Yazılım tanımlı radyo kullanarak 5G sistemlerinde kutupsal kodlarının analizi ve uygulaması

Abstract

Birçok araştırmacı, Shannon limit kapasitesinde çalışma yeteneğine sahip uygun bir kanal kodu bulmak için birçok araştırma yapmışlardır. Ayrıca iletişim sisteminde düşük hatalar, düşük karmaşıklık, yüksek hata düzeltme, düşük gecikme, vb. bir kod bulmak için araştırmalar yapılmaya devam etmektedir. 4G kablosuz iletişim sistemlerinde turbo kodları kullanılmaktadır. Ancak yeni nesil 5G iletişim sistemlerinde kullanılmak üzere yüksek verimliliğe sahip bir kanal kodlaması için araştırmalar yapılmaktadır. 5G sistemleri, modern günlük hayata uyum sağlayan birçok uygulamayı ve hizmeti destekleyecektir. Son zamanlarda yapılan araştırmalarda kutupsal kodların kanal kapasitesine ulaşma yeteneğine sahip olduğu kanıtlandı. Kutupsal kodların kodlama mantığı, fiziksel kanalları sanal kanallara ayırmaya dayanmaktadır. Sanal kanallarda ya iyi kanallar ya da kötü kanallar olarak, yani polarize edilmiş kanallar olarak ayrıştırılarak elde edilir. Kutupsal kodlar, Turbo veya Düşük Yoğunluklu Parite Kontrolü (Low Densıty Parity Check, LDPC) kodlarına kıyasla en düşük karmaşıklığa sahip kod olduğu kanıtlanmıştır. 5G sistemlerinde veri kanallarında aşağı bağlantı (downlink) ve yukarı bağlantı (uplink) LDPC kodlama ve kontrol kanallarında aşağı bağlantı ve yukarı bağlantı ise kutupsal kodlama kullanması kabul edilmiştir. Bu nedenle 5G sistemlerinde kutupsal kodlara turbo ve LDPC kodları iki rakip koddur.Bu tez çalışmasında, kutupsal kodların kodlama ve kod çözme teorisi verlmiş ve yeni nesil 5G iletişim sistemlerinde kutupsal kodların kodlama ve kod çözme yeteneği incelenmiştir. Kutupsal, turbo ve LDPC kodların 5G'de en önemli parametreleri, Geliştirilmiş Mobil Geniş Bant İletişimi (Enhanced Mobile Broadband Communication, eMBB), ultra güvenilir ve düşük gecikmeli iletişim (Ultra-Reliable and Low-Latency Communications, URLLC), ve yoğun makine tipi iletişim (Massive Machine Type Communication, mMTC)), göre uygulanmasının avantaj ve dezavantajları araştırılmıştır. Bu tez çalışmasında deneysel olarak iki Evrensel Yazılım Radyo (Universal Software Radio Peripheral, USRP) USRP B210 modülü kullanarak 2x2 Uzun Süreli Gelişim Çoklu Giriş-Çoklu Çıkış (Long Term Evolution – Munltiple Input Multiple Output, LTE-MIMO) sisteminde kanal kodlaması olarak kutupsal kodlama yapılarak deneysel çalışmalar yapılmıştır. Deneysel çalışmalar sonunda başarılı sonuçlar alınmıştır.

Researches have been working to find a suitable channel code that has the ability to achieve Shannon limit of capacity since Shannon proved the theorem of `channel coding theorem`. It is important to find a code that has low errors during transmission, low complexity, high error correction, low latency, etc. Turbo codes are being used in 4G wireless communication systems, however, it has been working to find a code that has high efficiency to be used in 5G systems. 5G systems adopt many applications and services that adapt to modern daily life. Recently, researches proved that polar codes have the ability to achieve the channel capacity. Their construction depends on dividing the physical channels into virtual channels. The virtual channels are distributed in which they are either good channels or bad channels, i.e. they are polarized channels. It is proven that polar codes have the lowest complexity compared to turbo or Low Density Parity Check (LDPC) codes. It is agreed to use polar codes in downlink and uplink control channels while LDPC codes in downlink and uplink data channels in 5G systems.In this thesis, we focus on studying polar codes in 5G systems with a comparison between them and the two competitive codes to be used in 5G which are turbo and LDPC codes. We present the advantages and disadvantages of applying these codes in 5G regarding the most important parameters. These parameters are eMBB, URLLC and mMTC. İn this thesis, as a practical application we used two USRP B210 devices to send and receive data by using MIMO 22 in an LTE system. İn this experiment, the used channel coding scheme is polar codes. As shown in the result, we successfully receive the transmitted signal in all cases.