFDM itemleri, kablouz ortamlarda geellikle freka eçimli çoklu yol tarafıda oluşturula emboller araı girişim (ISI) problemie karşı da kullaıla bir tekiktir. Bir OFDM itemii temel blok diyagramı Şekil-1 de görülmektedir. OFDM, giriş veriie ve kullaıla modülayo işlemie bağlı olarak gereke pektrum eçilerek meydaa getirilir. Ve kaalda meydaa gelebilecek bozulmalara karşı kaal kodlamaı ve erpiştirme yapılır. Gerekli ola taşıyıcı ve gelik fazı, modülayo işlemie (tipik olarak BPSK,QPSK veya QAM) bağlı olarak heaplaır. Daha oraıda IFFT, bu pektrumu zama domei iyalie çevirir. FFT, periyodik zama domei iyalii kediii karşılığı ola freka pektrumu iyalie döüştürür. IFFT/FFT vektörüü boyutu, çoklu yol kaalı tarafıda ortaya çıkarıla hatalara karşı itemi direcii belirler [, 9]. Bu vektörü zama aralığı, alıa çoklu yol iyalideki yakılamaları makimum gecikmeide daha büyük olarak eçilmelidir.
M. N. Seyma, N. Taşpıar / Erciye Üiveritei Fe Bilimleri Etitüü Dergii (1-) 75-8 (006) 77 Şekil 1. OFDM itemi temel blok diagramı. 3. PİOT TON TABANI OFDM SENKRONİZASYON TEKNİĞİ Kablouz bölgeel ağlarda olduğu gibi, yükek hızlı paket iletimi içi ekroizayo üreii, itemdeki OFDM embolleri içi olabildiğice kıa ürede olmaı gerekmektedir. Buu ağlamak içi içeriği alıcı tarafta bilie pilot tolar (eğitim verileri) kullaılır. 3.1 Paket Eerji Tepiti Paket tepit algoritmaıda bilie bir ö ek (pilot embol) algoritma içeriie yerleştirilir. IEEE 80.11 ve HIPERAN/ itemlerii her ikiideki ö ekler paket tepitii ağlamak içi taarımda kullaılmaktadır. WAN ö ek yapıı, alıcıı kolay bir biçimde gele paketleri başlagıç zamalarıı tepit etmeii ağlar. Doğru bir embol zamalamaı içi Schimidl ve Cox tarafıda bir yaklaşım geliştirilmiştir. Sekroizayo içi kullaıla bu yaklaşıma geciktirme ve korele etme algoritmaı deilmektedir. Yapıda yer ala P pecerei ile, alıa iyali eerjii heaplaır. P pecereii değeri, karar itatitiğii ormalize etmede kullaılır. c çapraz korelayou ve P değeri ıraıyla k = 0 c = r r (1) 1 k = 0 + k + k + D 1 + k + Dr + k + D = k = 0 + k + D P = r r () ifadeleri ile heaplaır. Daha ora m karar itatitiği c ( p ) m = (3) ifadeide heaplaır. Alıa iyal adece gürültüde oluştuğu zama geciktirilmiş çapraz korelayo c ıfır ortalamalı ragele değişke olmaktadır. Bua göre, paketler başlamada öce c i değeri düşüktür. c, paket başlagıcı tepit edilmede öce makimum değere hızlı bir şekilde ıçrama yapar ve meydaa gele bu ıçrama, paket başlagıcıı doğru bir şekilde tahmi edilmeii ağlar [10].
78 Dikge Freka Bölmeli Çoğullama Sitemleride Pilot To Tabalı Sekroizayo Tekiği Şekil- de paket eerji tepiti içi alıa iyal geliğii örek idekie göre değişimi görülmektedir. Şekil- ye göre item içi eerji tepiti 140. örek idekide yapılmaktadır. Şekil. Alıa iyal geliğii örek idekie göre değişimi. 3. Sembol Zamalamaı Paket tepit işlemide paket başlagıcıı tahmi edilmeide ora embol zamalama algoritmaı, örek eviye keiliğii tahmi etmek içi kullaılır. Zamalama tepiti, r alıa iyal ile bilie t k refera iyalii çapraz korelayou ile yapılır. Çapraz korelayou makimum mutlak değerie karşı düşe değeri, embol zamalamaı bulmak içi kullaılır [7]. Sembol zamalamaıda kullaıla çapraz korelayo ifadei 1 k arg max t = r + kt (4) k = 0 şeklidedir. Şekil-3 te alıa veri paketi ile pilot veri araıdaki çapraz korelayo görülmektedir. Şekil 3. Alıa veri ile pilot veri araıdaki çapraz korelayo. 3.3 Freka Kayma Tahmii Freka kaymaıı heaplamak içi f taşıyıcı frekalı r komplex temel bad iyal r = j e π ( f f tx TX ) T
M. N. Seyma, N. Taşpıar / Erciye Üiveritei Fe Bilimleri Etitüü Dergii (1-) 75-8 (006) 79 = e jπf T (5) f = f tx f olacaktır. Burada; TX, alıcı ve verici taşıyıcı frekaları araıdaki farktır. D parametreii tekrarlı iki embol araıdaki gecikme olduğuu dikkate aldığımızda freka kaymaı tahmi edicii aşağıdaki gibi ifade edilir: z = = = = 0 = 0 = 0 = e r r + D e jπf jπf DT jπf ( + D) T ( De ) T + + De = 0 jπf T e jπf ( + D) T Dek.(6), freka kaymaıa karşı düşe açıı komplek değişkeleri toplamıdır. Souç olarak freka hataı tahmi etme işlemi aşağıdaki gibi ifade edilir [8, 10] (6) f 1 = πdt z 4. SİMÜASYON ÇAIŞMAARI (7) MATAB kodları kullaılarak imülayou gerçekleştirmek içi kablouz ağları özel bir türü ola IEEE 80.11a item parametreleri kullaılmıştır. Kullaıla item parametreleri Tablo- 1 de verilmiştir. Tablo 1. Simülayo çalışmalarıda kullaıla item parametreleri. Parametre Örekleme Frekaı f ) 0 MHz ( Değeri Alt Taşıyıcı Sayıı 48 Pilot Alt Taşıyıcı Sayıı (veri eklemeli içi) 4 Toplam Alt Taşıyıcı Sayıı 5 FFT Boyutu 64 Alt Taşıyıcı Freka Boşluğu 0MHz/64 = 0.315 MHz IFFT/FFT ürei ( T IFFT ) 3. µ Koruma Araı Sürei T FFT / 4 = 0.8 µ Eğitim Sembolü Koruma Araı Sürei T FFT / = 1.6 µ Kullaıla Modülayo Tipi BPSK, QPSK, 16PSK, 64PSK Kaal Tipi AWGN, Rayleigh öümlü kaal Pilot tabalı OFDM ekroizayo tekiğii toplaabilir beyaz Gauia gürültülü (AWGN) ve Rayleigh öümlemeli bir kaaldaki performalarıı kıyalamak içi paket hata oraı (PER) ve ortalama kareel hata (MSE) kriterleri kullaılmıştır. Modülayo türü olarak BPSK, QPSK, 16PSK, 64PSK modülayoları tercih edilmiştir. Ayrıca embol zamalama tepiti ve freka kayma tahmii durumua göre freka kaymalarıı düzeltmede
80 Dikge Freka Bölmeli Çoğullama Sitemleride Pilot To Tabalı Sekroizayo Tekiği kullaıla ayıal faz kilitlemeli dögü performaıı değerledirmek içi farklı SNR değerlerie göre faz hata variyaı kriteri kullaılmıştır. Paket hata oraıı tepit etmek içi vericide göderile paketleri veri içerikleri ile paket ekroizayou yapılmış alıa paketleri veri içerikleri kıyalamıştır. Şekil-4 de AWGN kaalı ve farklı modülayo türleri içi 0-14 db aralığıda paket hata oraları görülmektedir. Bu grafiğe göre BPSK modülayo türü AWGN kaal içi diğer modülayo türleride göre daha iyi ouçlar vermiştir. Kullaıla modülayo türleri araıda paket hata oraı olarak e kötü ouçları 64PSK modülayou vermiştir. Şekil 4. Toplamal beyaz Gauia gürültülü (AWGN) kaalda paket hata oraı. Şekil 5. Rayleigh öümlemeli kaalda paket hata oraı. Pilot to tabalı OFDM ekroizayo işlemi içi bir diğer performa değerledirme kriteri olarakta ortalama kareel hata (MSE) kriteri kullaılmıştır. Şekil-6;da verile ouçlara göre AWGN kaalı içi elde edile ouçları Rayleigh öümlü kaal içi elde edile ouçlarda daha iyi görülmektedir.simülayo çalışmalarıda ayrıca BPSK içi faz hata variyaıı işaret/gürültü oraıa göre değişimi de icelemiştir. Ayrıca faz hata variyaı değerii e olmaı gerektiği teorik olarak heaplamış ve elde edile hata variyaıı değeri bu teorik değer ile kıyalamıştır. Hata variyaıı teorik olarak heaplamak içi [10] daki çalışma refera olarak alımıştır. Şekil- 7 de AWGN kaalı içi alıcıda faz hataları tahmi edilmiş iyali faz hata variya değerleri görülmektedir. Şekilde faz hataı değeri 8 db değeride teorikte olmaı gereke değere yaklaşmış ve bu SNR değeride ora heaplaa teorik eğri ile paralel olarak azalmaktadır. Bu ouç da göteriyor ki, kullaıla ayıal faz kilitlemeli dögü 8 db`lik SNR değeride ora olmaı gereke faz hataı variya değerii ağlamış ve bu ayede itemde tahmi edile hatalar düzeltilmiştir.
M. N. Seyma, N. Taşpıar / Erciye Üiveritei Fe Bilimleri Etitüü Dergii (1-) 75-8 (006) 81 Şekil 6. Farklı kaallar içi BPSK durumuda ortalama kareel hata (MSE) değişimi. Şekil 7. AWGN kaalı içi BPSK durumuda faz hata variyaı. Şekil 8. Rayleigh öümlemeli kaal içi BPSK durumuda faz hata variyaı.
8 Dikge Freka Bölmeli Çoğullama Sitemleride Pilot To Tabalı Sekroizayo Tekiği Şekil-8 de Rayleigh öümlemeli kaal içi faz hataları tahmi edilmiş iyali farklı SNR değerlerie karşı faz hata variyaı değişimi verimiştir. Şekil-8`de görüldüğü gibi, 8dB SNR değeride teorik faz hataı değeri yakalamış, acak bu SNR değeride öceki değerlerde AWGN kaalda elde edile ouçlarda daha kötü ouçlar elde edilmiştir. 5. SONUÇ Bu çalışmada, OFDM itemii dezavatajlarıda biri ola zamalama ve freka kaymalarıı itemde e gibi olumuz etkiler meydaa getirdiği icelemiştır. OFDM itemleride ekroizayou ağlamak içi kullaıla pilot tabalı OFDM ekroizayo tekiğii performaı, BPSK, QPSK, 16PSK, 64PSK modülayoları içi toplamal beyaz Gauia gürültülü (AWGN) kaal ve Rayleigh öümlemeli kaal durumlarıda MATAB kodları kullaılarak bilgiayar ortamıda imüle edilerek icelemiştir. KAYNAKAR 1. Seyma, M.N., Dikge Freka Bölüşümlü Çoğullama Sitemleride Sekroizayo Tekikleri, Yükek ia Tezi, Erciye Üiveritei, Kayeri, 005. Weitei S. B., Ebert P.M., Data Tramiio by Frequecy Diviio Multiplexig Uig the Dicrete Fourier Traform, IEEE Traactio o Commuicatio Techology, 19(3), 68-634, 1971. 3. Cimii. J., Aalyi ad Simulatio of Digital Mobile Chael Uig Orthogoal Frequecy Diviio Multiplexig, IEEE Traactio o Commuicatio, 4(), 908-914, 1994. 3. ETSI Stadart ES 01 744, Digital Video Broadcatig (DVB): Framig Structure, Chael Codig ad Modulatio for Digital Terretrial Televiio, 001. 4. Digital Broadcatig Sytem for Televiio, Soud ad Data Service, Europea Telecommuicatio Stadart, prets 300 744, 1996. 5. Va Nee R., Praad R., OFDM for Wirele Multimedia Commuicatio, Artech Houe, odo, Publiher, 000. 6. Oizawa, T., et al, A Fat Sychroizatio Scheme of OFDM Sigal for High Rate Wirele AN, IEICE Traactio o Commuicatio, E8-B(), 455-463, 1999. 7. Wa,., Dubey, V.K., BER Performace of OFDM Sytem Over Frequecy Noelective Fat Ricea Fadig Chael, IEEE Commuicatio etter, 5(1), 19-1, 001. 8. Sadat A., Mikhael W. B., Fat Fourier Traform For High Speed Wirele Multimedia Sytem, IEEE Traactio o Sigal Proceig, 65(3), 938-94, 001. 9. Schmidl T. M., Cox D. C., ow Overhead ow Complexity (Burt) Sychroizatio for OFDM Tramiio, IEEE Iteratioal Coferece o Commuicatio (ICC` 96), vol.3, pp. 1301-1306, 3-7 Jue 1996. 10. Heikala, J., Terry, J., OFDM Wirele AN: A Theoretical ad Practical Guide, Sam Publihig, 001. 11. Morelli M., Timig ad Frequecy Sychroizatio for the Uplik of a OFDMA Sytem, IEEE Traactio o Commuicatio, 5(), 96-306, 004.