Performance analysis of cellular radio systems in fading and correlated shadowing environments

Abstract

oz HÜCRESEL RADYO SİSTEMLERİNİN SÖNÜMLÜ VE İLİNTİLİ GÖLGELEMELİ ORTAMLARDAKİ BAŞARIM ANALİZİ İbrahim Baran USLU YÜKSEK LİSANS TEZİ ELEKTRİK-ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ ANADİLİM DALI Danışman: Yrd. Doç. Dr. Aysel ŞAFAK Ocak 2003 Hücresel sistemlerin başarımı, çok-yollu sönümlü, ilintili gölgelemeli ve Gauss dağılımlı toplamsal beyaz gürültülü ortamlarda, FSK, PSK ve DPSK modülasyon metodları kullanılarak, heryönlü, yönlü ve adaptif antenler için incelenmiştir. Hem istenen sinyalin, hem de girişimci sinyallerin kanaldaki düzgün sönümlenmenin ve gölgelenmenin etkisi altında olduğu kabul edilmiştir. Sistemin başarımı ortak-kanal girişim olasılığı, bit hata oranı ve spektrum verimliliği cinsinden incelenmiştir. Hücresel sistemlerin başanmım değerlendirmek için yeni formüller geliştirilmiştir. Bit enerjisi / gürültü güç yoğunluğu (Eb /No), işaret-girişimci güç oranı (Ça/ £u), frekans tekrar kullanım uzaklığı (Ru), petek büyüklüğü (C), gölgelenmenin standart sapması (o), sinyaller arasındaki ilinti katsayısı (p), girişimci sayısı (n), Rician faktörü (K), kanal kullanım verimliliği (rj), hücre başına toplam kanal sayısı (M), anten eleman sayısı (u.) ve trafik parametreleri gibi bazı sistem parametrelerinin hücresel sistemlerin başarımı üzerindeki etkileri araştırılmıştır. Bütün durumlarda adaptif dizi antenlerin, heryönlü ve yönlü anten sistemlerinden daha iyi performans gösterdiği, ortak-kanal girişim olasılığını ve bit hata oranım önemli ölçüde düşürerek sistemin spektrum verimliliğini ve başanmım arttırdığı gözlenmiştir. Bilgisayar simülasyonları ile, gezgin iletişim sistemlerinde adaptif anten kullanımının sistemin spektrum verimliliği ve başarımındaki yararları üzerinde çalışmalar yapıldı. Sonuçlar, adaptif anten dizilerinin hücresel sistemlerin spektrum verimliliğini ve başanmım belirgin ölçüde arttırdığını göstermektedir. Anahtar Kelimeler: Hücre, hücresel gezgin iletişim sistemi, frekans tekrar kullanımı, ortak-kanal girişimi, spektrum verimliliği, sektörleme, sönümlenme, ilintili gölgelenme, adaptif demetleme, LMS algoritması.

ABSTRACT PERFORMANCE ANALYSIS OF CELLULAR RADIO SYSTEMS IN FADING AND CORRELATED SHADOWING ENVIRONMENTS İbrahim Baran USLU M.Sc. Thesis DEPARTMENT OF ELECTRICAL-ELECTRONICS ENGINEERING Supervisor: Asst. Prof. Dr. Aysel ŞAFAK January, 2003 The performance of cellular radio systems was investigated in multipath fading, correlated shadowing and additive white Gaussian noise environments for FSK, PSK and DPSK modulation with omnidirectional, directional and adaptive antennas. Both desired and interfering signals are assumed to be under flat fading and correlated shadowing in the channel. System performance is evaluated in terms of probability of co-channel interference, bit error rate and spectrum efficiency. Formulas for evaluating the performance of cellular radio systems are presented. The effects of bit energy to noise power ratio (Eb/No), signal-to- noise power ratio (ZJ £u), frequency reuse distance (Ru), cluster size (C), shadow spread (a), correlation coefficient between the signals (p), number of interferers (n), Rician factor (K), channel usage efficiency (r/), total number of channels per cell (M), number of antenna elements (u) and some traffic parameters, on the performance of cellular systems were studied. Computer simulations are carried out for evaluating the benefits of using adaptive antennas in mobile communications in terms of spectrum efficiency and system performance. Results show that application of adaptive antenna arrays increase the spectrum efficiency and the performance of the cellular systems. Keywords: Cell, cellular mobile radio system, frequency reuse, co-channel interference, spectral efficiency, sectorization, fading, correlated shadowing, adaptive beamforming, LMS algorithm. VI