close

Enter

Log in using OpenID

embedDownload
URSI-TÜRKİYE’2014 VII. Bilimsel Kongresi, 28-30 Ağustos 2014, ELAZIĞ
Pilot Örüntüsünün ÇGÇÇ-DFBÇ Sistem Başarımına Etkisi
Seda Üstün Ercan1, Çetin Kurnaz2
1,2
Ondokuz Mayıs Üniversitesi
Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü
Kurupelit, Samsun
1
[email protected], [email protected]
Özet: Bu çalışmada pilot örüntüsünün ve yoğunluğunun çok girişli çok çıkışlı dikgen frekans bölmeli çoğullama
(ÇGÇÇ-DFBÇ) sistem başarımına etkisi farklı zaman ve frekans seçicilikli kanallar için incelenmiştir. Bunun
için MATLAB programlama dili kullanılarak bir sistem benzetimcisi oluşturulmuş ve sonuçlar bit hata oranı
(BHO) grafikleriyle verilmiştir. Benzetimlerde dört farklı pilot örüntüsü, farklı frekans seçicilikli iki ITU test
kanalı, 10Hz ve 200Hz Doppler frekansı ve %6.25 ve %1.5 pilot yoğunlukları kullanılmıştır. Sonuçlardan en iyi
sistem başarımını veren yerleşim türünün pilot yoğunluğuna, kanalın zaman ve frekans seçiciliğine bağlı olarak
değiştiği görülmüştür.
Abstract: In this study, the effect of pilot density and placement on MIMO-OFDM system performance for
different time and frequency selective channels was investigated. Computer simulations were used for this
purpose and corresponding system performances are given in terms of bit error rate. In the simulations, pilot
based block, comb, rectangular, and diamond type pilot arrangement, two ITU channels, 10Hz-200Hz Doppler
frequencies, %6.25 and %1.5 pilot densities were used. It is seen from the results, the pilot pattern that gives the
best system performance is varies depending on the pilot density, and channel’s time and frequency selectivity.
1. Giriş
Yankılı radyo kanalı gezgin iletişim sistemlerinde yüksek veri hızına erişimi kısıtlayan temel etkendir. ÇGÇÇDFBÇ sistemleri, alıcı ve vericide çoklu anten dizileri kullanarak, çeşitleme kazancı elde edip ilave güç ve bant
genişliğine ihtiyaç duymadan kanal kapasitesini ve erişim kalitesini arttırmaları ve yankılı kanalın bozucu
etkisine karşı dayanıklı olmalarından dolayı yeni nesil pek çok teknolojide kullanılmaktadır [1-2]. Bu
sistemlerde vericiden gönderilen bilginin bozulmadan alınabilmesi için, alıcıda kanal durum bilgisinin (KDB)
doğru bir şekilde kestirilmesi gerekmektedir. Eğer alıcı tarafta KDB tam olarak kestirilemezse, BHO yükselir ve
sistem başarımı düşer. Alıcıda KDB pilot tabanlı kanal kestirim yöntemleri kullanılarak daha etkin bir şekilde
elde edilir. Kanal kestiriminde kullanılacak pilot yoğunluğu (pilot bit sayısının toplam bit sayısına oranı) ile
sistem başarımı arasında bir ödünleşim söz konusudur. Pilot bitler, bant genişliği verimini düşürmeyecek ve
kanal kestirim hatasını en az yapacak şekilde seçilmelidir. Pilot tabanlı sistemlerde pilot semboller zaman ve
frekans düzleminde Şekil 1’de gösterildiği gibi bir (blok, tarak) ve/veya iki boyutlu (dikdörtgen, elmas)
yerleştirilerek KDB elde edilebilir.
2. ÇGÇÇ Sistem Modeli
Yankılı kanalın bozucu etkisini azaltmak, sistem kapasitesini artırmak ve düşük BHO elde etmek için verici
ve/veya alıcı kısımda çoklu anten dizileri kullanılarak, uzaysal çeşitlilik sağlamak çokça tercih edilen bir
çözümdür. Alamouti tarafından tasarlanan ve uzay zaman blok kodlarının (UZBK) en basit şekli olan iki verici,
iki alıcı antenli ÇGÇÇ sistemi Şekil 2’de gösterilmiştir. Alamouti yapısı; alıcıda işaretin kalitesini arttırmayı
sağlayan basit bir işaret işleme tekniğine dayanan bir iletim çeşitleme yöntemidir [3]. Bu yapı için Alamouti
UZBK (1) eşitliğinde verilmiş olup x0 ve x1 iletilen sembolleri göstermektedir. Her hangi bir t anında x0 ve x1
sembolleri sırasıyla birinci ve ikinci antenlerden eş zamanlı olarak iletilirken, bir sonraki zaman diliminde (t+τ),
–x1* ve x0* sembol eşlenikleri sırasıyla birinci ve ikinci antenlerden eş zamanlı olarak iletilir. 1 inci alıcı antene
ulaşan sinyal t anı için y11, t+τ anı için y21; 2 inci alıcı antene ulaşan sinyaller ise sırasıyla y12 ve y22’dir.
Zamanın t ve t+τ anlarında alıcı antene ulaşan sinyaller (2-4) eşitliklerinde verildiği gibi ifade edilir. Burada
Hij(k) k ıncı alt taşıyıcı, i inci verici, j inci alıcı anten için frekans düzlemindeki kanal geçiş işlevini, [n1j(k),
n2j(k)] ise j inci alıcı anten için t ve t+τ anlarında gürültü gücünü göstermektedir. 2x2’lik ÇGÇÇ iletim
sisteminde verici kısımda UZBK kullanıldığında alıcı kısımdaki kanal kestirim katsayıları (6-9) eşitliklerinde
olduğu gibi elde edilebilir [4].
URSI-TÜRKİYE’2014 VII. Bilimsel Kongresi, 28-30 Ağustos 2014, ELAZIĞ
Şekil 2. Alamouti kodlamalı 2x2 ÇGÇÇ sistem gösterilimi
Şekil 1. a) blok b) tarak, c) dikdörtgen,
d) elmas tür pilot bit yerleşimi
x
X =  0*
 − x1
x1 
x *0 
y11 (k) = x 0 (k) H11 (k) + x 1 (k) H 21 (k) + n11 (k)
(2)
*
ˆ (k) = x 0 (k)y11 (k) − x1 (k)y 21 (k)
H
11
2
2
x 0 (k) + x1 (k)
(6)
y 21 (k) = − x1* (k) H11 (k) + x *0 (k) H 21 (k) + n 21 (k)
(3)
*
ˆ (k) = x1 (k)y11 (k) + x 0 (k)y 21 (k)
H
21
2
2
x 0 (k) + x1 (k)
(7)
y12 (k) = x 0 (k) H12 (k) + x 1 (k) H 22 (k) + n12 (k)
(4)
*
ˆ (k) = x 0 (k)y12 (k) − x1 (k)y 22 (k)
H
12
2
2
x 0 (k) + x1 (k)
(8)
y 22 (k) = − x1* (k) H12 (k) + x*0 (k) H 22 (k) + n 22 (k)
(5)
*
ˆ (k) = x1 (k)y12 (k) + x 0 (k)y 22 (k)
H
22
2
2
x 0 (k) + x1 (k)
(9)
(1)
3. Analiz Sonuçları
Bu çalışmada blok, tarak, dikdörtgen ve elmas tür pilot örüntülü ÇGÇÇ-DFBÇ sisteminde, kullanılan pilot bit
sayısının (yoğunluğunun) ve hareket hızının, kanal kestirim başarımına etkisi incelenmiştir. Bunun için
MATLAB programlama dili kullanılarak bir ÇGÇÇ-DFBÇ sistem benzetimcisi oluşturulmuş ve sonuçlar BHO
grafikleriyle verilmiştir. Frekans düzleminde pilot alt taşıyıcıdaki kanal katsayıları en küçük kareler, veri alt
taşıyıcılardaki değeri ise alçak geçiren ara değerleme algoritması kullanılarak belirlenmiştir. Benzetimlerde 20
MHz bant genişliği, BPSK modülasyon şeması, 1024 alt taşıyıcı sayısı, 2048 ÇGÇÇ-DFBÇ sembolü, 256
çevrimsel önek ilaveli tampon zamanı, iletim kanalı olarak düşük frekans seçicilikli kanalı temsil eden ITU
(International Telecommunication Union) Yaya-A (Pedestrian A) ve yüksek frekans seçicilikli kanalı temsil
eden Taşıt-A (Vehicular A) kanal modelleri kullanılmış ve sırasıyla K1 ve K2 olarak adlandırılmıştır [5]. Bu
kanal profillerinden 2x2’lik ÇGÇÇ kanalı elde etmek için MATLAB’daki “mimochan” komutu; baz istasyonu
ve mobil istasyon anten elemanları arasında 0.5 ilinti katsayısı kullanılmıştır. Kanalların zaman seçiciliği Clarke
ve Gans modeli [6] kullanılarak oluşturulmuş, 10 Hz ve 200 Hz’lik Doppler frekansları kullanılarak Rayleigh
sönümlenme zarfları elde edilip her bir yankıya ayrı ayrı uygulanmıştır. Alıcı kısımda en yükseğe oranlı
birleştirme ve en büyük olabilirlik algılayıcı kullanılmıştır. Benzetimlerde kanal birim vuruş tepkesinin bir
ÇGÇÇ-DFBÇ sembolü süresince değişmediği, mükemmel eş zamanlamanın ve doğrusal yükseltmenin olduğu
varsayılmıştır.
Pilot yoğunluğu % 6.25 olarak seçildiğinde elde edilen sistem başarımları her iki kanal profili,10-200 Hz’lik
Doppler frekansları için Şekil 3’de verilmiştir. Düşük frekans seçicilikli K1 için (Şekil 3 a. b) düşük Doppler
frekansında her 4 pilot örüntüsü için benzer sistem başarımları sağlanmış, artan Doppler frekansıyla birlikte,
blok tür yerleşimde sistem başarımında yaklaşık 3 dB’e varan bir azalma gözlenirken diğer üç pilot yerleşimi
için başarımında kayda değer bir değişim olmamıştır. Frekans seçiciliği yüksek K2 için (Şekil 3 c. d) düşük
hareket hızlarında blok, dikdörtgen ve elmas tür pilot yerleşiminin benzer sistem başarımları verdiği, tarak tür
için ise elde edilen sistem başarımında yaklaşık 6 dB’lik bir azalma olduğu görülmüştür. Doppler frekansı 200
Hz’e çıktığında ise beklenildiği gibi blok tür yerleşim başarımının kötüleştiği ve tarak türden daha kötü sonuç
verdiği görülmüştür. Kanalın zaman ve frekans seçiciliği bütün olarak düşünüldüğünde dikdörtgen ve elmas tür
pilot yerleşimlerinin yaklaşık benzer ve en iyi sistem başarımları verdikleri görülmüştür.
URSI-TÜRKİYE’2014 VII. Bilimsel Kongresi, 28-30 Ağustos 2014, ELAZIĞ
Kanal kestiriminde kullanılacak pilot bit sayısının kestirim başarımına etkisini incelemek için pilot yoğunluğu
%1.5’e düşürülerek yapılan değerlendirmeler Tablo 1’de verilmiştir. Tablo incelendiğinde artan Doppler frekansı
ile blok tür pilot yerleşim başarımında bir azalmanın olduğu, düşük pilot yoğunluğunda bu azalmanın daha
belirgin olduğu görülmektedir. K1 için düşük pilot yoğunluğunda tarak, dikdörtgen ve elmas tür için yaklaşık
benzer başarımlar elde edilirken K2 için ise azalan pilot sayısı ile elmas tür yerleşimde kayda değer bir azalma
görülmüştür. Tarak tür için azalan pilot sayısı ile başarım daha da düşmüştür. Blok türde ise 10 Hz için başarım
aynı kalırken 200 Hz için en kötü başarım elde edilmiştir. K2 için en iyi sistem başarımı dikdörtgen tür pilot
yerleşim için elde edilmiştir.
Şekil 3. %6.25 pilot yoğunluğu için sistem başarımı a)10Hz-K1, b)200Hz-K1, c)10Hz- K2, d)200Hz-K2
Tablo 1. K1 ve K2’nin % 6.25 ve % 1.5’lik pilot yoğunluklarındaki sistem başarımları
Kanal
Pilot
yoğunluğu
% 6.25
K1
% 1.5
% 6.25
K2
% 1.5
Doppler frekansı
[Hz]
10
200
10
200
10
200
10
200
Eb/N0
[dB]
9
21
Blok
6.61 10-4
40.2 10-4
7.05 10-4
78.4 10-4
Tarak
4.98 10-4
7.55 10-4
5.39 10-4
9.31 10-4
9.00 10-4
47.4 10-4
9.39 10-4
379 10-4
42.5 10-4
49.3 10-4
307 10-4
341 10-4
BHO
Dikdörtgen
5.0610-4
8.42 10-4
5.54 10-4
12.1 10-4
6.65 10-4
7.91 10-4
7.03 10-4
11.1 10-4
Elmas
4.97 10-4
7.23 10-4
5.14 10-4
7.62 10-4
7.28 10-4
7.32 10-4
42.1 10-4
45.3 10-4
4. Sonuç
Bu çalışmada pilot örüntüsünün, pilot yoğunluğunun ve kanalın zaman/frekans seçiciliğinin ÇGÇÇ-DFBÇ
sistem başarımına etkisi incelenmiştir. Sonuçlardan iki boyutlu pilot yerleşiminin bir boyutlu yöntemlere göre
benzer veya daha iyi sistem başarımı verdiği, düşük zaman ve frekans seçicilikli kanallar için pilot yerleşimin ve
pilot yoğunluğunun sistem başarımını çok fazla etkilemediği, artan zaman ve frekans seçicilikli kanallar için
zaman ve frekans düzleminde daha sık pilot bitlerin yerleştirilmesi gerektiği görülmüştür. ÇGÇÇ-DFBÇ
sisteminde en iyi kanal kestirim başarımını veren pilot yerleşim türünün pilot yoğunluğuna, kanalın zaman ve
frekans seçiciliğine bağlı olarak değişebildiği gözlenmiştir. Buna göre kanal kestiriminde kullanılacak pilot
yerleşimi ve pilot yoğunluğu, kanalın zaman ve frekans seçiciliğine bağlı olarak adaptif olarak değiştirilerek
daha az sayıda pilot bit kullanılarak benzer sistem başarımı elde edilebileceği vargısına ulaşılmıştır.
Kaynaklar
[1]. Telatar E., Capacity of Multi Antenna Gaussian Channels, AT&T Bell Labs Tech.Rep., 1995.
[2]. Foschini G. J. ve Gans M. J., On Limits of Wireless Communications in fading Environment when Using Multiple
Antennas, Wireless Personal Communications, 6, s.311-335, 1998.
[3]. Alamouti S. M., A Simple Transmit Diversity Technique for Wireless Communications, IEEE Journal on Select Areas in
Communications, vol. 16, no. 8., s. 1451-1458, 1998.
[4]. Lin C. H., Chang R. C. H., Lin K. H. ve Lin Y. Y. L., Implementation of channel estimation for MIMO-OFDM systems,
International SoC Design Conference, 2010.
[5]. Technologies Agilent, Advanced design system-LTE channel model-R4-070872 3GPP TR 36.803 v0.3.0., 2008.
[6]. Cho Y. S., Kim J., Yang W. ve Kang C. G., MIMO-OFDM Wireless Communications with MATLAB, John Wiley&
Sons Ltd., 2010.
Author
Document
Category
Uncategorized
Views
5
File Size
795 KB
Tags
1/--pages
Report inappropriate content