Employing Preprocessor Filters to Suppress the Effect of Impulsive Noise on Communications Systems at Millimeter-Wave Frequencies

Abstract

With the explosive growth of mobile traffic demand, the contradiction between capacity requirements and spectrum shortage becomes increasingly prominent. The bottleneck of wireless bandwidth becomes a key problem of the Fifth Generation (5G) wireless networks that could offer high level of reliability, low levels of latency and constant connectivity anytime, anywhere. As one of its most promising potential technologies, Millimeter wave (mmWave) communication endorses 5G goals through the utilization of 30 gigahertz (GHz)-300 GHz frequency band. The high frequencies of mmWave technology allocate more bandwidth to provide multi-gigabit communication services and reinforce their applicability in cellular communications and radar alongside employing high gain steerable antennas. However, using such frequencies and multi antennas may offer signal attenuation, blockage through obstacles, besides a noise behavior. Noise over mmWave system can be any sort of undesired fluctuation, nevertheless, the catastrophic presence of Impulsive Noise (IN) at high frequencies band whether it is a man-made noise, electromagnetic interference, non-Gaussian clutter, or nonstationary chaos, will shed the light on how much it affects the mmWave system. In this thesis, we examine IN impact on mmWave system and suppressing its effect through implementing clipping, blanking and hybrid preprocessors. Hybrid gains the lowest bit error rate over clipping and blanking in variant impulsive environments and at different Signal to Noise Ratio (SNR) values. At several impulsive cases, the optimal threshold values were obtained for all filters by proposing a new thresholding mechanism to eliminate IN components and maximize SNR performance. Blanking has the potential to become the preferred filter in achieving better spectral efficiency than clipping for mmWave system at different SNR and probability of IN occurrence values. The thesis shows that the use of clipping, blanking and hybrid filters with the optimal threshold values reduces the unfavorable effect of IN and improves system performance significantly. Keywords: fifth generation, millimeter wave, impulsive noise, clipping, blanking, hybrid.

ÖZ: Mobil trafik talebinin olağanüstü büyümesiyle, kapasite gereklilikleri ve spektrum yetersizliği arasındaki çelişki giderek daha belirgin hale gelmektedir. Bu kapsamda kablosuz bant genişliğinin darboğazı, her zaman ve her yerde yüksek güvenilirlik, düşük gecikme seviyesi ve sürekli bağlantı sağlayabilen Beşinci Nesil (5G) kablosuz ağların önemli sorunları olarak kabul edilmektedir. Gelecek neslin potansiyeli yüksek teknolojilerinden biri olarak kabul edilen Milimetre Dalga (mmWave) iletişimi, frekans bandının 30 gigahertz (GHz) ile 300 GHz arasında kullanılmasıyla 5G hedeflerini desteklemektedir. Yüksek frekanslı mmWave teknolojisi, çoklu gigabit iletişim hizmetleri sağlamak ve hücresel iletişim, radar ve büyük miktarda veri iletimi için uygulanabilirliğini güçlendirmek için daha fazla bant genişliğinin tahsis edilmesini kolaylaştırmaktadır. Bununla birlikte, bu gibi yüksek frekansların ve çok antenli sistemlerin kullanılması, genel olarak iletişim kanalının güvenilirliğini etkileyebilecek ve performansını bozabilecek bir gürültü davranışının yanı sıra, ciddi bir sinyal zayıflaması, engellerin üzerinden tıkanma yaratabilmektedir. MmWave sistemi üzerindeki gürültü, herhangi bir tür istenmeyen dalgalanma olabileceği gibi, insan yapımı bir gürültü, elektromanyetik girişim, Gauss olmayan dağınıklık veya durağan olmayan bir kaos olup olmadığına bakılmaksızın, yüksek frekanslar bandında Anlık Gürültü (IN)’nün yıkıcı etkisinin mmWave sistemini ne kadar etkilediğine ışık tutabilmektedir. Bu tezde, IN'in mmWave sistemi üzerindeki etkisine ve kırpma, sıfırlama ve hibrit ön filtrelerinin kullanılmasının mmWave üzerindeki etkisi incelenmektedir. Hibrit, değişken anlık gürültü ortamlarında ve farklı Sinyal-Gürültü Oranı (SNR) değerlerinde kırpma ve sıfırlama filtresine göre daha düşük bir bit hata oranı vermektedir. Çeşitli anlık gürültü durumlarında, IN bileşenlerini ortadan kaldırmak ve SNR performansını en üst düzeye çıkarmak için yeni bir eşik mekanizması önerilerek tüm filtreler için optimum eşik değerleri elde edilmiştir. Sıfırlama, farklı SNR ve anlık gürültü olasılık değerlerinde mmWave sistemi için kırpmadan daha iyi spektral verimlilik elde etmiş olup tercih edilen filtre olma potansiyeline sahiptir. Tez, kırpma, sıfırlama ve hibrit filtrelerinin en uygun eşik değerleriyle kullanılması neticesinde IN’in olumsuz etkilerini azalttığını ve sistem performansını önemli ölçüde geliştirdiğini göstermektedir. Anahtar Kelimeler: beşinci nesil, milimetre dalgası, anlık gürültü, kırpma, sıfırlama, hibrit.