HABTEKUS’09 Yıldız Teknik Üniversitesi, Aralık 2009 IEEE 802.11n MIMO-OFDM WLAN HABERLEŞME SİSTEMLERİNDE KOMPAKT MULTİMOD MİKROŞERİT ANTENLERİN KORELASYON ve KAPASİTE ANALİZİ Özgür Ertuğ Asuman Savaşçıhabeş ertug@gazi.edu.tr asavascihabes@gazi.edu.tr HABTEKUS’09 Yıldız Teknik Üniversitesi, Aralık 2009

Sunuş Planı MIMO-OFDM WLAN Sistemlerin Genel Yapısı ve Özellikleri MIMO Haberleşme Sistemleri Kanal/Sistem Modeli ve SCP Antenler Performans Analizi Sonuçlar

MIMO-OFDM WLAN Sistemler Yeni nesil iletişim sistemlerinde erişilmek istenen spektral verimlilik ve iletişim kalitesine çoklu-giriş çoklu-çıkış (MIMO) iletişim teknikleri ile ulaşılabilmektedir. MIMO-OFDM WLAN sistemlerinde uygulama için boyutu ufaltılarak performansı geliştirilmeye çalışılan MIMO haberleşme sistemleri temel olarak gönderici ve alıcılarda çoklu-anten dizinlerinin kullanılmasına dayanır.

MIMO Uzay-Zaman Haberleşme Sistemlerinin Genel Yapısı Darbant MIMO haberleşme link yapısı:

MIMO Uzay-Zaman Haberleşme Sistemlerinin Genel Yapısı MIMO sistemlerinde antenlerin değişik sistem yapıları içinde Sinyal işleme, Modülasyon kodlama ile kullanılması ile elde edilebilecek kazançlar ve temel yapılar 3 sınıfta toplanabilir. Bunlar: uzaysal-çoğullama (spatial multiplexing) ile elde edilecek çoğullama ve spektral verimlilik kazancı, MIMO ışın-oluşturma (MIMO beamforming) ile elde edilecek çeşitlilik (diversity) ve kalite kazancı uzay-zaman modülasyon ve kodlama (space-time coding) ile edilcecek çeşitlilik ve kodlama kazancından dolayı kalite kazancı

MIMO Uzaysal Çoğullama Uzaysal çoğullama kazancı MIMO kanalın R adet paralel kanala bölünmesi özelliğinden dolayı elde edilebilmektedir. Yüksek hızlı bir datayı M katı düşük hızda M bağımsız data dizinine ayırıp antenlere çoğullarsak alıcıda tekli anten bir sisteme göre aynı bandgenişliği içinde R katı daha fazla spektral verimililik (ya da data hızına) ulaşılması mümkündür. Uzaysal çoğullama MIMO sistem yapısı

MIMO Uzaysal Çoğullama MIMO sistem yapısı dahilinde haberleşmede spektral verimlilik kazançları (bps/Hz) uzaysal-çoğullama (spatial-multiplexing) ile elde edilmektedir. Özellikle çok-yollu sönümlemeli kanallarda spektral verimlilik MIMO uzaysal-çoğullama ile büyük oranda arttırılmaktadır. MIMO uzaysal-çoğullama için temel olarak kullanılan minimum-BER optimum alıcı yapıları: ML detektör lineer (ZF, MMSE) detektörler lineer-olmayan (ZF-SIC, MMSE-SIC) detektörleri Bu çalışmada en temel optimum detektör yapısı olan Maximum-Likelihood (ML) MIMO kullanılmıştır.

Maximum Likelihood Detektör ML MIMO detektör ile minimum BER açısından darbant MIMO modeli altında belirleme şu şekilde yapılır: Bu optimizasyon paha fonksiyonu için arama tüm olası gönderilen sembol vektör kombinasyonları üzerinden yapılır. Tüm olası gönderilen sembol vektör kombinasyonlarının sayısı ise modulasyon sembolleri sayısı olan bir sinyal uzayı için eksponansiyel olarak ile verilmektedir. Performans analizi için MIMO-OFDM sistem genişbant çok-yollu sönümleme kanalları üzerinde alttaşıyıcı başına bir darbant düz-sönümleme MIMO kanala dönüştütülür ve kesikli-zaman matris-vektör notasyonu türetilir:

Kanal Modeli ve SCP (Stacked Circular Patch) Antenler Bu çalışmada uzay-multimod dairesel mikroşerit antenlerin MIMO-OFDM WLAN sistemlerinde kullanımı Gerekli alıcı yapılarının uygulanarak performans analizinin yapılması İçin en uygun kanal modeli olan IEEE’nin MIMO-OFDM WLAN 802.11n sistemleri için standardize ettiği kanal modeli olan kümelenme tabanlı Kronecker modeli (KTKM) kullanılmıştır. 802.11n standart kanal modellemesine uyumlu KTKM modelinde ilintili Ricean kanal yapısı:

Kanal Modeli ve SCP (Stackked Circular Patch) Antenler Genellikle kümelenme tabanlı propagasyon yapısında çoklu-gönderim yolu üzerinden içortam haberleşmesinde yükselim (elevation) yayılımı ihmal edilmekte ve sadece yanca (azimuth) açıları dikkate alınmaktadır. Alınan gücün yanca açısındaki değişimlerine bağlı olarak yansıtıcı tarafından oluştrulan altyollar üzerinde dağılımını veren kesilmiş-Laplace dağılımlı PAS  (Power Azimuth Spectrum) ile modellenmiş ifadesi: anten dizinindeki antenlere ait modal ve uzaysal normalize kompleks korelasyon katsayıları:

Kanal Modeli ve SCP (Stackked Circular Patch) Antenler Tanımlanan kanal yapısı altında MIMO-OFDM sistemi için ML detektör ile elde edilen bps/Hz cinsinden spektral verimlilik: Çalışmamızda ele alınan anten yapıları: bindirilmiş dairesel yama multimod mikroşerit yama antenler (SCP-ULA), ana 0. izotropik modda çalışan dairesel yama mikroşerit antenler (CP-ULA) merkez-beslemeli dik-oriente dipol anten dizinleri (DP-ULA)

Anten Dizi Geometrisi (SCP-ULA) Dairesel mikroşerit yama antenin modal uzak-alan ışıma örüntüsüleri belirtilen ifadelerle belirlenir. Anten yarıçap formülü a ile tanımlanır. TM01 TM11 TM21 TM31 TM41 3.82 1.84 3.04 4.18 5.29 a(mm) 21.2 10.23 16.9 23.24 29.4

Anten Dizi Geometrisi (CP-ULA) CP-ULA (Dairesel yama anten dizisi) ne ait senaryo şekildeki gibi tanımlanır. Elemanlar arası mesafe d ile belirtilmiştir. Tanımlanan kanal modeli dahilinde antenlerin farklı modları arasındaki ve bir anten dizisinin farklı 2 elemanı arasındaki spatial ve modal korelasyonlar hesaplanırken ifadesi uygun radiation patternlar üzerinden simulasyonlarda kullanılır.

Anten Dizi Geometrisi dipol anten için küresel koordinatlarında uzak-alan elektrik alan ifadesi dipol anten için:

Anten Modlarına Ait Işıma Örüntüleri SCP antende farklı modlara ait (Mod1,Mod2,Mod3 ve Mod4) ışıma örüntüleri

Performans Analizi (Modal Korelasyon) MIMO-OFDM WLAN sistemlerinde kullanılmak üzere kompakt boyutlarda performansı artırımı sağlaması için önerilen multimod bindirilmiş dairesel mikroşerit yama anten dizinlerinin uzaysal ve modal korelasyon katsayıları hesaplanmış ve bindirilmiş anten mod sayısı TM11-TM41 kombinasyonları olacak şekilde açısal yayılıma karşılık korelasyon eğrileri hesaplanmıştır. Multimod SCP için TM11-TM41 modlarında tek stack antene ait korelasyon eğrileri

Performans Analizi (Ergodik Spektral Verimlilik) MIMO haberleşme için indoor ortama ait (a) 2x2 (b) 4x4 dizi konfigürasyonları için açısal yayılıma karşın spektral verimlilik değişimi

Performans Analizi (Kompaktlık) Dizi/Anten DP-ULA CP-ULA 2x2(%) 30.6 4x4(%) 7.5 Elemanların faz merkezleri arası uzaklık en düşük olduğu durum için yapılan analizlerde SCP-ULA anten konfigürasyonunun DP-ULA ya göre %7,5, CP-ULA ya göre %30,6 oranında daha kompakt bir yapıya sahip olduğu belirlenmiştir ki bu da IEEE802.11n kanal modelinin uygulama alanları olan LAPTOPlar, PDA’ler, Modemler, Erişim Noktaları gibi pek çok alanda kompaktlık kazanımı sağlayacaktır.

Sonuçlar yüksek açısal yayılım için spektral verimlikler değerleri IEEE 802.11n standardında belirlenen 40 MHz bandgenişliği için düşünüldüğünde SCP-ULA ile erişilebilecek çok düşük sembol hata oranında data hızı 2x2 dizi konfigürasyonu için 160 Mbits/s 4x4 için 324 Mbits/s olmaktadır ki bu data hızları IEEE 802.11 a/b/g SISO-OFDM WLAN ağlarında erişilebilen 125 Mbits/s hızına göre çok daha yüksektir.

Sonuçlar Elde edilen düşük korelasyon ve yüksek spektral verimlilik oranlarına ilaveten SCP-ULA multimod anten dizinleri farklı dizi geometrileri için DP-ULA ve CP-ULA ile karşılaştrıldığında yüksek kompaktlık kazancına sahiptir. Bu bakımdan SCP-ULA özellikle sınırlı alana sahip erişim noktalarında, PDA’lerde, dizüstü bilgisayarlarda ve modemlerde kullanımı açısından hem performans hem de boyut /kazancı olarak önem taşımaktadır. Yapılan çalışma SCP-ULA’nın gelecek nesil yüksek-hızlı MIMO-OFDM WLAN haberleşme sistemlerinde kullanım açısından oldukça kazanımlı ve uygun olduğunu ortaya koymaktadır.

Teşekkür Bu çalışma Türkiye Bilimsel ve Teknolojik Araştırma Kurumu (TÜBİTAK) EEEAG-108E025 Projesi ile desteklenmiştir.