Geri Dön

Design and implementation of beyond 5g physical layer schemes

5g sonrası fiziksel katman şemalarının tasarımı ve gerçeklemesi

PDF İndir

  1. Tez No: 555460
  2. Yazar: CANER GÖZTEPE
  3. Danışmanlar: PROF. DR. GÜNEŞ ZEYNEP KARABULUT KURT
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2019
  8. Dil: İngilizce
  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: 116

Özet

Haberleşme sistemlerinin önemli bir bölümünü oluşturan kablosuz haberleşme ve özellikle mobil haberleşme teknolojileri, gün geçtikçe daha fazla kullanım alanına ulaşmaktadırlar. Mobil haberleşme teknolojilerinin çokça kullanımı, yeni teknoloji araştırmalarının da bu alana yoğunlaşmasını sağlamaktadır. Günümüzde kullanılan en son mobil haberleşme teknolojileri olan 4. nesil (4G) haberleşme sistemleri, gelecekteki kullanıcı beklentilerini karşılayamamakta ve bu nedenle yeni teknolojilerin araştırılmasına ve geliştirilmesine devam edilmektedir. 4G sonrası için, 5. nesil (5G) haberleşme sistemleri üzerine oldukça farklı perspektiflerden araştırmalar yapılmaktadır. 2020 yılında netleşmesi beklenen 5G'nin araştırma alanlarının önemli bir bölümünü, enerji verimliliğinin ve spektrum verimliliğinin arttırılması oluşturmaktadır. Enerji verimliliği ve spektrum verimliliğinin en çok elde edilebileceği katman olan fiziksel katmanda, farklı dalga formları ve farklı çoklu erişim teknikleri 5G için değerlendirilmektedir. 4G'de, kullanılan dalga formu genel olarak cyclic prefix orthogonal frequency division multiplexing (CP-OFDM) ve çoklu erişim tekniği orthogonal frequency division multiple access (OFDMA)'dır. Fiziksel katman 5G araştırmalarının en önemli konuları, bu tekniklerin kullanıcı beklentilerini karşılayabilmek amacıyla geliştirilmesi ya da değiştirilmesidir. 5G araştırmalarının çoğunluğu itibariyle benzetim ortamında yapılması, son kullanıcıya ulaşmasının ilk aşamasıdır. Geliştirilen yeni teknikler, benzetim ortamında çok fazla varsayım altında değerlendirilmektedir. Bu durum da teknolojilerin gerçek hayata ne kadar hızlı uyum sağlayabileceğinin önünde bir engel teşkil etmektedir. Benzetim ortamında elde edilen sonuçların gerçek hayatta birebir olması imkânsızdır. Bu nedenle benzetim sonrasında geliştirilen yeni teknolojilerin çok hızlı bir şekilde gerçek zamanda test edilmesi ve çalışabilir olduğunun gösterilmesi gerekmektedir. Bu amaçla, sıklıkla, SDR teknolojileri 5G araştırmalarında kullanılmaktadır. SDR'lar ile temel bantta tasarlanan herhangi bir sistem, kolaylıkla gerçek zamanda kullanılabilmektedir. Bunun sonucu olarak, geliştirilen yeni yöntemlerin çok daha hızlı bir şekilde haberleşme sistemlerine dâhil olması sağlanabilmektedir. 5G araştırmalarının sonuna gelindiği günümüzde, 5G sonrası için de yeni araştırmalara başlanmıştır. Tez boyunca da beyond 5G (B5G) olarak adlandırılacak bu çalışmalar, 5G'nin çok daha ilerisindeki ihtiyaçların karşılanması amacıyla yapılmaktadır. Bu tez kapsamında, spektrum verimliliği ve enerji verimliliği amacıyla belirlenen fiziksel katmandaki farklı dalga formları ve çoklu erişim teknikleri hem benzetim ortamında hem de gerçek zaman test ortamında farklı perspektiflerden araştırılmıştır. Bu tez kapsamında incelenen teknikler, takip eden bölümlerde detaylandırılmaktadır. Bu tez kapsamında yapılan çalışmalar ile ilgili genel bir bilgilendirme ve tezin literatüre katkıları Birinci Bölümde anlatılmaktadır. İkinci Bölümde yazılım tabanlı radyolar ve tez süresince kullanılan ekipmanlar ile ilgili açıklamalar bulunmaktadır. Yazılım tabanlı radyolar, haberleşme sistemlerinin gerçekleştirilmesinde hem zaman hem de maliyet açısından oldukça verimli cihazlardır. Bu nedenle, tez aşamasında gerçekleştirilen tüm çalışmalarda SDR'lar da kullanılmıştır. SDR teknolojisi hakkında özet bir bilgi ve kullanılan SDR donanımları detaylı bir şekilde bölüm 2'de verilmektedir. Çoklu erişim tekniklerinden NOMA, Üçüncü Bölümde değerlendirilmektedir. Aynı zaman diliminde, aynı frekans bandını birden fazla kullanıcıya hizmet verecek şekilde kullanabilen NOMA, kullanıcı sayısındaki artış için iyi bir çözüm olmakla birlikte spektrum verimliliği bakımından da oldukça etkili bir yöntemdir. Bu tez kapsamında, güç bölgesinde oluşturulan röleli NOMA sistemi literatürde ilk kez gerçek zaman test ortamında incelenmiştir. Tasarlanan test ortamında, NOMA'nın rölesiz ve röleli başarımları, hem benzetim hem de gerçek zaman test ortamında değerlendirilmiştir. Röle kullanımının artıları ve eksikleri çalışma kapsamında açıklanmaktadır. Dördüncü Bölümde, çok taşıyıcı dalga formlarından UF-OFDM, CP-OFDM'nin bazı eksikliklerini gidermek amacıyla önerilmektedir. UF-OFDM (ya da UFMC), CP-OFDM'nin olumsuz özelliklerinden olan senkronizasyon problemlerini ve spektrum verimliliğini azaltan, yan bant taşmalarını gidermek amacıyla önerilen başarılı bir dalga formudur. UF-OFDM, filtreleme yardımıyla, CP-OFDM'yi daha kararlı hale getirmektedir. UF-OFDM, literatürde önerilen filtreleme uygulamalarından FBMC ya da GFDM tekniklerine göre benzer performanslara sahip olmakla birlikte gerçeklemesi çok daha kolay bir yöntemdir. Ayrıca, UF-OFDM ve CP-OFDM sistemleri birbirine oldukça benzer olduğundan, UF-OFDM'nin kullanılan sistemlere uyumunda kolaylık sağlanabilecektir. Tez kapsamında gerçekleştirilen çalışmalarda, CP-OFDM'nin yan bantlarından dolayı kullanılması zorunlu olan koruma bandına, UF-OFDM kullanıldığı durumda gerek olmadığı gösterilmiştir. Hem benzetim ortamında hem gerçek zaman test ortamında gerçekleştirilen çalışmalarda SISO ve SIMO haberleşme sistemlerinde CP-OFDM ve UF-OFDM karşılaştırılmıştır. Oluşturulan senaryoda, CP-OFDM'nin kesinlikle koruma bandına ihtiyacı olduğu gösterilmiştir. UF-OFDM'nin ise koruma bandı ihtiyacının CP-OFDM'ye göre çok daha az olduğu ve böylelikle spektrum verimliliği sağlayabileceği belirlenmiştir. Tek taşıyıcılı dalga formu kullanan SM ve GSM sırasıyla Beşinci ve Altıncı Bölümlerde incelenmektedir. Uzaysal modülasyon, tek taşıyıcılı modülasyon şeması kullanan ve hem spektrum hem de enerji verimliliği bakımından oldukça ön planda bulunan bir modülasyon tekniğidir. Uzaysal modülasyonda, vericide donanımsal olarak tek bir RF zinciri kullanılmaktadır. Anten sayısına bağlı olarak farklı anten indislerinin bilgi bitlerine karşı düşürülmesi sonucu aynı kanaldan, daha fazla bit gönderilebilmektedir. Bu iki durum, SM'nin enerji ve spektrum verimliliğinde oldukça verimli olmasını sağlamaktadır. Tez kapsamında gerçekleştirilen çalışmalarda, SM tekniği, literatürde ilk kez, 16x4 antenli masif MIMO sisteminde gerçeklenmiştir. Hata performansını iyileştirmek amacıyla optimum yöntem olan EDAS, hem benzetim ortamında hem de gerçek zaman test ortamında uygulanarak hata başarımı üzerine etkisi belirlenmiştir. Tez kapsamında, makine öğrenmesi algoritmalarından k-NN yöntemi, haberleşme sistemlerinde kullanılan EDAS yerine önerilmiştir. Performans bakımından EDAS ile k-NN, benzetim ortamında ve gerçek zaman test ortamında karşılaştırılmıştır. Gerçek zamanda, k-NN yönteminin hata performansı bakımından daha iyi sonuç verdiği gösterilmiştir. Genelleştirilmiş uzaysal modülasyon, uzaysal modülasyon şemasından farklı olarak vericide birden fazla RF zincir içermektedir. Bu nedenle, kullanılan her farklı anten kombinasyonunun, farklı indis bitlerine karşı düşürülmesi sonucu, çoğu durumda SM'den daha fazla bilgi biti gönderilebilmektedir. Tez kapsamında gerçekleştirilen çalışmalarda, literatürde ilk kez GSM sistem gerçeklemesi yapılmıştır. Bu amaçla, 16x4 antenli MIMO bir sistem tasarımı gerçekleştirilmiştir. Vericide iki farklı anten aynı anda kullanılarak, GSM sisteminin başarımı değerlendirilmiştir. Hata performansını iyileştirmek amacıyla önerilen optimum yöntem olan EDAS, hem benzetim hem de gerçek zaman test ortamında perfect ve Imperfect CSI altında araştırılmıştır. Imperfect CSI durumunda, istenilen başarımı sağlayamayan EDAS yerine makine öğrenmesi algoritmalarından decision tree (DT) ve Multi-Layer Perceptrons (MLP) önerilmiştir. Literatürde ilk kez, önerilen makine öğrenmesi algoritmaları gerçek zamanlı olarak, gerçek zaman test sisteminde kullanılmıştır. Elde edilen sonuçlara göre önerilen algoritmalar, imperfect CSI altında EDAS'tan daha başarılı hata performansları göstermişlerdir. Son olarak, Yedinci Bölüm'de, tez ile ilgili genel bilgiler ve sonuçlar değerlendirilmektedir. Bu tez sonrası ile ilgili bazı tavsiyeler sunulmaktadır.

Özet (Çeviri)

Wireless communication technologies, especially mobile communication technologies which constitute an important part of communication systems reach more and more usage areas. The wide use of mobile communication technologies enables new technology researches to focus on this field. Fourth generation (4G) communication systems which are the latest mobile communication technologies used today, cannot meet the expectations of future users. Therefore, research and development of new technologies continues. For 4G and beyond, researches on the fifth generation (5G) communication systems from different perspectives are made. An important part of the research areas of 5G, which is expected to be clarified in 2020, is the improvement of energy efficiency and spectral efficiency. Different wave-forms and different multiple access techniques are evaluated for 5G in the physical layer where energy efficiency and spectral efficiency can be achieved most. The waveform used in 4G is generally cyclic prefix orthogonal frequency division multiplexing (CP-OFDM) and the multiple access technique used is orthogonal frequency division multiple access (OFDMA). The most important aspects of 5G physical layer research are the development or modification of these techniques to meet user expectations. The majority of the 5G researches are done in the simulation environment and this is the first step to reach the end user. The new techniques developed are evaluated under a lot of assumptions in the simulation environment. This situation creates an obstacle in front of how fast technologies can adapt to real life. It is impossible for the results obtained in the simulation environment to be exactly the same in real life. Therefore, new technologies developed after simulation must be tested very quickly in real time and must be shown that they can work. For this purpose, software defined radios (SDR) technologies are often used in 5G research. Any system designed in the base band with SDR, can be used easily in real time. As a result of this, new methods can be incorporated into communication systems much faster. Today where we came to the end of 5G researches, new researches have been started for beyond 5G (B5G). These studies, which will be named B5G throughout the thesis, are carried out to meet the needs of beyond 5G and much more. In the scope this thesis, CP-OFDM and universal filtered orthogonal frequency division multiplexing (UF-OFDM) as different wave-forms, spatial modulation (SM) and generalized spatial modulation (GSM) as different modulation schemes and non-orthogonal multiple access (NOMA) as multiple access technique in the physical layer determined for spectral and energy efficiency were examined from different perspectives in both simulation environment and real time test environment. General information about the studies carried out within the scope of this thesis and the contributions of the thesis to the literature are explained in Chapter 1. In Chapter 2, there are explanations about Software Defined Radios and equipment used during the thesis. Software Defined Radios are highly efficient devices in terms of both time and cost in the implementation of communication systems. Therefore, SDR is used in all studies conducted during the thesis phase. An overview of the SDR technology and the SDR equipment used is given in Chapter 2 in detail. One of the multiple access techniques, NOMA is evaluated in Chapter 3. NOMA can use the same frequency band to serve multiple users in the same time frame. This is a good solution to the increase the number of users and also it is a very effective method in terms of spectrum efficiency. Within the scope of this thesis, NOMA system with the relay in the power zone was first examined in the real time test environment in the literature. NOMA's with and without relay performances have been evaluated in both simulation and real time testing environment in the created test environment. The pros and cons of the use of the relay are described in the study. In Chapter 4, one of the multi-carrier wave-forms, UF-OFDM is recommended to eliminate some of the deficiencies of CP-OFDM. UF-OFDM (also known as UFMC) reduces synchronization problems, which are negative features of CP-OFDM, and reduces the spectral efficiency. It is a successful waveform recommended to eliminate side-band overflows. UF-OFDM makes CP-OFDM more stable with the help of filtering. UF-OFDM has similar performances according to filter bank multicarrier (FBMC) or generalized frequency division multiplexing (GFDM) techniques, which are recommended in the literature and it is a much easier method to implement together. Besides, as UF-OFDM and CP-OFDM systems are very similar to each other, convenience can be provided for UF-OFDM's compliance with the systems used. In the studies conducted within the scope of the thesis, it has been shown that when UF-OFDM is used, no need for protection band which is mandatory to use due to CP-OFDM's side bands. In the studies conducted in both simulation environment and real time testing environment, CP-OFDM and UF-OFDM were compared in single input single output (SISO) and single input multiple output (SIMO) communication systems. In the generated scenario, it has been shown that CP-OFDM definitely needs protection band. It was determined that UF-OFDM's protection band need is much less than CP-OFDM and thus it can provide spectral efficiency. SM and GSM using single-carrier waveforms are examined in chapters 5 and 6, respectively. Spatial modulation is a modulation technique that uses a single-carrier modulation scheme and is highly prominent in both spectral and energy efficiency. In spatial modulation, a single RF chain is used as hardware on the transmitter. As a result of reducing the number of antenna index against information bits depending on the number of antennas, more bits can be sent from the same channel. These two conditions make SM very efficient in energy and spectral efficiency. In the studies conducted within the scope of the thesis, SM technique was performed for the first time in the literature in the massive multiple input multiple output (MIMO) system with 16x4 antenna. In order to improve the error performance, the optimum method, EDAS, was applied in both simulation environment and real time test environment and its effect on error performance was determined. Within the scope of the thesis, k nearest neighborhood (k-NN) method, which is one of the machine learning algorithms, is suggested instead of Euclidean distance antenna selection (EDAS) used in communication systems. EDAS and k-NN were compared in simulation environment and real time test environment in terms of performance. It has been observed that k-NN method gives better results in terms of error performance in real time. Unlike the spatial modulation scheme, generalized spatial modulation contains more than one RF chain on the transmitter. Therefore, as a result of reduction of each different antenna combination being used against different index bits, in most cases more information bits can be sent from SM. In the studies conducted within the scope of the thesis, the GSM system was realized the first time in the literature. For this purpose, a MIMO system creation with 16x4 antenna was realized. The performance of GSM system was evaluated by using two different antennas at the same time in the transmitter. In order to improve the error performance, the recommended optimum method, EDAS, was examined in both the simulation and real time testing environment under perfect and imperfect channel state information (CSI). In case of imperfect CSI, one of the machine learning algorithms, decision tree (DT) and multi-layer perceptrons (MLP) have been suggested instead of EDAS, which cannot achieve the desired performance. For the first time in the literature, the recommended machine learning algorithms were used in real time testing system as with real time. According to the results, the recommended algorithms showed more successful error performance than EDAS under imperfect CSI. %Receive-SM, unlike the general spatial modulation schemes, identifies indice bits by antenna used in receiver not in the transmitter and thus provides spectral and energy efficiency. As a result of the precoding process used in the transmitter, receive only the desired antenna data in the receiver and other antennas receive only noise. Thus, the receiver does not need to know the channel. RSM was firstly implemented in the literature within the scope of this thesis. As a result of the use of Precoding, the performance of RSM which has a successful performance, in 16x4 antennas testing system is shown both in a simulation environment and in a real time test environment. In an environment where the channel information is obtained from the receiver with time division duplex (TDD), it is evaluated on different parameters that RSM is a very good method. Finally, in Chapter 7, the general information and results of the thesis are evaluated. Some recommendations are presented.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    802692

    From media-based modulation to reconfigurable intelligent surfaces: Novel index modulation solutions

    Ortam-tabanlı modülasyon'dan uyarlanabilir akıllı yüzeylere: Özgün indis modülasyon çözümleri

    ZEHRA YİĞİT

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ERTUĞRUL BAŞAR

    PROF. DR. İBRAHİM ALTUNBAŞ

  2. Tez No

    519408

    Advanced cross-layer secure communication designs for future wireless systems

    Geleceğin kablosuz sistemlerinde katmanlar arası ileri güvenli haberleşme tasarımları

    JEHAD MAHMOUD AMIN HAMAMREH

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2018

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Medipol Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HÜSEYİN ARSLAN

  3. Tez No

    893101

    Physical layer techniques for 5G and beyond wireless systems

    5G ve ötesi kablosuz sistemler için fiziksel katman teknikleri

    ABUU BAKARI KIHERO

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    İletişim Bilimleriİstanbul Medipol Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği ve Siber Sistemler Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HÜSEYİN ARSLAN

  4. 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

  5. Tez No

    746999

    Design and implementation of DWDM based rof system for 5G communication networks

    Başlık çevirisi yok

    ABDULLAH ALMETWALI

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiAltınbaş Üniversitesi

    Elektrik ve Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. OĞUZ BAYAT

Geri Dön