URSI-TÜRKĐYE’2014 VII. Bilimsel Kongresi, 28-30 Ağustos 2014, ELAZIĞ
Tek Taşıyıcılı ve Çoklu Taşıyıcılı Dalga Biçimlerin Đdeal Olmayan Geniş
Bant HF Kanallarda Karşılaştırılması
Fatih Genç, Mustafa A. Reşat*, Asuman Savaşçıhabeş**, Özgür Ertuğ*
Çankaya Üniversitesi
Elektronik ve Haberleşme
Mühendisliği
Etimesgut,Ankara
[email protected]
*Gazi Üniversitesi
Elektrik Elektronik
Mühendisliği
Maltepe,Ankara
[email protected]
**Nuh Naci Yazgan Üniversitesi
Elektrik Elektronik
Mühendisliği
Kocasinan,Ankara
[email protected]
Özet: Bu çalışmada Turbo kodlanmış Dik Frekans Bölüşümlü Çoğullama (OFDM) ve Tek-TaşıyıcılıFrekans-Eksenli-Eşitleme (SC-FDE) sistemlerin geniş bant Yüksek Frekans (HF) ( Vogler-Hoffmayer)
kanalında basarım analizleri karşılaştırılmıştır. Önerilen her iki iletişim tekniğinde geniş bant HF
kanalın doğrulanması için Frekans Alanında kanal kestirim yöntemi ve yine Frekans Alanında kanal
denkleştiriciler kullanılmış, Doppler etkisinden kaynaklanan taşıyıcı frekans ötelenmesinin önüne
geçilmek için de Döngüsel Önek (CP) tabanlı ML senkronizasyon yöntemi kullanılmıştır. Bu çalışma
geniş bant HF kanal için ideal olmayan birçok koşul göz önünde bulundurularak gerekli çözüm
önerileri iki farklı yapıda gösterilmiştir.
Abstract: The purpose of this paper is to compare the turbo-coded orthogonal frequency division multiplexing
(OFDM) and turbo-coded single carrier frequency domain equalization (SC-FDE) systems under the effects of
carrier frequency offset (CFO), symbol timing offset (STO) in wide-band Vogler-Hoffmeyer HF channel model.
In mobile communication systems channel estimation and equalization is additionally necessary. A very efficient,
low complex frequency domain channel estimation and equalization is implemented in this paper. The
simulations show that non-ideal turbo-coded OFDM has better performance with greater diversity than nonideal turbo-coded SC-FDE system in HF channel.
1. Giriş
OFDM yüksek hızlarda veri iletişiminde popüler olan bir iletişim tekniği olma özelliğini, simgeler arası girişime
(ISI) ve çoklu yol kayıplarına karsı verimli olması nedeniyle özellikle Sayısal Video Yayıncılığı (DVB), Sayısal
Ses Yayıncılığı (DAB), Kablosuz Yerel Alan Ağı (WLAN) gibi radyo/televizyon yayınlarında kullanılmaktadır.
OFDM özellikle frekans seçimli sönümlemeye karşı dirençli olması ile birlikte alt taşıyıcıların bant genişliğini
birbirlerine dikleştirerek bant aralığını daha verimli kullanması bir avantaj sağlamaktadır [3]. Fakat OFDM
sistemlerinde yüksek Zirve Averaj Güç Oranı (PAPR) sonucu güç tüketiminde SC-FDE sistemleri ile
kıyaslandığında dezavantajlı olduğu görülmektedir [2]. Bu yüzden günümüzde LTE gibi yüksek veri hızına sahip
sistemlerde bu iki yapı birlikte kullanılmaktadır.
Pratikte geniş bant radyo kanalları zamanla değişen, frekans seçici ve gürültülü olması nedeniyle frekans
cevabının kestirimi zor olmaktadır. Bu çalışmada kanal parametrelerini kestirmek için pilot ton eklemeli kestirim
yöntemi kullanılmıştır. Bu kestirim yöntemi ile belli aralıklarla OFDM ve SC sistemlerinin alt taşıyıcılarına ya
da her bir sembolüne pilot tonlar eklenerek kanal kestirimi yapılır. Her bir alt taşıyıcıya belirli aralıklarla pilot
ton eklenmesi yöntemine Tarak Tipi (Comb Type) pilot ekleme denilmektedir [5],[6]. Buradan elde edilen kanal
parametreleri MMSE kanal kestirim yöntemiyle, MMSE kanal denkleştiricide kullanılarak kanalın doğrulanması
sağlanır. Daha az karmaşık ve daha verimli oluşu nedeniyle frekans alanında kanal doğrulanması
gerçekleştirilmektedir [4]. Son olarak her bir sembolün bozulmasına sebep olan Taşıyıcı Frekans
Ötelenmesi’nden (CFO) kaynaklanan Taşıyıcılar Arası Girişim (ICI) ise Döngüsel Ön-ek (CP) tabanlı
senkronizasyon yöntemi ile bastırılmaktadır. Watterson HF modelinin 12 KHz banttan yüksek olmamak
kaydıyla tasarlanıp test edilmesi nedeniyle, geniş-bant HF kanal iletişiminde Stokastik Vogler-Hoffmeyer kanal
modeli tercih edilmektedir [7]. Bu çalışma ile ideal olmayan geniş-bant HF kanallar için basarım analizi
yapılmış, SC ve OFDM sistemler karşılaştırılmıştır.
URSI-TÜRKĐYE’2014 VII. Bilimsel Kongresi, 28-30 Ağustos 2014, ELAZIĞ
2. OFDM ve SC-FDE Sistem Yapıları
(a)
(b)
Şekil 1. a) OFDM Yapısı , b) SC-FDE Yapısı.
Şekil 1.a’ da önerilen OFDM sistem modeli gösterilmektedir. Öncelikle ikili kaynak veriler Turbo kodlayıcı ile
R = 1 3 kod oranında kodlanmaktadır. Ardından 16-QAM kipleme yöntemi ile her bir 4 bitlik kodlanmış veri
temel bantta kiplendikten sonra pilot tonlar kanalın uyumluluk süresini aşmayacak şekilde eklenmektedir.
OFDM vericiyi gerçekleştirebilmek için her bir veri seriden paralele çevrildikten sonra ters Fourier çevrimi
yapılarak birbirine dik alt kanallar oluşturulmakta ve CP (Döngüsel Önek) her bir çerçevenin önüne eklenerek
çerçeveler arası girişim engellenmektedir. Burada CP’ nin uzunluğu kanalın gecikme dağılımından uzun olması
gerekmektedir. Son olarak RRC dalga şekillendirici ile semboller arası girişim (ISI) önlenmektedir.
Alıcı kısmında aşağı örnekleme ve darbe şekillendirici filtre kullanılarak ayrık zaman alanına geçilmekte. ML
(Maksimum Benzerlik) eş zamanlayıcı ile taşıyıcı frekans ötelenmesi, CFO, bastırılmaktadır. Her bir çerçevedeki
CP kaldırılarak FFT (Hızlı Fourier Dönüşümü) işlemi gerçekleştirilmektedir.
Şekil 2. Çerçeve Yapısı
Şekil 2’ de görüldüğü üzere uyumluluk zaman aralıklarında eklenen pilot sembolleri kullanılarak bilinen sembol
değerlerindeki kanalın frekans cevabını bulunabilmektedir. Her bir veri sembollerine denk düşen kanalın frekans
cevabını bulabilmek için ise yine MMSE kanal kestirim yöntemi kullanılmıştır. Frekans ekseninde yapılan kanal
kestirimi sonucu elde edilen katsayılar yine frekans alanında MMSE kanal denkleştiricide kullanılmakta ve
kanalın bozucu etkisi bastırılmaktadır. Sonrasında pilot veriler çıkartılıp sırası ile 16-QAM kip çözme ve Turbo
kanal çözücü ile kaynak veriler elde edilmektedir.
Şekil 1.b’ de gösterilen SC-FDE yapısının ilk gösterilen OFDM yapısından tek farkı IFFT ve FFT işlemlerinin
alıcı kısmında frekans ekseninde kanal denkleştiricinin başında ve sonunda gerçekleştiriliyor olmasıdır. Bu
nedenle SC-FDE ile OFDM yaklaşık olarak aynı karmaşık yapıyı sergilemektedirler. SC-FDE’ de OFDM’ de
olduğu gibi vericide frekans ekseninde birbirine dik alt taşıyıcılar oluşturulmamaktadır. Bu yüzden çoklu
kullanıcı konsepti altında ve ISI altında sinyal yakalama da optimum sonuç verememekte, bant genişliği ve
enerji yönetimi konusunda OFDM sistemlerin sağladığı esneklikleri sağlayamamaktadır. SC-FDE sistemlerin ise
URSI-TÜRKĐYE’2014 VII. Bilimsel Kongresi, 28-30 Ağustos 2014, ELAZIĞ
yüksek tepe-ortalama-güç oranı (PAPR), yükselteçlerin doğrusal olmama durumlarına karşı iyi sonuçlar
verebilmektedir.
3. Simülasyon Sonuçları ve Değerlendirme
Bu kısımda önerilen her iki model için Taşıyıcı Frekans Ötelenmesi (CFO) ve Sembol Zaman Ötelenmesi (STO)
koşulları altında Bit Hata Oranı (BER) performans sonuçları verilmiştir. Simülasyon parametreleri olarak geniş
bant HF kanal modeli, 24 kHz bant genişliği, 16 QAM kipleme, 256 alt-taşıyıcı sayısı, 1/3 oranında kod oranı
kullanılmıştır. Tüm sonuçlarda normalleştirilmiş frekans ötelenmesi 0.1, 0.3, 0.5 sabit değerleri kullanılmış 3
yollu ve aralarında 3,7,10 ms gecikmeler olan bir kanal oluşturulmuştur. Her bir gecikme yollarının güçleri 0,
-3,-8 dB olarak ayarlanmaktadır.
(a)
(b)
Şekil 3. a) Taşıyıcı Frekans Ötelenmesi altında BER analizi
b) Sembol Zaman Ötelenmesi altında BER analizi
Şekil 3.a’ da görüldüğü üzere kanalın CFO değirinin artması durumunda BER performansı düşmektedir. Bunun
nedeni olarak taşıyıcı frekansındaki kayma ICI oluşturmaktadır. Turbo kodlanmış OFDM ve SC-FDE sistemleri
kıyaslandığında OFDM ile gerçekleştirilen sistemin daha iyi performans verdiği gözlenmektedir. Bunun nedeni
olarak Turbo kodlamanın frekans çeşitliliğini OFDM sistemlerde daha iyi sağladığını ve enerji değerlerini alttaşıyıcılara daha uygun bir şekilde taşıttığını söyleyebiliriz. Şekil 3.b’ de de geçerli olan frekans çeşitliğini
OFDM sistem daha iyi sağlamaktadır. OFDM sistemde fazladan antene gerek duymaksızın Turbo kodun
sağladığı tam çeşitlilik sayesinde ISI etkisi OFDM sistemlerde daha etkili olmaktadır. Daha yüksek yol sayısına
sahip kanallarda yine tam çeşitliliği sağlamak için daha düşük kanal kodlama oranlarına sahip olmak
gerekmektedir.
Bu çalışmada OFDM ve SC-FDE sistemlerinin HF kanal altında performans analizleri yapılmış önerilen OFDM
sistemin daha iyi sonuç verdiği gözlemlenmiştir.
Kaynaklar
[1]. FABRIZIO PANCALDI, vd.,“ Single-Carrier Frequency Domain Equalization,” IEEE Signal Processing
Magazine, 2008, cilt. 25, sayı. 5,s. 37-55.
[2]. H. G. Myung, J. Lim, D. J. Goodman, Peak-to-Average Power Ratio of Single Carrier FDMA Signals with
Pulse Shaping, The 17th Annual IEEE International Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio
Communications (PIMRC ),2006,s. 1-5.
[3]. S. B. WEINSTEIN,vd.., Data Transmission by Frequency-Division Multiplexing Using the Discrete Fourier
Transform. IEEE transactions on communication technology, 1971, cilt. 19, sayı. 5, s. 628-634.
[4]. D. FALCONER, S. L. ARIYAVISTAKUL, A. BENYAMINSEEYAR, B. EDISON, Frequency domain
equalization for Single carrier broadband wireless systems, 2002, cilt. 40, sayı. 4, s. 58-66.
[5]. YUSHI SHEN, Ed MARTINEZ, Channel Estimation in OFDM Systems, Free scale Semiconductor, 2008,
rev. 1/2006.
[6]. J.-J.VAN DE BEEK, O. EDFORS, M. SANDELL, S. K. WILSON, P. O. BO¨ RJESSON, On Channel
Estimation in OFDM Systems, Proceeding of 45th IEEE Vehicular Technology Conference, 1995, cilt. 2, s. 815819.
[7]. J. A. HOFFMEYER, L. E. VOGLER, A New Approach to HF Channel Modeling and Simulation, Military
Communications Conference, 1990, cilt. 3, s. 1199-1208.
Download

144