Channel Estimation for MIMO MC-CDMA Systems

Channel Estimation for MIMO MC-CDMA Systems

Multicarrier Code Division Multiple Access (MC-CDMA), which is a combination of Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) and Code Division Multiple Access techniques, has significant importance for new generation communication systems. The OFDM structure within this technology has some advantages. It is robust against multi-path propagation effects and has high speed transmission. It also reduces system complexity and increases of spectral efficiency. Moreover, CDMA structure has some advantages. It allows multiple users to share same bandwidth at the same time, is able to reduce user’s signal power during transmission using a power control algorithm, extended battery life because of effective power control, and no guard bands or guard times are typically required relative to TDMA and FDMA. On the other hand, in order to increase bandwidth efficiency of the system MC-CDMA systems are combined with Multiple Input Multiple Output (MIMO) systems which requires the use of multiple antenna in both the transmitter and the receiver.

Channel parameters are needed to get back the signal at receiver in MIMO MC-CDMA systems. Due to that, channel estimation is a crucial part of the receiver structure and has to be worked out for the performance of the systems. In this thesis firstly, signal model is constituted for uplink MIMO MC-CDMA systems and Maximum Likelihood (ML) channel estimation which is optimum solution, is used for channel estimation in the presence of pilot symbols. Since the obtain ML estimator requires the matrix inversion which leads to large computational complexity, Space Alternating Generalized Expectation Maximization (SAGE) algorithm suggested which obtains the same result of ML estimator. Lastly the mean square error (MSE) performance, convergence of algorithm and the complexity of SAGE algorithm are examined.
  

AK Serkan

Danışman : Yrd. Doç. Dr. Niyazi ODABAŞIOĞLU

Anabilim Dalı : Elektrik-Elektronik Mühendisliği

Mezuniyet Yılı : 2011

Tez Savunma Jürisi : Yrd. Doç. Dr. Niyazi ODABAŞIOĞLU

Prof. Dr. Aydın AKAN

Prof. Dr. Ayten KUNTMAN

Doç. Dr. Murat UYSAL

Yrd. Doç. Dr. Hakan DOĞAN
İşbirlikli Haberleşme Sistemlerinde Zaman Senkronizasyonu

Bu çalışmada işbirlikli haberleşme sistemlerinde zaman senkronizasyonu problemi incelenmiş ve bu probleme çözüm olarak bir ortak kestirimci önerilmiştir.

Birinci bölümde kablosuz haberleşme sistemleri çok kısaca genel olarak anlatılmıştır. Buradaki amaç günümüzdeki kablosuz haberleşme sistemlerindeki gelişmeler ve karşılaşılan problemlerden özetle bahsedilmesidir.

İkinci bölümde önce kablosuz haberleşme sistemlerindeki kanal modelleri tam detaylarına girilmeden genel olarak anlatılmıştır. Bunlar büyük-ölçekli sönümleme ve küçük-ölçekli sönümleme olarak ikiye ayrılmışlardır. Bu modellere toplamsal beyaz Gauss gürültüsünden de bahsedilmiştir. Ardından önce çok-giriş ve çok-çıkışlı (multiple-input multiple-output – MIMO) sistemlere kısaca değinilmiştir ve neden işbirlikli haberleşme sisteminin MIMO sistemlere alternatif olarak düşünüldüğü anlatılmıştır.

Bundan sonra hem MIMO hem de işbirlikli haberleşme sistemlerinde kritik bir öneme sahip olan alıcı çeşitlemesi metotları verilmiştir. Özellikle en çok rağbet gören en büyük oranlı birleştirme yöntemi detaylı olarak anlatılmıştır. Ayrıca neden en iyi yöntem olduğu da analitik olarak gösterilmiştir. Bu bilginin akabinde işbirlikli haberleşme sistemleri genel olarak anlatılmıştır. Bu tez çalışmasında yükselt-ve-aktar protokolü kullanıldığı için çöz-ve-aktar protokolüne göre daha detaylı anlatılmıştır.

Bu bölümde senkronizasyonun ne olduğu ve kablosuz haberleşme sistemlerinde nasıl tesis edilebileceği genel olarak anlatılmıştır. Bu çalışmada sembol senkronizasyonu hedeflendiği için, bu kısmın özellikle olarak üzerinde durulmuştur. Bunu gerçekleştirebilmek için gerekli olan aradeğerleme (interpolasyon) yöntemi akabinde verilmiştir. Bu bölümün sonunda Beklenti - Enbüyütme algoritması detaylı olarak anlatılmıştır.

Üçüncü bölümde önce sistem modeli kapsamlı olarak anlatılmıştır. Ardından Beklenti - Enbüyütme algoritma yöntemi ile hem gecikme hem de kanal kestirimi yapan algoritmanın analitik çıkarımı yapılmıştır. Bu ortak kestirim algoritmasının performansını gösterebilmek için, hem gecikme hem de kanal parametreleri için ortak Cramer-Rao eğrisi bulunmuştur ve matematiksel detayları da Ekler bölümünde verilmiştir.

Son bölümde ise Monte Carlo yöntemi MatLab programında kullanılmak suretiyle dizayn edilen sistemin performans sonuçları verilmiş ve tartışılmıştır.

In this thesis, timing synchronization problem of cooperative communication systems is investigated and a joint estimator is proposed as a solution to this problem.

In the first chapter, wireless communication systems are very briefly introduced. The purpose of this chapter is to fast mention the improvements and related problems in contemporary wireless communication systems.

In the second chapter, channel models in wireless communication systems are first introduced in general without providing many details. These models are categorized into two groups as large-scale fading and small-scale fading. In addition to them, white Gaussian noise is also introduced. Afterwards, multiple-input and multiple-output (MIMO) systems are given short and the reason, why we should consider cooperative communication systems as an alternative to MIMO systems, is explained.

After that receive diversity methods that are crucial for both MIMO and cooperative communications systems are given. Particularly, maximum ratio combining method, which is quite popular nowadays, is introduced in detail. Furthermore, the reason as to why it is the best method is also analytically shown. Afterwards, cooperative communication systems are introduced in general. Since in this thesis amplify-and-forward protocol is used, there are more details about it than decode-and-forward protocol.

In this chapter, synchronization is also defined and explained in general as to how maintain it in wireless communication systems. Because in this thesis it is aimed at obtaining symbol synchronization, this part is given a special attention. In order to implement this synchronization interpolation method is successively introduced. At the end of this chapter, expectation-and-maximization (EM) algorithm is introduced in detail.

At the beginning of the third chapter, the system model under consideration is given comprehensively. Then a joint estimator that can estimate both propagation delay and wireless channel is analytically obtained by means of EM algorithm. In order to show performance of this joint estimator algorithm, joint Cramer-Rao bound for both parameters, propagation delay and the channel, is found and its mathematical details are given in Appendices chapter.

In the last chapter, the performance results of the designed system obtained on MatLab software by means of Monte Carlo method are given and discussed.

Danışman : Prof.Dr. Mukden UĞUR

Anabilim Dalı : Elektrik-Elektronik Mühendisliği Anabilim Dalı

Mezuniyet Yılı : 2011

Tez Savunma Jürisi : Prof.Dr. Mukden UĞUR

Prof.Dr. Özcan KALENDERLİ

Prof.Dr. Aydın AKAN

Y.Doç.Dr. Aysel ERSOY YILMAZ

Y.Doç.Dr. Erkan ATMACA


Gerilimdeki Dalgalanmaların Aydınlatma Elemanlarının Renk Sıcaklığına Etkisi

Bu çalışmada öncelikle, iç aydınlatma elemanlarının performanslarına etki eden parametrelerin ve etki düzeylerinin belirlenmesi hedeflenmiştir. Çalışma kapsamında ayrıca, elektrik şebekesinde meydana gelen dalgalanmaların aydınlatma elemanlarının renk sıcaklığına ve aydınlık düzeyine, kısa ve uzun zaman içerisindeki etkisi de incelenmiştir. Bu amaçla, elektrik şebekelerinde gözlenen gerilim dalgalanmaları ve harmonikler laboratuar ortamında üretilerek sisteme entegre edilmiş, klasik tip aydınlatma ürünlerinin ve yeni nesil ürünlerin bu etkenlerden ne oranda ve ne kadar sürede etkilendikleri, performanslarındaki değişimin kalıcı olup olmadığı test edilerek saptanmıştır. Lambalara ait renk sıcaklığı, aydınlık düzeyi, tayfsal enerji, parıltı ve renksel geriverim indisi değerlerinin yaşlanmaya bağlı değişimleri incelenmiştir. İncelenen ve ölçülen lambalara ait tayfsal enerji parametrelerinin, yüksek dereceli moment analizi kullanılarak karakterize edilmesi sağlanmıştır. Elde edilen momentler yardımıyla yapay sinir ağları eğitilerek, lambalar türlerine göre sınıflandırılmıştır. Ölçülen diğer parametreler ise, lambaların yaş özelliklerinin yapay sinir ağları kullanılarak belirli aralıklara göre sınıflandırılmasında kullanılmıştır. 

Anabilim Dalı : İnşaat Mühendisliği

Mezuniyet Yılı : 2011

Tez Savunma Jürisi : Yrd. Doç. Dr. Turgay ÇOŞGUN

Prof. Dr. Namık Kemal ÖZTORUN

Prof. Dr. Ekrem MANİSALI

Prof. Dr. Süleyman DALGIÇ

Yrd. Doç. Dr. Fethi Ahmet YÜKSEL

Yaşanan büyük deprem felaketleri sırasında meydana gelen yıkım ve hasarlar afet bölgelerinde yangın ve salgın hastalıklar gibi ikincil felaketler ortaya çıkarmaktadır. Özellikle atık su tünel yapılarında oluşan hasarlar bu ikincil felaketlere sebep olmaktadır. Bu nedenle atık su tünel yapıların sismik tasarımı ve sismik etkiler altındaki yapısal davranışı ile ilgili çalışmalar artmıştır.

Depremler sırasında zeminde geçici ve kalıcı yer değiştirmelerin meydana gelmesi sonucunda atık su tünel yapılarda hasarlar meydana gelmektedir. Bu yer değiştirmeler dalga yayılımı, fay hattına yakın olması, toprak kayması, sıvılaşma ve oturma gibi çeşitli nedenlerle oluşmaktadır. Bunların dışında, bağlantı elemanlarının bulunduğu bölgelerde korozyon ve kullanım süreci sonucunda sıklıkla hasarlar gözlenmektedir.

Amerikan ve Japon yönetmeliklerinin ilgili bölümleri ve deprem raporları incelendiğinde, sismik etkiler sonucunda tünel yapılarda meydana gelen şekil değiştirmelerin ana kayanın derinliğine, yüzey tabakasının doğal periyoduna, yüzey tabakasındaki kayma dalgası hızına, sismik hareketin dalga boyuna ve borunun gömülme derinliğine bağlı olduğu görülmüştür.

Bu çalışmada atık su tünel yapıların deprem etkisi altındaki yapısal davranışı incelenmiştir. Sismik etkiler sonucu zeminde oluşan kalıcı deformasyonlar ve atık su tünel yapılarda meydana gelen hasarlar araştırılmış; İstanbul ili Beykoz ilçesi sınırları içerisinde yapımı süren atık su tünel yapının olası bir deprem etkisi altında yapısal davranışı analiz edilmiştir.

  

The Behavıor Of Waste Water Tunnel Structures Under Eartquake Effects And A Sample Investıgatıon

The massive wreckages and affects occurring during earthquakes may have secondary results such as epidemics and fires. Especially the damage on waste water tunnel structures is a reason for these secondary affects. Therefore the behavior under earthquake influence of structures of waste water tunnels need special care while planning.

During earthquakes, certain damage on waste water tunnel structures are clearly seen because of the temporary or permanent displacement occurring. These displacements may happen because of such reasons as wave spreading, being close to fault line, landslide and liquefaction. Besides these reasons, corrosion at regions of joining materials is another reason why so much damage is seen.

When American and Japanese regulations and reports of earthquakes are analyzed, deformation occurring at tunnel structure under seismic effects are related to the depth of the main rock, natural period of surface layer, sliding wave surface velocity, wave length of seismic motion and the depth of the immersed rock.

In this study, the behavior of waste water tunnel structures under earthquake influence is analyzed. Permanent deformations at ground and damages at the waste water tunnel structures are researched and as a sample investigation, the behavior of a waste water tunnel structure which is still under construction in Beykoz, İstanbul is analyzed under a probable earthquake effect.

Danışman : Yrd. Doç.Dr. Ömer Faruk Kültür

Anabilim Dalı : İnşaat Mühendisliği

Mezuniyet Yılı : 2011

Tez Savunma Jürisi : Yrd.Doç.Dr. Ömer Faruk Kültür

Prof.Dr. Ekrem Manisalı

Prof.Dr. Abdurrahman Güner

Prof. Dr. Cevdet Meriç

Yrd.Doç.Dr. Mustafa Sinan Yardım


Bir Çelik Yapı Uygulaması Örneği İçin Toplam Kalite Yönetiminin Süreçlerinin Belirlenmesi

Çalışmada öncelikle çelik yapı üretimine ait süreçler ortaya konulmuş, çelik yapı imalat aşamalarından bahsedilmiştir. Daha sonra Toplam Kalite Yönetimi anlayışı ve ISO 9001 Kalite Yönetim Sistemi ve Standardı ile ilgili açıklamalar yapılmıştır. Çalışmanın amprik kısmında, çelik yapı sektöründe ISO 9001 Kalite Yönetim Sistem Belgesine sahip firmaların özellikleri ve TKY uygulamaları incelenmiş, bu faktörlerin firmaların başarı düzeylerine etkileri analiz edilmiştir. Ortaya konulan çalışma ile çelik yapı sektöründe başarıya giden yolda TKY’nin önemi elde edilen analiz sonuçları ile gösterilmiştir.

 

Determination Of Total Quality Management For An Example Of A Steel Building Applicatıon Process

Anabilim Dalı : İnşaat Mühendisliği

Mezuniyet Yılı : 2011

Tez Savunma Jürisi : Yard. Doç. Dr. M. Kubilay KELEŞOĞLU

Prof. Dr. S. Feyza ÇİNİCİOĞLU

Doç. Dr. İlknur BOZBEY

Doç. Dr. Mehmet BERİLGEN

Yrd. Doç. Dr. Berrak TEYMUR

Bu çalışmada, geoteknik mühendisliğinin en önemli problemlerinden bir tanesi olan, şev stabilite problemi konusunda bir çalışma yapılmıştır. Bu çalışmanın amacı şev stabilite analizlerini limit denge ve sonlu elemanlar yöntemlerini kullanarak kazıksız ve kazıklı durumlar için incelemektir. En önemli hedef sonlu elemanlar yöntemi ile dayanım azaltma yöntemini (SRM) birarada kullanarak kayma yüzeyinin şev güvenlik seviyesinin değişimine bağlı olarak oluşumunu belirlemektir. Bu amaca uygun olarak, şev stabilite problemlerinin bilgisayar ortamında, hem limit denge yöntemine göre Slope/W programında hem de sonlu elemanlar yöntemine göre Plaxis programında parametrik analizler yapılmıştır.

Çalışma kapsamında incelenen problem, tek bir tabakadan oluşan ve yeraltı su seviyesinin yeterince derinde olduğu bir şevdir. Bu şevin kazıksız ve kazıklı durumlardaki güvenlik seviyeleri Slope/W ve Strength Reduction Method yöntemini esas alan sonlu elemanlar analizleri ile belirlenmiştir. SRM yönteminde şevi oluşturan zemin tabakasının mukavemet parametreleri kademeli olarak azaltılmış ve şevde göçme meydana gelmesi sağlanmıştır. Elde edilen GS_SRM değerleri o şevin güvenlik katsayısı olarak tanımlanmış ve limit denge yöntemine göre yapılan analizlerden elde edilen güvenlik katsayısı değerleriyle karşılaştırılmıştır. Ayrıca şevin güvenlik seviyesini arttırmak üzere yerleştirilen kazıkların güvenlik katsayısına ve kritik kayma yüzeyine etkisi de incelenerek şev göçmesinin oluşumuna dair bilgiler elde edilmiştir.

Elde edilen sonuçlara göre kazıksız durumda limit denge ve sonlu elemanlar yöntemlerinden benzer güvenlik sayıları elde edilmektedir. Kazıklı durumda ise hem limit denge yönteminde hem de sonlu elemanlar yönteminde kazığı tanıtmak için bir takım düzenlemeler yapmak gerekmektedir. Bu düzenlemeler, elde edilen sonuçların kıyaslanmasını zorlaştırmakla beraber şevin güvenlik sayısı hakkında fikir vermek bakımından faydalı sonuçlar elde edilmektedir.

Slope stability is one of the major design issues in geotechnical engineering. The main point in the analysis of a slope failure is to determine the critical slip surface. Limit equilibrium method is widely used for this purpose. The lowest safety factor obtained from the analysis is used to determine the degree of safety from the collapse of the slope.

The limit equilibrium method is an easy tool to determine the safety of a slope by means of estimating the factor of safety. However, all the equilibrium conditions are not always satisfied and the real field stress conditions are not obtained in a limit equilibrium design. Strength Reduction Method (SRM) is commonly used for a couple of decade to overcome the disadvantages of limit equilibrium method. SRM calculations are carried out as the strength parameters of the soil layer are gradually reduced until the slope reaches up to failure.

In this study, SRM technique was used with finite element software Plaxis to estimate the critical slip surface of a slope. Limit equilibrium analyses were also with the SLOPE/W software. The details of the SRM technique were discussed using the Plaxis results on Mohr circles. The geometry and the location of the critical slip surface obtained from the limit equilibrium analyses and the SRM are identical for the case without piles. For the case with piles, different slip surface geometry was obtained. For the case with piles, the shear strains were widened over a larger area after the pile whereas the critical slip was almost like a radial surface in the case of without piles. The factor of safety was increased in the case of piles. The effect of the pile location was also investigated by carrying out comprehensive analyses for both, one row and two rows of pile groups.

Danışman : Prof. Dr. Fahriye M. KILINÇKALE

Anabilim Dalı : İnşaat Mühendisliği

Mezuniyet Yılı : 2011

Tez Savunma Jürisi : Prof. Dr. Fahriye M. KILINÇKALE

Prof. Dr. Abdurrahman GÜNER

Doç. Dr. Nabi YÜZER

Yrd. Doç. Dr. Cenk ALHAN

Yrd. Doç. Dr. Bekir Yılmaz PEKMEZCİ


Katkısız ve Katkılı Çimentoların Hidratasyon Isılarının Çimentonun Diğer Özellikleriyle Karşılaştırılması

Çimento hava ile suda sertleşen ve sertleştikten sonra suda çözünmeyen, bu özelliğinden dolayı hidrolik bağlayıcı olarak da adlandırılan toz haldeki maddedir. Çimentonun su ile yaptığı kimyasal reaksiyona hidratasyon denir. Hidratasyon ısısı, hidratasyon sonucu açığa çıkan ısıdır. Çimentonun hidratasyonu sonucu açığa çıkan ısı kütle betonları, baraj betonları, temel ayakları, vb. gibi kütle betonu bulunan yapılarda termik rötreye neden olmaktadır. Bu yüzden hidratasyon ısısını arttıran nedenler ve hidratasyon ısısınına karşı alınacak önlemler üzerinde çalışmalar yapılmıştır.

Bu çalışmada, farklı tipte ve incelikte çimentolara katkılar ilave edildi. Katkısız ve katkılı çimentoların çözünme ısıları ölçüldü, çimento özelliklerinin, inceliğinin ve katkıların çözünme ısısına etkileri araştırılmıştır. Bu tez kapsamında farklı cins ve incelikte çimentoların (CEM 1 400 – 463 - 550 m²/kg, SDÇ 318 - 400 - 550 m²/kg), çimentolara katılan puzolanlar uçucu kül, silis dumanı, buğday sapı külü, tras ve gizli hidrolik bağlayıcı olan yüksek fırın cürüfunun çözünme ısısını ne şekilde ve hangi oranda etkilediği araştırıldı. Çimentonun hidratasyon ısısının ölçülmesi için çimentonun toz halde çözünme ısısı belirlenir. Hidrate çimentonun hidratasyon ısısı ise çimentonun çözünme ısısından yararlanılarak bulunur. Sıcaklık artışları Beckmann termometresi ile hassas ölçümler yapılarak belirlendi, çözünme ısıları hesap edildi.

Bu çalışma sonunda anabileşenler arasında ısıya en çok etki eden bileşenlerden C₃S ve C₃A miktarları çimento kompozisyonunda arttıkça çözünme ısısının arttığı görüldü. Deneylerde kullanılan katkılardan puzolanik aktivitesi yüksek olan buğday sapı külünün çözünme ısısını en çok düşüren puzolan olduğu saptandı. Çimentonun inceliği arttıkça genellikle çözünme ısısının arttığı, priz sürelerinin kısaldığı görüldü.

Cement is a fine powder which sets within a few hours when mixed with water, and then hardens into a durable solid mass due to its very low solubility in alkaline aqueous media. Cements are also called hydraulic binders. The chemical reaction between cement and water is called hydration. Heat of hydration is the heat released as a result of hydration. Heat of hydration causes thermal shrinkage especially in mass concretes, in dams and foundation piers, etc. Hence, considerable amount of research has been carried out on the causes of and actions to be taken to reduce the heat of hydration.

In this study, cements of different fineness and types with replacements of puzzolans are studied. Dissolution heats of pure and blended cements thus obtained are measured. The effects of properties of cements, especially the fineness and the types of additives on dissolution heat are researched. In this thesis, different fineness and type of cements (CEM 1 463 – 400 – 550 m²/kg, SDÇ 318 - 400 - 550 m²/kg) and puzzolans (fly ash, silica fume, corn stalk ash, trass) and blast furnace slag which is admitted hidden hdraulic binder that added to cements are investigated in which quantity and how affects the dissolution heat. To measure the cement’s hydration heat, powder cement’s dissolution heat have to be determined. Hydration heat of hydrated cement is found profit by cement’s dissolution heat. Sensitive measurements are made with Beckmann thermometer to see temeperature rises.

At the end of the study it is detected that C₃S and C₃A are the compounds of cement that effect heat of hydration more than others. As these compounds increase amount of quantity in cement composition, dissolution heat increases. Additives which are used in tests, corn stalk ash has a high puzzolanic reactivity and decreases dissolution heat most from others. As the fineness of cement incerases, generally dissolution heat increases and time of setting shortens.