Geri Dön

Yeniden ayarlanabilir akıllı yüzey destekli indis modülasyon teknikleriyle güçlendirilmiş yeni kablosuz haberleşme sistemlerinin tasarımları

Design of new wireless communication systems empowered by reconfigurable intelligent surface-supported index modulation techniques

PDF İndir

  1. Tez No: 1014174
  2. Yazar: BURAK AHMET ÖZDEN
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. ERDOĞAN AYDIN
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2026
  8. Dil: Türkçe
  9. Üniversite: İstanbul Medeniyet Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.

Özet

Teknolojinin gelişmesiyle birlikte kablosuz haberleşme sistemleri holografik haberleşme ve artırılmış gerçeklik, akıllı şehirler, otonom araçlar, gerçek zamanlı sağlık izleme sistemleri, dijital ikizler ve nesnelerin interneti gibi birçok uygulama alanına girmektedir. Buna bağlı olarak, bu uygulamaların ihtiyaç duyduğu yüksek veri hızı, düşük donanım karmaşıklığı, yüksek güvenilirlikte veri iletimi, yüksek spektral verimlilik, düşük enerji tüketimi, yüksek kapasite ve düşük gecikme gibi temel gereksinimlere olan talepler her geçen gün artmaktadır. Bu gereksinimlerin karşılanmasında, indis modülasyonu (index modulation, IM) ve yeniden ayarlanabilir akıllı yüzey (reconfigurable intelligent surface, RIS) gibi güncel kablosuz haberleşme teknolojileri ön plana çıkmaktadır. IM teknikleri geleneksel modülasyon tekniklerinden farklı olarak, verinin sadece sembolün genliğine veya fazına değil, sistemde yer alan kaynakların aktif veya pasif olma durumlarının indislerine de eşlenmesine olanak tanır. IM teknikleri, sistemde yer alan mevcut kaynakları ek bir modülasyon boyutu olarak kullanarak veri hızını ve spektral verimliliği artırırken, geleneksel tekniklere kıyasla aynı veriyi daha az aktif kaynakla iletebildiği için enerji tüketimini ve donanım karmaşıklığını minimize eder. Buna ek olarak tüm kaynaklar eş zamanlı aktif edilmediği için girişim ve gürültüye karşı sistem dayanıklılığı artmaktadır. Diğer önemli bir haberleşme teknolojisi olan RIS ise kablosuz yayılım ortamını kontrol edilebilir hale getirerek sinyal kalitesini iyileştiren yeni bir mimaridir. RIS, yüzeyinde yer alan çok sayıda yansıtıcı yüzey elemanı ile sinyallerin yönünü ve fazını değiştirerek iletim ortamını kontrol edebilir. Bu özellikleri sayesinde RIS, alınan sinyal kalitesini artırmakta, kapsama alanını genişletmekte ve girişimi azaltarak daha verimli bir kablosuz veri iletimine olanak sağlamaktadır. Dolayısıyla RIS ve IM tekniklerinin akılcı bir şekilde birleştirilmesiyle elde edilen kablosuz haberleşme sistemleri düşük enerji tüketimi, yüksek veri hızı ve düşük hata oranı gibi önemli avantajlara sahip olmaktadır. Bu bağlamda tez çalışmasında, RIS ve IM teknikleri ile güçlendirilmiş yüksek performanslı yeni kablosuz haberleşme sistemleri önerilmiştir. Bu tezde yer alan birinci çalışmada, enerji verimliliğini iyileştirmek için ortam-tabanlı modülasyon (media-based modulation, MBM) tekniğine altıgen karesel genlik modülasyonu (quadrature amplitude modulation, QAM) entegre edilerek altıgen QAM tabanlı MBM (hexagonal QAM-based MBM, HMBM) sistemi elde edilmiştir. Daha sonra HMBM sisteminin hata performansını iyileştirmek için üç farklı ayna aktivasyon örüntüsü (mirror activation pattern, MAP) seçim (MAP selection, MS) tekniği kullanılarak kapasite optimizasyonlu (capacity-optimized based MS, CMS) tabanlı HMBM (CMS-based HMBM, CMS-HMBM), MAP korelasyonlu MS (MAP correlation-based MS, MMS) tabanlı HMBM (MMS-based HMBM, MMS-HMBM), Öklid mesafesi tabanlı MS (Euclidean distance-based MS, EMS) tabanlı HMBM (EMS-based HMBM, EMS-HMBM) sistemleri önerilmiştir. Önerilen CMS-HMBM, MMS-HMBM, EMS-HMBM teknikleri geleneksel IM teknikleri ve anten seçim teknikleriyle güçlendirilmiş uzaysal modülasyon (spatial modulation, SM) sistemlerinden daha iyi hata performansına sahip oldukları gösterilmiştir. Bu tezde yer alan ikinci çalışmada, RIS, kod indis modülasyonu (code index modulation, CIM) ve alıcı uzaysal modülasyon (receive spatial modulation, RSM) teknikleri tek bir kablosuz haberleşme sistemi bünyesinde birleştirilerek RIS destekli CIM tabanlı RSM (RIS-assisted CIM-based RSM, RIS-CIM-RSM) isimli yeni bir RIS tabanlı IM (RIS-based IM, RIS-IM) sistemi önerilmiştir. Önerilen RIS-CIM-RSM sisteminin, hata performansı, enerji tasarrufu, çıktı ve veri hızı açısından literatürdeki emsal RIS-IM sistemlerinden üstün olduğu gösterilmiştir. Bu tezde yer alan üçüncü çalışmada, kapasite optimizasyonlu anten seçimi (capacity optimized antenna selection, COAS), anten korelasyonlu anten seçimi (antenna correlation based antenna selection, ACAS) ve Öklid mesafesi-optimizasyonlu anten seçimi (Euclidean distance-optimized antenna selection, EDAS) teknikleri RIS-tabanlı RSM (RIS-based RSM, RIS-RSM) tekniğine entegre edilerek COAS tabanlı RIS-RSM (COAS-based RIS-RSM, COAS-RIS-RSM), ACAS tabanlı RIS-RSM (ACAS-based RIS-RSM, ACAS-RIS-RSM) ve EDAS tabanlı RIS-RSM (EDAS-based RIS-RSM, EDAS-RIS-RSM) olmak üzere üç farklı anten seçimi ile güçlendirilmiş RIS-RSM (antenna selection-empowered RIS-RSM, AS-RIS-RSM) sistemi önerilmiştir. Önerilen AS-RIS-RSM sistemlerinin, literatürdeki emsal sistemlere kıyasla kabul edilebilir bir karmaşıklık maliyeti karşılığında daha yüksek kapasite ve daha iyi hata başarımı sağladığı gösterilmiştir. Bu tezde yer alan dördüncü çalışmada, RIS, SM ve MBM tekniklerinin çok girişli tek çıkışlı (multiple-input single-output, MISO) mimari altında birleştirilmesiyle kısaca RIS tabanlı uzaysal MBM (RIS-based spatial MBM, RIS-SMBM) adı verilen yeni bir RIS-IM sistemi önerilmiştir. Önerilen RIS-SMBM sisteminin teorik ortalama bit hata oranı (average bit error rate, ABER), kusurlu kanal durum bilgisi (channel state information, CSI), spektral verimlilik, karmaşıklık, çıktı ve enerji verimliliği analizleri yapılmış ve literatürdeki emsal RIS-IM sistemleriyle karşılaştırılmıştır. Son olarak bu tezde yer alan beşinci çalışmada ise, geleneksel MBM tekniğinin spektral verimliliğini iki katına çıkaran yüksek performanslı çift MBM (double MBM, DMBM) isimli yeni bir IM tabanlı kablosuz haberleşme tekniği önerilmiştir. Önerilen DMBM sisteminin teorik ABER, kapasite, karmaşıklık, spektral verimlilik, kusurlu CSI, enerji tasarrufu ve çıktı analizleri gerçekleştirilmiştir. Elde edilen bulgular, önerilen DMBM sisteminin daha yüksek karmaşıklık maliyeti karşılığında veri hızı, enerji verimliliği, çıktı, hata performansı ve kapasite açısından literatürdeki IM tabanlı sistemlere kıyasla daha üstün olduğunu göstermiştir. Bu çalışma Türkiye Bilimsel ve Teknolojik Araştırma Kurumu (TÜBİTAK) 2211-A Genel Yurt İçi Doktora Burs Programı kapsamında desteklenmiştir.

Özet (Çeviri)

With the advancement of technology, wireless communication systems are being used in many application areas such as holographic communications and augmented reality, smart cities, autonomous vehicles, real-time health monitoring systems, digital twins, and the Internet of Things. Accordingly, the demand for fundamental requirements such as high data rates, low hardware complexity, highly reliable data transmission, high spectral efficiency, low energy consumption, high capacity, and low latency required by these applications is increasing day by day. In meeting these requirements, contemporary wireless communication technologies such as index modulation (IM) and reconfigurable intelligent surfaces (RIS) have come to the forefront. Unlike conventional modulation techniques, IM techniques enable data to be mapped not only onto the amplitude or phase of the symbol but also onto the indices of whether the resources in the system are active or passive. IM techniques increase data rate and spectral efficiency by using the available resources in the system as an additional modulation dimension, while minimizing energy consumption and hardware complexity compared to conventional techniques, since the same data can be transmitted with fewer active resources. In addition, since all resources are not activated simultaneously, the system robustness against interference and noise increases. Another important communication technology, RIS, is a new architecture that improves signal quality by making the wireless propagation environment controllable. RIS can control the transmission environment by changing the direction and phase of signals through a large number of reflecting surface elements located on its surface. Thanks to these features, RIS increases the quality of the received signal, extends the coverage area, and enables more efficient wireless data transmission by reducing interference. Therefore, wireless communication systems obtained by reasonably combining RIS and IM techniques have significant advantages such as low energy consumption, high data rates, and low error rate. In this context, this thesis proposes new high-performance wireless communication systems enhanced with RIS and IM techniques. In the first study presented in this thesis, hexagonal quadrature amplitude modulation (QAM) was integrated into media-based modulation (MBM) to improve energy efficiency, thereby a hexagonal QAM (HQAM)-based MBM (HMBM) system was proposed. Then, to improve the error performance of the HMBM system, by using three different mirror activation pattern (MAP) selection (MS) techniques, capacity-optimized based MS (CMS), MAP correlation-based MS (MMS), and Euclidean distance-based MS (EMS), the CMS-based HMBM (CMS-HMBM), MMS-based HMBM (MMS-HMBM), and EMS-based HMBM (EMS-HMBM) systems were proposed. It has been shown that the proposed CMS-HMBM, MMS-HMBM, and EMS-HMBM techniques have better error performance than conventional IM techniques and spatial modulation (SM) systems enhanced with antenna selection techniques. In the second study presented in this thesis, RIS, code index modulation (CIM), and receive spatial modulation (RSM) techniques were combined within a single wireless communication system, and a new RIS-based IM (RIS-IM) system, namely RIS-assisted CIM-based RSM (RIS-CIM-RSM), was proposed. It has been shown that the proposed RIS-CIM-RSM system is superior to counterpart RIS-IM systems in the literature in terms of error performance, energy efficiency, throughput, and data rate. In the third study presented in this thesis, capacity-optimized antenna selection (COAS), antenna correlation-based antenna selection (ACAS), and Euclidean distance-optimized antenna selection (EDAS) techniques were integrated into RIS-based RSM (RIS-RSM), and an antenna selection-empowered RIS-RSM (AS-RIS-RSM) system with three variants, namely COAS-based RIS-RSM (COAS-RIS-RSM), ACAS-based RIS-RSM (ACAS-RIS-RSM), and EDAS-based RIS-RSM (EDAS-RIS-RSM), was proposed. It has been shown that the proposed AS-RIS-RSM systems provide higher capacity and better error performance than counterpart systems in the literature at the cost of acceptable complexity. In the fourth study presented in this thesis, by combining RIS, SM, and MBM techniques under a multiple-input single-output (MISO) architecture, a new RIS-IM system, namely RIS-based spatial MBM (RIS-SMBM), was proposed. The theoretical average bit error rate (ABER), imperfect channel state information (CSI), spectral efficiency, complexity, throughput, and energy efficiency analyses of the proposed RIS-SMBM system were conducted and compared with counterpart RIS-IM systems in the literature. Finally, in the fifth study presented in this thesis, a new IM-based wireless communication technique, namely double MBM (DMBM), which doubles the spectral efficiency of conventional MBM, was proposed. The theoretical ABER, capacity, complexity, spectral efficiency, imperfect CSI, energy efficiency, and throughput analyses of the proposed DMBM system were conducted. The obtained findings have shown that the proposed DMBM system is superior to IM-based systems in the literature in terms of data rate, energy efficiency, throughput, error performance, and capacity at the cost of higher complexity. This study was supported by The Scientific and Technological Research Council of Türkiye (TÜBİTAK) 2211-A National PhD Scholarship Programme.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    795009

    Reconfigurable intelligent surface-based novel transceiver architectures and multiple access

    Başlık çevirisi yok

    AYMEN KHALEEL

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKoç Üniversitesi

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ERTUĞRUL BAŞAR

  2. Tez No

    868599

    Reconfigurable intelligent surface-centric communication networks: A comprehensive exploration of channel modeling and coverage extension

    Yeniden yapılandırılabilir akıllı yüzey odaklı iletişim ağları: Kanal modellemesi ve kapsama alanı genişletmesine kapsamlı bir bakış

    İBRAHİM YILDIRIM

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKoç Üniversitesi

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ERTUĞRUL BAŞAR

  3. Tez No

    987035

    Development of coordination polymer and/or nanocrystal based smart materials as sensor and micropollutant removal agent

    Koordinasyon polimer ve/veya nanokristal tabanlı akıllı malzemelerin sensör ve mikro kirletici giderme ajanı olarak geliştirilmesi

    NİDA ÜK

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2025

    Kimyaİstanbul Teknik Üniversitesi

    Polimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. CANER ÜNLÜ

  4. Tez No

    947287

    Fabrication and application of electrospun nanofiber membranes in hybrid anaerobic–gravity driven membrane treatment system

    Elektrospun nanolif membranların üretimi ve hibrit anaerobik-yerçekimi sürücülü membran arıtma sisteminde uygulanması

    MUSTAFA NAWZAD TAHER TAHER

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2025

    Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. DERYA YÜKSEL İMER

    PROF. DR. FRANK LİPNİZKİ

  5. Tez No

    842232

    RSS based indoor localization in a reconfigurable intelligent surface assisted system

    Yeniden yapılandırılabilir akıllı yüzey destekli sistemde RSS tabanlı iç mekan konumlandırma

    KÜBRA KİBAR DOĞAN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiGazi Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ ÖZGÜR ERGÜL

Geri Dön