New channel estimation techniques for cooperative underwater acoustic OFDM systems

Abstract

İşbirlikli sualtı kablosuz iletişim sistemleri konusu son yıllarda büyük önem kazanmıştır. Özellikle sualtı akustik kanalların seyrek olma özelliği taşıması ve sisteme giren toplamsal gürültünün renkli Gauss gürültüsü olması sualtı kanallarının kestirimini çok zorlaştırmaktadır ve kuramsal açıdan ilginç kılmaktadır. Bu tezin ilk kısmında, kaynaktan hedef alıcıya iletimin röle aracılığıyla yapıldığı bir dik frekans bölmeli çoğullama (orthogonal frequency division multiplexing (OFDM))-tabanlı sisteme uyumlu eşleme (matching pursuit (MP)) algoritması kullanılarak kanal kestirim problem çözülmüş ve elde edilen sonuçlarda yüksek hata başarım elde edilmiştir. Tezin ikinci kısmında, seyrek yapıdaki sualtı akustik kanallar üzerinden çalışan güçlendir-ve-aktar (AF) işbirlikli röle tabanlı OFDM sistemler için özgün ve yeni bir kanal kestirim algoritması önerilmektedir. Hesaplama karmaşıklığı düşük, hızlı, ve iteratif yapıdaki bu algoritma, uyumlu eşleme (MP) ve genelleştirilmiş beklenti enbüyükleme (SAGE) tekniklerinin birleştirilmesine dayanmaktadır. Algoritma gerek seyrek yapıda sualtı kanalın çok yollu kanal katsayılarını ve bunların konumlarını kestirmekte ve gerekse kanalı etkileyen ve bir Gauss karışımı ile modellenen, Gauss olmayan gürültünün karışım parametrelerini belirlemektedir. Yapılan bilgisayar benzetimleri, önerilen kanal kestirim algoritmasının simge hata ve kestirim algoritmalarına oranla çok daha iyi sonuçlar verdiğini göstermektedir.

Cooperative underwater acoustic communication systems come into prominence in recent years. Since underwater channels are sparse and additive noise entering the system is colored Gaussian noise, it is very difficult to estimate the underwater channels and theoretically makes it interesting. In the first part of the thesis, the transmission from source to the target recipient is realized by means of a relay system. Orthogonal frequency division multiplexing (OFDM)-based channel estimation problem is solved by using the matching pursuit (MP) algorithm and we obtained excellent error performance. In the second part of the thesis, an efficient channel estimation algorithm is purposed for amplify-and-forward (AF) cooperative relay based OFDM system in the presence of sparse underwater acoustic channels and of the correlative non-Gaussian noise. The algorithm is based on the combinations of the MP and the space-alternating generalized expectation-maximization (SAGE) technique , to improve the estimates of the channel taps and their location as well as the Gaussian mixture noise distribution parameters in an iterative way. Computer simulations show that underwater acoustic channel is estimated very effectively and the proposed algorithm has excellent symbol error rate (SER) and channel estimation performance, as compared to the existing ones.