close

Enter

Log in using OpenID

comparıson of the performance analyses of sc

embedDownload
2014 IEEE 22nd Signal Processing and Communications Applications Conference (SIU 2014)
SC-FDMA ve GFDMA S˙ISTEMLER˙IN˙IN SIFIR
ALT-TASIYICILAR
¸
TABANLI ÇOKLU TASIYICI
¸
FREKANSI ÖTELENMES˙I SENKRON˙IZASYONU
ALTINDA PERFORMANS ANAL˙IZLER˙IN˙IN
KARSILA
¸
STIRMASI
¸
COMPARISON OF THE PERFORMANCE
ANALYSES OF SC-FDMA AND GFDMA
SYSTEMS UNDER NULL SUB-CARRIERS
BASED MULTIPLE CARRIER FREQUENCY
OFFSET SYNCHRONIZATION
Mustafa Anıl Re¸sat, Özgür Ertu˘g
Elektrik ve Elektronik Mühendisli˘gi Bölümü
Gazi Üniversitesi
[email protected]; [email protected]
Özetçe —Bu makalede, çoklu Ta¸sıyıcı Frekansı Ötelenmesi
(Carrier Frequency Offset – CFO) senkronizasyonu için sıfır
alt-ta¸sıyıcılar tabanlı CFO senkronizasyonu algoritması kullanan
Gruplanmı¸s Frekans Bölmeli Çoklu Eri¸sim (Grouped Frequency
Division Multiple Access – GFDMA) ve Tek-Ta¸sıyıcılı Frekans
Bölmeli Çoklu Eri¸sim (Single Carrier Frequency Division Multiple Access – SC-FDMA) tekniklerinin Bit Hata Oranı performansları çe¸sitli parametreler altında kar¸sıla¸stırılmı¸stır. GFDMA
kestirim de˘gerlerini güncellemek için iteratif bir yapı kullanan ve
hataları iterasyondan iterasyona azaltan, yakın tarihte önerilmi¸s
bir tekniktir. Öbür yandan, GFDMA da SC-FDMA gibi CFO’dan
oldukça olumsuz s¸ekilde etkilenmektedir. Bu makalede alt-bant
tabanlı alt-ta¸sıyıcı haritalama kullanan yukarı-hat GFDMA ve
SC-FDMA teknikleri için kullanıma uygun olan bir sıfır altta¸sıyıcı tabanlı CFO senkronizasyon metodu önerilmi¸stir.
Anahtar Kelimeler—GFDMA, SC-FDMA, CFO senkronizasyonu, Sıfır alt-ta¸sıyıcılar.
Abstract—In this work, the Bit Error Rate performances
of Grouped Frequency Division Multiple Access (GFDMA) and
Single-Carrier Frequency Division Multiple Access (SC-FDMA)
techniques, which use a null sub-carriers based Carrier Frequency Offset (CFO) synchronization algorithm are compared
according to various parameters. GFDMA is a new emerging
technique that uses an iterative structure to update estimate
values and reduce errors iteration by iteration. On the other
hand, GFDMA is vulnerable to CFO like SC-FDMA. This paper
proposes a null sub-carrier based CFO synchronization method
suitable for uplink GFDMA and SC-FDMA techniques, utilizing
c
978-1-4799-4874-1/14/$31.00 2014
IEEE
1355
sub-band based sub-carrier mapping schemes.
Keywords—GFDMA, SC-FDMA, CFO synchronization, Null
sub-carriers.
I.
G ˙IR ˙I S¸
Bu makalede yukarı-hat ileti¸simin temel sorunlarından biri
olan çoklu CFO senkronizasyonu için sıfır alt-ta¸sıyıcılar tabanlı
bir CFO senkronizasyonu algoritması önerilmi¸s ve bu algoritmanın etkisi, gelecekte önemli bir kullanım alanı bulabilecek
bir teknik olan GFDMA ve hali hazırda popüler bir teknik
olan SC-FDMA üzerinde gösterilmi¸stir. Bunun yanında bu
algoritma altında çalı¸san GFDMA ve SC-FDMA tekniklerinin
performans kar¸sıla¸stırmasını yapılmı¸s ve önemli bazı parametrelerin sistem üzerindeki etkileri de incelenmi¸stir.
CFO, özellikle alt-ta¸sıyıcılar arasındaki dikgenli˘gi bozmasından ötürü SC-FDMA için önemli bir problemdir. Bu
problem Ta¸sıyıcılar-Arası Giri¸sim’e (Inter-Carrier Interference
– ICI) sebep olmaktadır. Buna ilaveten yukarı-hat ileti¸sim de
Çoklu-Eri¸sim Giri¸simi’ne (Multi-Access Interference – MAI)
yol açmaktadır. GFDMA da CFO’dan olumsuz s¸ekilde etkilenmektedir; fakat dikgen olmayan do˘gası sayesinde, CFO
temel olarak ortak bir yı˘gını payla¸san kullanıcılar arasında
meydana gelen MAI’dan olu¸sur [1,2]. Bunların bir sonucu
olarak, güvenilir performanslar elde edebilmek için verimli bir
CFO senkronizasyonu sa˘glamak önemli bir gerekliliktir. Bu
2014 IEEE 22nd Signal Processing and Communications Applications Conference (SIU 2014)
makalede de CFO senkronizasyonu için sıfır alt-ta¸sıyıcıları kullanan ve bu alt-ta¸sıyıcılardaki enerjinin ölçülmesine dayanan
bir yöntem önerilmi¸stir. Bu yöntemin performansı çe¸sitli
parametrelere ba˘glı olarak hem GFDMA hem de SC-FDMA
için test edilmi¸stir.
II.
Bu de˘gerler kod çözücünün çıkı¸slarından elde edilir ve a priori
LLR’lerin fonksiyonlarıdır. IMD-FDE’nin birinci iterasyonu
içini bu de˘gerler sırasıyla sıfır ve bir olarak kabul edilir [1,2].
ÖNER ˙ILEN GFDMA SC-FDMA S ˙ISTEM
MODELLER ˙I
Makale için ilk olarak önerilen CFO senkronizasyonu
algoritmasıyla uyumlu s¸ekilde çalı¸sabilmesi için temel SCFDMA yukarı-hat sistem modeli, [3] makalesi baz alınarak
revize edilmi¸stir. Önerilen SC-FDMA sistem modelinin blok
diyagramı Sekil
¸
1’de gösterilmi¸stir.
Sekil
¸
2: Önerilen GFDMA yukarı-hat sistem modeli
III.
Sekil
¸
1: Önerilen SC-FDMA yukarı-hat sistem modeli
Bundan sonra ise makalede önerilen CFO senkronizasyonu algoritmasıyla uyumlu s¸ekilde çalı¸sabilmesi için temel
GFDMA yukarı-hat sistem modeli, [3] makalesi baz alınarak
revize edilmi¸stir. Önerilen GFDMA sistem modelinin blok
diyagramı Sekil
¸
2’de gösterilmi¸stir. GFDMA daha önce yakın
tarihli [1,2] makalelerinde önerilmi¸s yeni bir dikgen olmayan
tekniktir. Dikgen olmayan yapısından ötürü, GFDMA çoklu
eri¸sim kanallarının optimal kapasitesine ula¸sabilme kapasitesi
gibi bir çok kullanı¸slı özellik sunmaktadır [1,2]. Önerilen
sistem modelinin giri¸sinde alınan sinyali istenilen frekans
bantlarına ayrı¸stıran bir bant-geçiren filtre dizini blo˘gu bulunmaktadır. Çoklu Kullanıcı Giri¸simi ˙Iptali (Multi User Interference Cancellation – MUIC) blo˘gu aynı alt-ta¸sıyıcı kümelerini
payla¸san kullanıcıları ayırmakta kullanılır. CFO senkronizasyonu blo˘gu önerilen algoritmayı gerçekle¸stirmektedir. Kullanıcı
sinyalleri daha sonra Frekans Alanı Denkle¸stirici (Frequency
Domain Equalization – FDE) blo˘gu tarafından MMSE algoritmasına göre denkle¸stirilirler. Ayrık Fourier Dönü¸sümü / Ters
Ayrık Fourier Dönü¸sümü (Discrete Fourier Transform / Inverse
Discrete Fourier Transform – DFT/IDFT) blo˘gundan sonra
dı¸s Log Benzerlik Oranları (Log Likelihood Ratio – LLR)
hesaplanır. ˙Iteratif Çoklu-kullanıcı Tespiti – Frekans Alanı
Denkle¸stirme’sinin (Iterative Multi-user Detection – Frequency
Domain Equalization – IMD/FDE) bir ba¸ska önemli adımı da
MUIC ve MMSE denkle¸stirme için gerekli olan iletilen sembollerin ortalama vektörünün ve varyansının hesaplanmasıdır.
1356
ÖNER ˙ILEN ALT-TA SIYICI
¸
HAR ˙ITALAMA
METOTLARI
Daha sonra, yine önerilen senkronizasyon algoritmasıyla
uyumlu s¸ekilde çalı¸sabilmesi için alt-ta¸sıyıcı haritalama
blo˘gunda kullanılan alt-ta¸sıyıcı haritalama metotları, [3,4]
makaleleri baz alınarak revize edilmi¸stir. Sekil
¸
3’te makalede
önerdi˘gimiz, GFDMA ve SC-FDMA ile birlikte kullanılan
alt-bant tabanlı alt-ta¸sıyıcı haritalama metotları gösterilmi¸stir.
Lokalize Frekans Bölmeli Çoklu Eri¸sim’de (Localized Frequency Division Multiple Access – LFDMA) ardı¸sık bir altta¸sıyıcı kümesi, bir kullanıcının veri sembolleri ile doldurulur. Alt-bant haritalamayla birlikte kullanıldı˘gında, farklı
kullanıcıların alt-ta¸sıyıcı yı˘gınlarının arasına birer alt-bant yerle¸stirilir. Serpi¸stirilmi¸s Frekans Bölmeli Çoklu Eri¸sim’de (Interleaved Frequency Division Multiple Access – IFDMA) bir
kullanıcının veri sembolleri, frekans aralı˘gı boyunca yayılmı¸s
bir alt-ta¸sıyıcı kümesini doldurur. Alt-bant haritalamayla birlikte kullanıldı˘gında, LFDMA’dakinden daha kısa olan birer
alt-bant, farklı kullanıcıların sembollerinin arasına birer altbant yerle¸stirilir. Hibrit metodu anlık olarak hem LFDMA
hem de DFDMA metotlarını bir arada kullanma avantajını
sa˘glar ki bu da hem dü¸sük hem de yüksek mobiliteye sahip
kullanıcıların aynı anda bulundu˘gu senaryolar için önemli bir
getiridir [1,2].
IV.
SIFIR ALT-TA SIYICILAR
¸
TABANLI CFO
SENKRON ˙IZASYONU ALGOR ˙ITMASI
Bu i¸slemlerden sonra, CFO senkronizasyonu algoritması
ortaya koyulmu¸stur. Bu algoritma temelde OFDMA için
tasarlanmı¸s olan [3,4] algoritmalarına dayanmaktadır. Gerekli
ayarlamaların yapılması ile, bu algoritmalar GFDMA ve SCFDMA için de kullanılabilir olmaktadır çünkü bu sistemler algoritmalar yukarı-hat haberle¸sme için tasarlanmı¸stır ve
OFDMA de GFDMA ve SC-FDMA gibi OFDM tabanlıdır.
Sekil
¸
4 önerilen CFO senkronizasyonu algoritmasını göstermektedir. Bu algoritma döngüsel bir yapıya sahiptir: ˙Ilk olarak
CFO’nun etkisini ortadan kaldırmak için gelen her bir blo˘gu
Nümerik Kontrollü Osilatör (Numerically Controlled Oscillator – NCO) tarafından üretilen ile çarpılır. Burada blok
indisini, döngüsel önek uzunlu˘gunu ve de kullanıcı için iterasyon sırasındaki CFO de˘geri kestirimidir. FFT blo˘gu ortaya
çıkan diziyi frekans alanındaki çevirir. ˙Ilk iki adım tane blok
2014 IEEE 22nd Signal Processing and Communications Applications Conference (SIU 2014)
tek kullanıcılı SC-FDMA’nın performansına eri¸sebilmekte ve
onu geçebilmektedir. Dolayısıyla GFDMA’nın SC-FDMA’nın
spektral verimlili˘gini iki kat artırabilme kapasitesine sahip
oldu˘gunu söyleyebiliriz.
Sekil
¸
3: Önerilen alt-ta¸sıyıcı haritalama metotları
için tekrarlandıktan sonra, kullanıcının sıfır alt-ta¸sıyıcılarındaki
ortalama enerji hesaplanır. Daha sonra ilk üç adım minimum
de˘gerini sa˘glayan de˘geri bulununcaya kadar tekrarlanır. Bulunduktan sonra bu de˘ger do˘gru CFO kestirim de˘geri olarak
kabul edilir ve bloklar son bir kez bu yeni de˘gere göre tekrar
i¸slenerek döngüden çıkılır.
Sekil
¸
5: CFO ve senkronizasyonu olan ve olmayan GFDMA
ve SC-FDMA
˙Ikinci simülasyonda parametreler birinci simülasyonla aynı
alınmı¸stır fakat FFT boyutu (sembol ba¸sına dü¸sen alt-ta¸sıyıcı
sayısı) de˘gi¸stirilmi¸stir. Sekil
¸
6’dan da görülebildi˘gi gibi FFT
boyutunun artırılması sıfır alt-ta¸sıyıcı sayısını da artırdı˘gından,
sistem performansını önemli ölçüde yükseltmektedir. Sıfır altta¸sıyıcı sayısını artırmak aynı zamanda kullanıcı alt-ta¸sıyıcıları
arasındaki sıfır bo¸slu˘gunu geni¸sletmek anlamına geldi˘ginden
MAI’nın etkisini de azaltmaktadır. Bu durum aynı zamanda
CFO senkronizasyonu algoritmasına, CFO de˘gerlerini keskin
bir biçimde kestirebilmesi için daha fazla bilgi sa˘glamaktadır.
Sekil
¸
4: Sıfır alt-ta¸sıyıcılar tabanlı CFO senkronizasyonu algoritması
V.
S ˙IMÜLASYON BULGULARI VE SONUÇLAR
Simülasyonlar için 12 dallı tipik urban kanal modeli kullanılmı¸s ve mükemmel kanal kestirimi varsayılmı¸stır. Modülasyon olarak QPSK kullanılmı¸s ve döngüsel önek uzunlu˘gu
da 32 sembol olarak belirlenmi¸stir. Kullanıcılar -0,1 ve 0,1
arasında düzgün da˘gılmı¸s rastgele normalize edilmi¸s frekans
ötelemelerine sahiptir.
Birinci simülasyonda sembol ba¸sına dü¸sen alt-ta¸sıyıcı
sayısı 512 ve kullanıcı ba¸sına dü¸sen alt-ta¸sıyıcı sayısı da
128’dir. GFDMA için iki kullanıcı, SC-FDMA için ise bir
kullanıcı kabul edilmi¸stir. Alt-bant yakla¸sımlı LFDMA haritalama kullanılmı¸stır ve alt-ta¸sıyıcılar arasındaki aralık 15 kHz
olarak belirlenmi¸stir. Sekil
¸
5’ten de görülebildi˘gi gibi önerilen senkronizasyon algoritması, hata oranını önemli ölçüde
dü¸sürmekte ve sistem performansını CFO olmayan senaryolara yakınla¸stırmaktadır. Dahası çoklu kullanıcılı GFDMA,
1357
Sekil
¸
6: FFT boyutları 512, 1024 ve 2048 olan GFDMA ve
SC-FDMA
Üçüncü simülasyonda parametreler birinci simülasyonla
aynı alınmı¸stır fakat FFT boyutu 2048 olarak alınmı¸stır ve
kullanıcı sayısı de˘gi¸stirilmi¸stir. Sekil
¸
7’den de görülebildi˘gi
gibi kullanıcı sayısının artırılması sıfır alt-ta¸sıyıcı sayısını da
azalttı˘gından, sistem performansını önemli ölçüde dü¸sürmektedir.
2014 IEEE 22nd Signal Processing and Communications Applications Conference (SIU 2014)
isini gidermekte oldukça ba¸sarılı olabildi˘gini göstermektedir. Simülasyonlardan elde edilen bir ba¸ska sonuç da FFT
boyutunu artırmanın, kullanıcı sayısını azaltmanın ve alt-bant
yakla¸sımlı LFDMA haritalama metodunu kullanmanın sistem
performansını arttırmasıdır. Bunun yanısıra çoklu kullanıcılı
GFDMA’nın, tek kullanıcılı SC-FDMA’nın performansına eri¸sebildi˘gi ve bu performansı geçebildi˘gi gözlemlenmi¸stir.
K AYNAKÇA
[1]
Sekil
¸
7: Kullanıcı sayısı 1, 2, 4 olan GFDMA ve 2, 4, 8 olan
SC-FDMA
Dördüncü simülasyonda, parametreler birinci simülasyonla
aynı alınmı¸stır fakat alt-ta¸sıyıcı haritalama metodu de˘gi¸stirilmi¸stir. Sekil
¸
8’den de görülebildi˘gi gibi alt-bant yakla¸sımlı
LFDMA özellikle yüksek sinyal-gürültü oranı de˘gerlerinde altbant yakla¸sımlı IFDMA’ya göre çok daha iyi bir performans
göstermektedir. Bunun sebebi ise, LFDMA’nın kendi do˘gasındaki özellikleri sayesinde mükemmel olmayan filtrelemeden
kaynaklanan arda kalan MAI’yı ortadan kaldırabilmesi ve
senkronizasyon algoritmasının da ICI’yı verimli bir s¸ekilde
yok edebilmesidir. Buna kar¸sın senkronizasyon algoritması ve
IFDMA’nın kendi do˘gasında bulunan özellikleri ICI’yı güçlü
bir s¸ekilde engelleyebilirken, arda kalan MAI’yı yeterince
ortadan kaldıramamaktadır.
Sekil
¸
8: Alt-bant yakla¸sımlı LFDMA ve IFDMA kullanan
GFDMA ve SC-FDMA
VI.
SONUÇLAR
Bu makalede, sıfır alt-ta¸sıyıcıları kullanan bir CFO senkronizasyon algoritması ve buna ba˘glı olarak algoritmayla uyumlu
çalı¸sabilecek GFDMA ve SC-FDMA modelleri ve alt-ta¸sıyıcı
haritalama metotları önerdik. Gerçekle¸stirilen simülasyonlardan elde edilen bulgular önerilen metodun CFO’nun etk1358
Lim HJ, Kim TK, Im GH. A proportional fair schedul- ing algorithm for
SC-FDMA with iterative multiuser detection. International Conference
on Information and Communication Technology Convergence (ICTC),
2010. p. 243-4.
[2] Yune TW, Choi CH, Im GH, Lim JB, Kim ES, Cheong YC, ’et
al’. SC-FDMA with iterative multiuser detection: im- provements on
power/spectral efficiency. IEEE Communica- tions Magazine 2010;
48:164-71.
[3] Barbarossa S, Pompili M, Giannakis GB. Channel inde- pendent synchronization of orthogonal frequency division mul- tiple access systems.
IEEE Journal on Selected Areas in Com- munications 2002; 20:474-86.
[4] Niu D, Dai X. Iterative Carrier Frequency Offset Estima- tion for
OFDMA Uplink based on Null Subcarriers. 40th An- nual Conference
on Information Sciences and Systems, 2006. p. 295-9.
Author
Document
Category
Uncategorized
Views
1
File Size
693 KB
Tags
1/--pages
Report inappropriate content