5. nesil iletişim sistemleri için OFDM`e alternatif yeni OFDM tekniklerinin geliştirilmesi

Abstract

Yüksek veri hızlarına olan talep arttıkça, daha verimli kablosuz iletişim sistemlerineolan ihtiyaç da her zaman gündemde olacaktır. Yapılan araştırmalarda, gelecek beşyılda hücresel veri trafiğinin on kat artacağı tahmin edilmektedir. Yeni nesil hücreseliletişim teknolojilerinin bu veri trafiği ile beraber daha yüksek veri hızlarınıdesteklemesi beklenmektedir. Yaklaşan 5. nesil (5th Generation, 5G) standartlarındanbeklentiler arasında birçok farklı hizmetin desteklenmesi, veri hızlarının yaklaşık 1000kat artması, ultra düşük gecikme süresi ve enerji/maliyet verimliliği bulunmaktadır. Bubeklentileri karşılamak için araştırmacılar, farklı ağ katmanlarını içeren çeşitlipotansiyel teknolojileri araştırmakta ve muhtemel 5G senaryoları için bunların karşılıklıetkileşimlerini tartışmaktadırlar.İletişim sistemlerinin en kritik bileşenlerinden biri olan dalga formu tasarımı, yukarıdabelirtilen amaçlara ulaşmak için hayati bir rol oynamaktadır. 5G dalga biçiminin temelözellikleri; daha fazla esneklik, çoklu erişim desteği, farklı dalga biçimleriyle birliktevar olma yeteneği, düşük gecikme süresi, kitlesel çok girişli çok çıkışlı (MIMO) mimarive mm dalga iletişimi gibi umut vadeden gelecek nesil teknolojilerle uyumluluk olarakkısaca özetlenebilir. Dikgen frekans bölmeli çoğullama (Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing, OFDM) birçok mevcut standartta baskın bir teknoloji olmuştur ve halen5G radyo erişim teknolojilerinde geniş bant iletişim sistemleri için favorilerden biriolarak düşünülmektedir. Ancak; klasik OFDM, yüksek bant dışı yayılım (Out of BandEmission, OOBE), yüksek tepe ortalama güç oranı (Peak to Average Power Ratio,PAPR), düşük spektral verimlilik ve düşük enerji verimliliği gibi dezavantajlarındandolayı 5G için istenenleri karşılayamayacağı düşünülmektedir. Bundan dolayı, 5G vesonrası hücresel iletişim sistemleri için OFDM'e alternatif yeni dalga formu geliştirmeçalışmaları tüm dünyada devam etmektedir.viBu tez çalışmasında, literatürde yer alan OFDM yöntemlerine (ZT OFDM, ZT DFT-SOFDM, F-OFDM, UFMC vb.) alternatif olarak Sıfır Sonlu Ayrık Dalgacık DönüşümüYayılmalı Dikgen Frekans Bölmeli Çoğullama (ZT DWT-S-OFDM) ve Sıfır SonluAyrık Dalgacık Dönüşümü Yayılmalı Dikgen Dalgacık Bölmeli Çoğullama (ZT DWTS-OWDM) dalga formları önerilmiştir. Önerilen yöntemlerde ayrık Fourier dönüşümü(DFT) bloğu ayrık dalgacık dönüşümü (DWT) bloğu ile ve ters hızlı Fourier dönüşümü(IFFT) bloğu ile de ters ayrık dalgacık dönüşümü (IDWT) bloğu yer değiştirmektedir.Önerilen iki dalga formunun başarımı; literatürdeki diğer alternatif OFDM yöntemlerinide içerecek şekilde, toplanabilir beyaz Gauss gürültüsü (AWGN) ve düz sönümlenmelizamanla değişmeyen Rayleigh kanallar için yapılan bilgisayar benzetim çalışmalarıylagösterilmiştir. Özellikle; bu sistemlere ait OOBE, PAPR ve bit hata oranı-işaretingürültüye oranı (BER-SNR) başarımları incelenmiştir. Elde edilen benzetim sonuçlarıönerilen yöntemlerin klasik OFDM ve ZT DFT-S OFDM yöntemlerinden daha iyiOOBE, PAPR ve BER başarımlarına sahip olduğunu göstermiştir.Anahtar Kelimeler: 5G, OFDM, ZT DWT-S OFDM, Dalgacık Dönüşümü, ZT DWT-S OWDM.

As the demand for higher data rates increases steadily, there is always being a needmore efficient wireless communication systems. In the researches done, it is estimatedthat the cellular data traffic will increase ten times over the next five years. It isexpected that next generation cellular communication technologies will support higherdata rates with this data traffic. There is support for many different services, about 1000times increase in data rates, ultra-low latency and energy / cost efficiency among theexpectations of the upcoming 5th generation (5G) standards. To meet theseexpectations, researchers are exploring a variety of potential technologies, includingdifferent network layers, and discussing their mutual interactions for possible 5Gscenarios.Waveform design, one of the most critical components of communication systems,plays a vital role in achieving the above objectives. The key features of the 5Gwaveform can be briefly summarized as compatibility with the promised nextgeneration of technologies, such as greater flexibility, multiple access support, ability tocoexist with different waveforms, low latency, massive multi input multi output(MIMO) and mm wave communication. Orthogonal frequency division multiplexing(OFDM) has become a dominant technology in many existing standards and is currentlyconsidered one of the favorites for broadband communication systems in 5G radioaccess technologies. However, it is thought that conventional OFDM will not meet therequirements for 5G due to its disadvantages such as out of band emission (OOBE),peak to average power ratio (PAPR), low spectral efficiency and low energy efficiency.Therefore, new waveform development studies that are alternative to OFDM for 5G andlater cellular communication systems continue all over the world.viiiIn this thesis study, zero tail discrete wavelet transform spread orthogonal frequencydivision multiplexing (ZT DWT-S-OFDM) and zero tail discrete wavelet transformspread orthogonal wavelet division multiplexing (ZT DWT-S-OWDM) waveformswere proposed as an alternative to so far thought alternative OFDM methods (ZTOFDM, ZT DFT-S OFDM, F-OFDM, UFMC etc.) in literature. In these proposedmethods, the discrete Fourier transform (DFT) block is replaced by the discrete wavelettransform (DWT) block and the inverse discrete Fourier transform (IDFT) block isreplaced by the inverse discrete wavelet transform (IDWT) block. The performance ofthe proposed 2 waveforms were performed with the simulation studies for additivewhite Gaussian noise (AWGN) and flat fading time-invariant Rayleigh channelsincluding other alternative OFDM methods in literature. In particular, OOBE, PAPRand bit error rate-signal to noise ratio (BER-SNR) performances of these systems wereinvestigated. The obtained simulation results show that the proposed methods had betterOOBE, PAPR and BER performance than conventional OFDM and ZT DFT-S OFDMmethods.Keywords: 5G, OFDM, ZT DWT-S OFDM, Wavelet Transform, ZT DWT-S OWDM.