Capacity Enhancement of a MIMO Cognitive Radio System Using Water-Filling Strategy

Abstract

The mobile communication systems will be differentiated by higher throughput, flexibility, and large combination of services in the future. Thus, the structure and configuration of wireless networks have begun to change rapidly. In the present situation, the aim is not only to provide data communication to mobile users, but also provide significant high capacity and data rate within the same bandwidths. There are optional schemes to meet these requirements like space time coding (STC), advance antenna system (AAS), multiple inputs and multiple outputs (MIMO) systems. The MIMO systems can be used for interference reduction, spatial multiplexing and diversity. There are many algorithms for MIMO system to increase the data rate and capacity of the channels. In this thesis, we evaluate the capacity of the MIMO system using water-filling solution as well as compare it with other systems like SISO, MISO and SIMO. The strategic choice of power allocation is based on Lagrange multiplier which provides the best power allocation under the fix value of water level to the sub channels. We noted that the proper power allocation to the sub channels can cause significant improvement in capacity for high data transmission. Our simulation results, when we applied water filling strategy over (2×2) MIMO system which shows the improvement by 1.3017 bps/Hz at SNR 0 dB as well as 1.74323 bps/Hz at 15 dB with 2 kW power budget. When we apply the water filling strategy over (4×4) MIMO system with the same 2 kW power budget, it provides a significant performance in capacity by 3.8321 bps/Hz enhancement at SNR 0 dB as well as the capacity improve 5.837 bps/Hz at SNR of 15 dB. Keywords: Multiple Input Multi Output (MIMO), Water Filling, Channel Capacity, Spectral efficiency, Signal to noise ratio (SNR).

ÖZ: Mobil haberleşme sistemleri gelecekte daha yüksek çıktı, esneklik ve geniş hizmet birleşimleri ile farklılaştırılacaktır. Dolaysıyla kablosuz ağ yapıları ve yapılandırmaları hızlı bir şekilde değişmeye başlamış bulunmaktadır. Mevcut durumdaki amaç mobil kullanıcılara data haberleşme olanağını sağlamanın yanı sıra aynı bant genişliğinde önem arz eden yüksek kapasite ve veri hızı sağlamaktır. Alan Zaman Kodlama (AZK), Gelişmiş Anten Sistemi (GAS), Çoklu Giriş ve Çoklu Çıkış Sistemler (ÇGÇÇ) olmak üzere bu gereksinimleri karşılamak için alternatif planlar bulunmaktadır. ÇGÇÇ sistemleri parazitleri azaltmak, uzaysal çoğullama ve çeşitlilik için kullanılabilmektedir. Veri hızı ve kanal kapasitesini yükseltmek amacıyla ÇGÇÇ sistemleri için birçok algoritma bulunmaktadır. Bu tez çalışmasında su-doldurma çözümü kullanılarak ÇGÇÇ sisteminin kapasitesi değerlendirilmiş olup aynı zamanda Tekli Giriş Tekli Çıkış (TGTÇ), Çoklu Giriş Tekli Çıkış (ÇGTÇ) ve Tekli Giriş Çoklu Çıkış (TGÇÇ) gibi diğer sistemler ile karşılaştırılmıştır. Stratejik güç dağıtım seçimi sabit su düzey değeri altında alt kanallara en iyi güç dağıtımını gerçekleştiren Lagrange çarpanına dayanmaktadır. Alt kanallara uygun güç dağıtımının yüksek data iletimi açısından önemli ölçüde iyileştirmeye neden olabileceği saptanmıştır. 2 kW güç bütçesi ile (2x2) ÇGÇÇ sistemi üzerinde su doldurma işlemi gerçekleştirilerek elde edilen benzetim sonuçları, SNR 0dB’de 1.3017 bps/Hz ve aynı zamanda 15 dB’de 1.74323 bps/Hz düzeyinde iyileşme göstermektedir. Su doldurma stratejisi 2kW güç bütçesine sahip (4x4) ÇGÇÇ sistemi üzerinde uygulandığında kapasite açısından SNR 0dB’de 3.8321 oranında önemli ölçüde artış sağlınmış olup aynı zamanda SNR 15 dB’de 5.837 bps/Hz oranında kapasite gelişimi elde edilmiştir. Anahtar Kelimeler: Çoklu Giriş Çoklu Çıkış (ÇGÇÇ), Su Doldurma, Kanal kapasitesi, Spektral Verim, Sinyal Parazit Oranı (SPO)