Geri Dön

Çok-girişli çok-çıkışlı telsiz iletişim sistemleri için özgün dik uzaysal modülasyon teknikleri

Novel quadrature spatial modulation techniques for multiple input multiple-output wireless communication systems

PDF İndir

  1. Tez No: 467179
  2. Yazar: ZEHRA YİĞİT
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. ERTUĞRUL BAŞAR
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Mühendislik Bilimleri, Engineering Sciences
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2017
  8. Dil: Türkçe
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Telekomünikasyon Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 81

Özet

Uzaysal modülasyon (spatial modulation (SM)), ilk kez bilgi simgelerinin yanı sıra, anten indislerini de bilgi taşımada kullanarak, literatürdeki geleneksel çok-girişli çok-çıkışlı (multiple-input multiple-output (MIMO)) iletim tekniklerine farklı bir boyut kazandırmıştır. Geleneksel MIMO iletim tekniklerine kıyasla SM'in enerji verimliliği sağlayan düşük karmaşıklıklı yapısı, araştırmacıların dikkatini çekmiş ve bu sayede, SM alanında yapılan birçok araştırma literatüre kazandırılmıştır. Bu çalışmada ilk olarak, yüksek hızlı genelleştirilmiş uzaysal modülasyon (high-rate generalised spatial modulation (HR-GSM)) sistemi önerilmiştir. HR-GSM tekniğinde, iki bilgi simgesi, birbirinden bağımsız olarak belirlenen etkin antenler üzerinden iletilmektedir. HR-GSM sisteminde, alıcıda simgelerin ayırt edilebilmesi için simgelerden biri, belirlenen etkin anteni üzerinden doğrudan iletilirken, diğer simge, ait olduğu M'li faz kaydırmalı anahtarlama (phase shift keying (PSK)) veya dik genlik modülasyonlu (quadrature amplitude modulation (QAM)) işaret kümesi için belirlenen optimum döndürme açısı kadar döndürülerek, kendisi için belirlenen etkin verici anteni üzerinden iletilmektedir. HR-GSM sisteminin, ikili PSK (BPSK), 4-QAM ve 8-QAM işaret kümeleri için optimum döndürme açıları belirlenerek, bu modülasyonlar için ortalama bit hata olasılığı (average bit error probability (ABEP)) kuramsal olarak elde edilmiş ve bu sonuçların bilgisayar benzetim sonuçları ile uyum içerisinde olduğu gösterilmiştir. Ayrıca, HR-GSM sisteminin BER başarımı, farklı işaret kümeleri ve MIMO yapıları için aynı bant verimliliği altında, klasik SM, dik uzaysal modülasyon (quadrature spatial modulation (QSM)), genelleştirilmişSM (generalised spatial modulation (GSM)) ve gelişmiş SM (enhanced spatial modulation (ESM)) teknikleri ile karşılaştırılmıştır. Bu bilgisayar benzetimleri sonucunda, HR-GSM sisteminin, literatürde var olan referans yapılara göre daha iyi hata başarımı sergilediği gösterilmektedir. İkinci olarak, M-QAM işaret kümesine ait karmaşık bilgi simgesinin gerçek ve sanal kısımlarını, birbirinden bağımsız olarak belirlenen etkin antenler üzerinden ileten QSM sistemi için, alıcıda optimum hata ba¸sarımı sağlayan, en büyük olabilirlikli (maximum likelihood (ML)) kod çözme tekniğinin sezim karmaşıklığını düşüren, seyrek vektörlerin kestiriminde sıkça kullanılan, sıkıştırılmış algılama (compressive sensing (CS)) tabanlı düşük karmaşıklıklı optimum olmayan bir alıcı tasarlanmıştır. Buna göre, alınan QSM işaret vektörü bir karesel eniyileme problemi şekline dönüştürülmekte ve iletilen karmaşık bilgi simgesinin gerçek ve sanal kısımlarına ilişkin en olası etkin anten indisleri belirlenmektedir. Daha sonra, bu olası etkin antenlere ilişkin oluşturulan QSM iletim vektörleri üzerinden, bir ML benzeri sezim algoritması yardımı ile karmaşık bilgi simgesi ve bu simgenin gerçek ve sanal kısımlarına ilişkin etkin anten indislerine karar verilmektedir. Önerilen bu alıcı yapısının, özellikle büyük ölçekli QSM sistemleri için, alıcıdaki sezim karma¸sıklığını önemli oranda düşürerek, optimuma yakın bir hata başarımı sergilediği kapsamlı bilgisayar benzetimleri ile gösterilmiştir. Üçüncü olarak, uzay-zaman blok kodlama (space-time blok coding (STBC)) ve QSM teknikleri bir araya getirilerek, QSM sistemine ikinci dereceden çe¸sitleme (diversity) kazancı sağlayan uzay-zaman kodlu QSM (space-time coded QSM (ST-QSM)) sistemi önerilmiştir. ST-QSM sisteminde, toplam verici anten kümesi, iki alt gruba ayrılmakta ve iki bağımsız M-QAM bilgi simgesinin gerçek ve sanal kısımları, QSM yaklaşımı ile bu anten gruplarına ait birbirinden bağımsız etkin antenler üzerinden iletilmektedir. ST-QSM sisteminde, alt grupların anten sayıları göz önünde bulundurularak, her bir gruba ayrı ayrı, Alamouti, ABBA veya 8-antenli STBC teknikleri uygulanmaktadır. ST-QSM sisteminin, hata analizi yapılarak kuramsal olarak elde edilen ABEP ba¸sarımı, bilgisayar benzetimleri ile de desteklenmiştir. Ayrıca, farklı bant verimlilikleri ve MIMO yapıları için ST-QSM sistemi, uzay-zaman kodlu SM (space-time coded spatial modulation (STBC-SM)), Alamouti STBC ve QSM sistemleri ile karşılaştırılmıştır. ST-QSM sisteminin referans yapılara oranla daha iyi hata başarımı sergilediği kapsamlı bilgisayar benzetimleri ile gösterilmiştir. Bu tez kapsamında son olarak, iki kullanıcının QSM iletim tekniği kullanarak, yarı çift-yönlü (half-duplex) bir röle yardımı ile haberleşmesini sağlayan iki-yönlü QSM (two-way QSM) sistemi önerilmiştir. Buna göre, birinci zaman diliminde, e¸sit hızlı iki kullanıcı, bilgilerini, QSM iletim tekniği ile yarı çift-yönlü bir röleye iletmektedir. İkinci zaman diliminde ise iki kullanıcıdan röleye gelen bilgiler ortak olarak çözüldükten sonra bit düzeyinde XOR (ayrıcalıklı veya) işlemi uygulanarak, QSM iletim tekniği ile kullanıcılara gönderilmektedir. Her kullanıcı, röleden gönderilen bilgi ile kendi bilgisine XOR işlemi uygulayarak diğer kullanıcının bilgisine ulaşmaktadır. QSM sistemi için tasarlanan sistem, aynı şekilde referans bir yapı olabilmesi açısından SM sistemi için de gerçeklenmiştir. İki-yönlü QSM ve SM sistemlerinin kuramsal hata analizi yapılarak ABEP başarımı elde edilmiştir. Ayrıca farklı bant verimlilikleri ve MIMO yapıları için iki-yönlü QSM ve iki-yönlü SM sistemlerinin hata başarımları karşılaştırılmıştır.

Özet (Çeviri)

Compared with single-input single-output (SISO) transmission, multiple-input multiple-output (MIMO) techniques have made a breakthrough in terms of the capacity and reliability of the wireless communication systems. The growing demand for high data rates has led researchers to develop new transmission techniques such as spatial multiplexing (SMX) and space-time block coding (STBC) in order to obtain multiplexing and diversity gains, respectively. In traditional SMX techniques, as all antennas are used for transmission at the same time, the increase in the number of transmit antennas, linearly increases the spectral efficiency of the system; however this also exponentially increases the complexity of the optimum decoder. In order to reduce the receiver complexity, suboptimal decoders have been widely considered at the receiver of the SMX systems, which exhibit significant reduction in the error performance of the system. Spatial modulation (SM), has become one of the most popular transmission techniques in the past decade. In SM technique, unlike traditional SMX techniques, only one of the transmit antennas is activated and the information is transmitted through this active antenna to avoid inter-channel interference (ICI) at the receiver. Its attractive advantages such as low cost and energy efficiency, make SM an alternative transmission technique for 5G and beyond wireless networks. Quadrature spatial modulation (QSM) is one of the most recent SM-based schemes, in which a complexM-ary quadrature amplitude modulation (QAM) symbol is expanded into its real and imaginary components and independently transmitted through their corresponding active antennas. In this study, first, high-rate generalised spatial modulation (HR-GSM) scheme is proposed. In HR-GSM, two M-QAM data symbols are independently transmitted through their corresponding active transmit antennas using classical SM transmission approach. In the proposed system, while one of the data symbols is directly transmitted through its corresponding active transmit antenna, the other one is rotated with an angle, which is optimized for the correspondingM-QAM signal constellation, in order to distinguish the transmitted signals at the receiver. In the HR-GSM scheme, the rotation angle for the second M-QAM data symbol is determined by performing an exhaustive search between 0o 􀀀180o at a certain signal to noise ratio (SNR) value. The angle, which provides the best error performance, is determined as the optimum rotation angle of its corresponding M-QAM signal constellations. Through computer simulations, the optimum rotation angle  for BPSK, 4-QAM and 8-QAM signal constellations, is determined as 90o, 45o and 60o, respectively. In this study, the error performance of the HR-GSM system is analysed as well as the average bit error probability (ABEP) of the system is obtained theoretically and supported via Monte Carlo simulations for differentM-QAM constellations. Moreover, for different spectral efficiencies and MIMO configurations, the HR-GSM scheme is compared with classical SM, QSM, generalised SM (GSM) and enhanced SM (ESM) transmission schemes. Simulation results show the superior error performance of the HR-GSM scheme over the reference transmission structures in the literature. Second, since the receiver complexity of the optimum QSM detector grows quadratically as the number of transmit antennas is increased, to reduce the optimum detection complexity of the large scale QSM systems, a compressive sensing (CS) based, low complexity detector is proposed. In the proposed detector, CS technique has been used for the signal reconstruction of the QSM transmission vector due to its sparsity property, which has one or two non-zero elements. In this work, for large scale QSM systems, the reconstruction of received signals has been regarded as a quadratic optimization problem and resolved by using computer software. Then, the most probable active antenna set and their corresponding transmission patterns are determined. After all, a maximum likelihood (ML) type detector determines the complexM-ary constellation symbol and the corresponding active antennas of the real and imaginary parts of the data symbol by performing a search over these transmission patterns and M-ary constellation. This algorithm has been also applied to zero forcing (ZF) detector. For different MIMO configurations, spectral efficiency values and active antenna sets, the BER performance of the ML, QP and ZF detectors are compared. The computer simulation results show that the low-complexity QP algorithm has achieved a near-ML performance by significantly reducing receiver complexity. Third, a system called space-time QSM (ST-QSM), which achieves a second order transmit diversity gain by combining the QSM system with different STBC transmission principles, is proposed. In ST-QSM system, the total group of transmit antennas is subdivided into two groups each of which has a number of transmit antennas that is an integer power of two. In the first time slot, using QSM approach, two complex M-QAM data symbols are decomposed into their in-phase and quadrature components and independently transmitted through their corresponding active antennas belonging to these two antenna groups. In the second time slot, Alamouti, ABBA or 8-antenna STBC principle is applied to each group depending on the number of transmit antennas in each of them. In this work, ST-QSM system is designed for MIMO schemes with 4, 6, 8 and 16 transmit antennas. As an upper bound, the ABEP of the ST-QSM system, for different MIMO configurations and spectral efficiency values, is theoretically derived and supported via Monte Carlo simulations. Furthermore, at the same spectral efficiency values, the ST-QSM scheme is compared with the space-time block coded SM (STBC-SM), Alamouti STBC and QSM schemes. It is observed that ST-QSM scheme shows better BER performance than the reference MIMO transmission structures. Finally, a new cooperative relaying protocol for the QSM scheme, which is called two-way QSM, is proposed. In the proposed system, two users exchange their data with each other via a half-duplex relay that receives or transmits data at one time slot. In the first time slot, using QSM transmission principle, the users at the same rate transmit their-own data to the relay. In the second time slot, by applying bit-wise exclusive OR (XOR) operation to the detected transmission vectors of the users, a new QSM transmission vector is constructed and retransmitted to the users. After detection processes, by applying bit-wise XOR operation to its own data and the detected data transmitted by the relay, each user extracts the data of the other user. Also, the proposed system has been applied for the classical SM transmission principle, as two-way SM scheme. The pairwise error probability of the proposed two-way QSM and SM systems are determined, then the upper bound on the ABEP of the systems derived analytically and through computer simulations. Also, via Monte Carlo simulations, BER performance of two-way QSM and two-way SM schemes have been obtained for different MIMO schemes and spectral efficiency values.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    554338

    Ortam-tabanlı modülasyonlu özgün sistem tasarımları

    Novel system design with media-based modulation

    İBRAHİM YILDIRIM

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. İBRAHİM ALTUNBAŞ

    DOÇ. ERTUĞRUL BAŞAR

  2. Tez No

    653865

    Optimizing the performance of visible light communication system with angular diversity

    Görünür ışık haberleşmesinde açısal çeşitleme ile sistem performansının en iyilenmesi

    AAMIR ULLAH KHAN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2020

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolKocaeli Üniversitesi

    Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. SULTAN ALDIRMAZ ÇOLAK

  3. Tez No

    451153

    Design of vehicular communication systems employing physical layer network coding over cascaded fading channels

    Kaskad sönümlemeli kanallarda fiziksel katman ağ kodlama yapan araçlar arası haberleşme sistemlerinin tasarımı

    SERDAR ÖZGÜR ATA

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2017

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. İBRAHİM ALTUNBAŞ

  4. Tez No

    739804

    Anten seçimli ağ kodlamalı işbirlikli MIMO sistemlerin Rician sönümlemeli kanallardaki performansı

    Performance of network-coded cooperative MIMO systems with antenna selection over Rician fading channels

    BURAK DUMAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKonya Teknik Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ÖZGÜR ÖZDEMİR

  5. Tez No

    252203

    OFDM modülasyonu kullanan çok-girişli çok-çıkışlı telsiz iletişim sistemleri için yüksek başarımlı kodlama teknikleri

    High performance coding techniques for mimo wireless communication systems using OFDM modulation

    KENAN AKSOY

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2008

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ÜMİT AYGÖLÜ

Geri Dön