تخمین کانال و حذف تداخل بین حاملی در کانال‌های دوگانه انتخابی با استفاده از مدل بسط پایه‌ای برای سیستم های OFDM

STUDENT

DEGREE

YEAR

Rapid growth of digital communication applications in recent years has increased the demand for high data rates. Increasing data rate in single carrier modulations reduces the symbol period and increases inter symbol interference (ISI) due to the spread of channel impulse response. Multicarrier modulations are introduced to overcome this problem by dividing the frequency band into N adjacent sub channels, appropriate for being modeled as flat fading. Therefore, in multicarrier modulation using a one tap equalizer in each sub channel is sufficient to mitigate the impairments of a wireless channel.Orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) is a kind of multicarrier modulation with orthogonal subcarriers. One of the main problems in these systems is their sensivity to frequency offset, which destroys the orthogonality of the subcarriers and therefore reduces the efficiency of the whole system. Doppler shift in wireless channels and frequency offset of local oscillators are the major sources of frequency displacement in OFDM systems. We consider OFDM systems with inter-carrier interference (ICI) due to time variations of wireless channel. The purpose of this thesis is to deploy a proper model and estimate the channel at the receiver using Comb-type pilots and mitigate ICI based on this estimation. The frequency domain channel matrix is divided into two separate matrices. The first one which determines the desired effect of the channel contains the diagonal elements of the channel matrix and the second one determines the ICI and contains off-diagonal elements. Polynomial basis expansion model (P-BEM) and complex exponential basis expansion model (CE-BEM) are used to model the time variations of the channel. We show that in CE-BEM we can improve the bit error rate (BER) for high Doppler frequencies without increasing the number of parameters of the system. But in P-BEM increasing the number of basis functions leads to the building up of the parameters and computational complexity. After estimation of the channel we use an iterative method to cancel the ICI. In the equalization stage we calculate an estimation of the transmitted signal based on the received signal and a one tap MMSE equalizer for each tap. The weights of the equalizer taps are estimated using diagonal elements of the channel matrix and noise power. The next step is to cancel the effect of ICI, so we calculate the ICI term based on the off diagonal elemnts of channel matrix and substract this term from the received signal. The received signal vector calculated in this step is used for the next iteration. The number of iterations depends on the desired BER.The time domain equivalent of the ICI component of channel matrix is a matrix with L+1 non-zero elements in each row,where L is the number of taps. Thus, to reduce the amount of calculation this iterative ICI cancellation is done in time domain.The order of calculations in frequency domain is N×N and in time domain it is reduced to (L+1)×N. Simulation results show that CE-BEM is more efficient than P-BEM, especially for high mobility environments. On the other hand increasing the number of basis functions in CE-BEM increases the accuracy of the model and results in better performance of the algorithm and a lower BER. Key Words: Doubly-selective fading channels, OFDM, Basis expansion model, Inter-carrier interference (ICI), Equalization.

رشد سریع مخابرات دیجیتال در سال‌های اخیر، نیاز به ارسال داده با نرخ بالا را افزایش داده است. با افزایش نرخ ارسال داده در مدولاسیون‌های تک حاملی، دوره‌ی زمانی سمبل کاهش می‌یابد. از طرف دیگر ماهیت چندمسیره بودن کانال‌های مخابراتی بی‌سیم منجر به افزایش گسترش زمانی سیگنال‌های ارسالی و در نتیجه بروز تداخل مابین سمبل‌های مجاور می‌گردد. بنابراین با کاهش دوره‌ی زمانی سمبل‌های ارسالی، تداخل بین سمبلی درصد بیش‌تری از دوره‌ی زمانی سمبل را اشغال می‌کند و موجب افت کارایی سیستم مخابراتی می‌گردد. یکی از راهکارهای ارائه شده برای رویارویی با این پدیده مدولاسیون چندحاملی است که با تقسیم پهنای باند بهN زیرکانال و کاهش پهنای باند هر زیررشته، دوره‌ی زمانی سمبل ارسالی افزایش می‌یابد و تداخل بین سمبلی در مقایسه با آن ناچیز می‌گردد. یکی از پرکاربردترین انواع مدولاسیون چندحاملی، مدولاسیون تقسیم فرکانسی متعامد OFDM است. این مدولاسیون از زیرحامل‌های متعامد برای ارسال داده استفاده می‌کند و به سادگی با استفاده از DFT و IDFT پیاده‌سازی می‌شود. بنابراین نیاز به استفاده از فیلترها، مدولاتورها و دمدولاتورهای متعدد در ساختار فرستنده و گیرنده برطرف می‌شود. یکی از مشکلات عمده‌ی سیستم‌های OFDM حساسیت آن به افست فرکانسی بین فرستنده و گیرنده است. شیفت داپلر کانال‌های تغییرپذیر با زمان و اختلالات فرکانسی اسیلاتورهای محلی در گیرنده و فرستنده از عوامل اصلی ایجاد افست فرکانسی‌اند که موجب از بین رفتن تعامد زیرحامل‌ها و تداخل بین حاملی می‌گردد. تداخل بین حاملی یا ICI موجب افت کارایی سیستم می‌گردد به این دلیل که مبنای آشکارسازی سیگنال در سیستم‌های OFDM، تعامد زیرحامل‌ها و در نتیجه استقلال سیگنال‌های ارسالی بر آن‌ها است. به منظور بهبود کارایی سیستم OFDM در کانال‌های دوگانه انتخابی، استفاده از تکنیک‌های مقابله باICI ضرورت می‌یابد.تکنیک‌های متعددی برای مقابله با ICI ارائه شده است، اما پیش از آن به تخمین کانال مخابراتی نیاز داریم. بدین منظور مدلی مبتنی بر ویژگی‌های کانال در نظر گرفته می‌شود. یکی از روش‌های نوین برای مدل کردن کانال‌های مخابراتی، مدل بسط پایه‌ای است که در یک تقسیم بندی کلی به دو دسته تقسیم می‌شود. در دسته‌ی اول پایه‌ها بر اساس ویژگی‌های آماری کانال مشخص می‌شوند و اما دسته‌ی دوم که در این پایان نامه مورد بررسی قرار می‌گیرند بر اساس یکی از بسط‌های موجود همانند بسط سری تیلور یا سری فوریه می‌باشند. در این پایان نامه ابتدا ماتریس کانال بررسی می‌شود. درایه‌های قطر اصلی ماتریس کانال، تعیین کننده‌ی سیگنال مطلوب و بقیه‌ عناصر ماتریس تعیین کننده‌ی تداخل ناشی از زیرحامل‌های دیگر می‌باشند. در هر زیرحامل رابطه‌ی سیگنال دریافتی و سیگنال ارسالی بر روی همه‌ی زیرحامل‌ها استخراج می‌شود و سپس از بسط چندجمله‌ای و بسط نمایی برای مدل سازی کانال استفاده می‌شود.بسط نمایی به علت مدل کردن دقیق‌تر تغییرات کانال، نرخ خطای بیت را به میزان مطلوبی کاهش می‌دهد. از طرف دیگر در مدل بسط پایه‌ای برای افزایش دقت تخمین ناچار به افزایش تعداد پایه‌ها می‌باشیم و نشان می‌دهیم که در بسط چندجمله‌ای، با افزایش تعداد پایه، تعداد پارامترهای تخمین و در نتیجه پیچیدگی محاسبات افزایش می‌یابد در صورتی که با استفاده از بسط نمایی بدون نیاز به افزایش پارامترهای سیستم کارایی سیستم به طور قابل توجهی افزایش می‌یابد. در این پایان نامه تخمین با معیار MMSE و همسان‌سازی با استفاده از همسان‌ساز تک شیر MMSE انجام می‌شود و با استفاده از روش دوری در هر مرحله پس از آشکارسازی سیگنال، تداخل بین حاملی از مقدار آشکار شده کسر می‌گردد. در روش‌هایی که برای تخمین کانال با استفاده از مدل بسط پایه‌ای نمایی انجام می‌شود کلیه ضرایب بسط برای هر شیر تخمین زده می‌شود. در صورتی که روش تخمین مورد استفاده در این پایان نامه با استفاده از مدل نمایی تنها به تخمین دو پارامتر برای هر شیر نیاز دارد. بنابراین تعداد پارامترهای مورد نیاز برای تخمین ماتریس کانال به شدت کاهش می‌یابد. کلمات کلیدی :OFDM، تداخل بین حاملی ICI، تداخل بین سمبلی ISI، مدل بسط پایه‌ایBEM، کانال دوگانه انتخابی