Channel estimation for spatial media-based modulation
Uzaysal ortam-tabanlı modülasyon için kanal kestirimi
- Tez No: 677045
- Danışmanlar: PROF. DR. HAKAN ALİ ÇIRPAN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2021
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Telekomünikasyon Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 73
Özet
5G ve 6G gibi gelecek nesil kablosuz haberleşme sistemlerinin ufukta görünmesi ile beraber, yüksek miktarda bilgiyi kayda değer hızlarda, göreceli olarak daha sınırlı bant kullanımıyla, güvenilir ve performans ölçütlerine uygun bir şekilde iletebilecek modülasyon şemalarına duyulan ihtiyaç her zamankinden daha yüksek seviyededir. Dünyanın her tarafından araştırmacılar özenli bir şekilde bu ihtiyaçlara cevap verecek yeni haberleşme metotları üzerine araştırma yapmaya devam etmektedir. Son zamanlarda önerilen ve şu an için kullanımda olan haberleşme sistemlerinin ise büyük bölümü çok-girişli çok-çıkışlı (multiple-input multiple-output, MIMO) yapıya sahiptir. Önerilen ve sağladığı birçok pozitif yönleri ile dikkatleri üzerine çekmeyi başaran haberleşme sistemlerinden birisi de indis modülasyonudur (index modulation, IM). IM haberleşme şemalarında, verici tarafındaki indeksleme sayesinde fazladan bilgi biti taşınması mümkündür. Bu yapılan indeksleme, sembollerin genlik, frekans, faz gibi özelliklerini değiştirmekten ziyade, seçilen verici antenin değiştrilmesi, anten yakınındaki yansıtıcı yüzeylerin tekrar ayarlanması gibi verici tarafında çeşitli yapısal farklılıkların sisteme yansıtılması manasına gelmektedir. IM haberleşme sistemleri, kanala yük bindirmeden daha fazla bilgi bitinin iletimine olanak sağladıkları için, gelecek nesil haberleşme sistemlerinden beklenen, yüksek hızlarda bilgi iletimi, enerji verimliliği ve bant kullanımında verimlilik gibi temel gereksinimlere cevap verme potansiyeli taşımaktadır. IM haberleşme sistemleri ailesinden en öne çıkan metodun uzaysal modülasyon (spatial modulation, SM) olduğu rahatlıkla söylenebilir. SM, verici trafında bulunan birden çok sayıda verici antenden, her bir haberleşme aralığında sadece bir tanesinin aktif edilmesi esasına dayanmaktadır. Bu aktivasyon işlemi, her bir haberleşme aralığında gönderilecek olan bit dizisinin belirli bir kısmının anten seçimine ayrılması vasıtası ile gerçekleşir. Farklı durumlar için seçilen verici antenlerin alıcı anten dizileri ile aralarındaki sönümleme gerçeklemelerinin birbirlerinden yeteri kadar farklı, tercihen matematiksel olarak ilişkisiz olması, sağlandığı taktirde her bir farklı anten seçimi alıcı tarafından algılanıp verici tarafından uzaysal bitlere eşlenen anten tahmin edilerek uzaysal bitlerin iletimi gerçeklenmiş olmaktadır. Bir diğer önemli IM şemasının ise ortam-tabanlı modülasyon (media-based modulation, MBM) olduğu söylenebilir. MBM, SM haberleşme sistemlerine benzer bir şekilde alıcı ve verici arasında farklı kanal sönümlemelerinin gerçeklenmesini sağlama esasına dayanmaktadır. Ancak MBM, SM haberleşme sistemlerinden farklı olarak bunu verici anteni değiştirerek değil, mevcut iletimdeki antenin etrafına her bir haberleşme aralığında kontrol edilmeye müsait yansıtıcı yüzeyler yerleştirerek sağlamaktadır. Dolayısıyla MBM, SM den farklı olarak birden çok sayıda verici antene ihtiyaç duymaz ve yalnızca bir verici anten ile dahi gerçeklenebilmektedir. MBM haberleşme metodunda bahsi edilen her bir haberleşme aralığında kontrol edilebilen yüzeyler radio frequency (RF) aynalarıdır. RF aynalarının PIN diyot olarak bilinen sırasıyla, yüksek doyumlu p-tipi bölge, içsel (intrinsic, i) bölge ve yine yüksek doyumlu n-tipi bölgeleren oluşan bir tür diyot vasıtasıyla yansıtma özellikleri, kanala verilen sembol iletim hızı seviyesinde değiştirilebilmektedir. SM ve MBM özelinde IM şemalarının kanala yük bindirmeden fazladan bilgi biti iletimi yapmaları, aynı bilgi miktarını daha düşük seviyeli modülasyonlar kullanarak göndermelerine olanak sağlamaktadır. Daha düşük seviyeli modülasyon kullanımı ise, aynı hata oranını sağlayan iki farklı dizilim diyagramı karşılaştırıldığında, daha az enerji kullanımı anlamına gelmektedir. Bu metotların sağladığı bir diğer önemli avantaj ise yine aynı şekilde düşünüldüğü taktirde bant verimliliği sağlamasıdır. Ek olarak belki de en önemli avantajlardan biri olarak bu haberleşme sistemlerinin daha basit alıcı ve verici yapılarının kullanımına olanak sağlaması gösterilebilir. Her iki haberleşme sistemi için de verici ile alıcı arasında farklı indisler için gerçeklenen kanal sönümlemelerinin biribirlerinden yeterli derecede farklı olması sağlanmalıdır. Bu problem SM için vericide kullanılacak olan anten sayısına, MBM için ise verici antenin etrafına bu amaca uygun olarak yerleştirilebilecek kontrol yüzeyi sayısına bir kısıtlama getirmektedir. Bir diğer dezavantaj olarak bu modülasyon türlerinin az sayıda alıcı antene sahip, özellikle tek alıcılı antenli sistemlerde gösterdiği kötü performanstır. Günümüzde özellikle taşınabilir elektronik cihazların giderek küçülmesi ve bu ufak alana birbirinden anlamlı uzaklıkta birden çok sayıda alıcı anten yerleştirilmesi şu an için mümkün olmadığından dolayı kullanım alanları sınırlı kalmaktadır. Bu çalışmada SM ve MBM in birleşimi niteliğinde olan uzaysal ortam-tabanlı modülasyon (spatial media-based modüulation, SMBM) için gerçekçi haberleşme senaryoları incelenmiştir. SMBM, verici tarafında birden çok verici antene sahip ve her antenin etrafına konumlandırılmış eşit sayıdaki kontrol yüzeylerinden oluşan bir haberleşme sistemidir. Her haberleşme aralığında bigi bitlerinin bir bölümü verici anten seçimine bir bölümü ise RF ayna durumlarının ayarlanması ve yine bir bölümü ise modüle edilecek sembolün oluşturulması için kullanılmaktadır. SM ve MBM'in avantajlarını tek bir bünyede toplayan bu haberleşme sisteminin gerçek performansına yakın sonuç verecek benzetim ortamları oluşturulmuştur. Çalışmanın tam olarak anlaşılabilmesi adına, çalışma boyunca kablosuz haberleşmede kullanılan temel kavramların önemli bir kısmı ele alınmıştır. Herhangi bir kablosuz haberleşme uygulamasında akla ilk gelecek kavramlardan biri olan kanal modelleme, çalışmada kullanılan gürültü ve sönümleme kavramlarına ağırlık vererek incelenmiştir. Kablosuz iletişimde karşılaşılan üç ana etki olan yol kaybı, gölgeleme ve farklı sönümleme modellerinin hangi ortam parametreleri gözetilerek oluşturulduğu incelenmiştir. Ek olarak, haberleşme sistemlerine alıcıda ve vericide eklenen antenlerin sistem performansına etkisi ve referans işaret gönderimine dayalı kanal kestiriminin nasıl gerçekleştiği okuyucuya sunulmuştır. Gerek IM gerkese diğer modülasyon türleri için literatürdeki çoğu fiziksel katman tasarımı çalışmaları, sistem performansının daha da artırılmasına yönelik uğraş vermiş ve sistemin daha gerçeğe yakın performansını gösterecek kanal kestirimiyle modellenme görevinden kaçınmıştır. SMBM sistemin gerçeğe yakın performansını ölçebilmek adına alıcının farklı durumlar için kanal sönümlemelerinin nasıl gerçekleneceğini ölçmesi gerekmektedir. Alıcı, sadece alıcı antenlerden alınan sembolleri işleyerek bir model çıkarabilecektir. Bu doğrultuda, alıcının kanal modelini çıkarabilmesi için belirli aralıklarla, tüm durumlar için kanal sönümlemelerini kestirebilmesine olanak verecek şekilde pilot sembol gönderimi ve alınan sinyallerin en küçük kareler (least squares, LS) ve doğrusal minimum ortalama karesel hata (linear minimum mean square error, LMMSE) algoritmalarıyla kanal kestiriminin yapılması önerilmiştir. LS ve LMMSE algoritmaları için sistemin simge algılama başarımı ortaya konmuştur. Önerilen kanal kestirim metotlarının verimliliğinin ölçülmesi adına SMBM haberleşme sistemi için analitik olarak hata üst sınırları elde edilmiş ve simülasyon sonucu olarak elde edilen hata eğrileriyle oldukça uyumlu oldukları orta ve yüksek sinyal gürültü oranları (signal-to noise ratio, SNR) için ortaya konmuştur. Buna ek olarak, sabit hatalı kanal modeli çalışmalarını desteklemek adına sabit hatalı kanal modellerinin hangi modülasyon türleri için hangi parametreler ile referans sinyal destekli kanal kestirim sistem performansına yakın bir performans gösterdiği grafiklerle ortaya konmuştur. Bu çalışma, SMBM sistemler için kanal kestirimini ve yine analitik olarak kanal kestirimi yapılmış durum için hata üst sınırını göstermesi ve hata parametresi seçiminde gelecek çalışmalara yardımcı olabilecek olması nedeniyle oldukça önemlidir.
Özet (Çeviri)
With the next generation wireless systems appearing on the horizon, the need for communication technologies enabling large amount of data transmission at very high rates using a relatively small bandwith is more than ever. Researchers all around the world are diligently working to provide new communication methods. Large portion of the proposed methods are constructed over multiple-input multiple-output (MIMO) layout. One of these solutions came to the table is index modulation, which is promising for almost all the requirements. Index modulation (IM) enables additional information to be carried by index selection at the transmitter side. These selections include structural changes rather than amplitude, phase or frequency changes of the transmitted signal. Since IM communication schemes are an alternative way to send additional bits, they are possible candidates for energy and band efficiency. Additionally, they can reduce the hardware complexity. Most of the physical layer design studies which include index modulation, focus on the system performance upgrades. In order to examine real-world performance of these schemes, the receiver should predict the channel behaviour. This requires received values to be processed with certain algorithms. In this work, we propose the reference signal-aided channel estimation approach for spatial media-based modulation (SMBM) systems to address the corresponding realistic system performance, where the digitally controllable radio frequency mirrors are deployed on the multiple transmit antennas. Accordingly, least squares and linear minimum mean square error-based channel estimation schemes are proposed for MBM-based systems for the first time in the literature where former studies mainly assume either perfect channel state information or an error model on channel coefficients. In addition, corresponding symbol detection performance is studied. To measure the efficiency of the proposed channel estimation approaches, the theoretical upper bounds on average bit error rate are derived and shown to be well overlapped with the computer simulations for the medium and high signal-to-noise ratio regions. Futhermore, error rates for estimated channel model is compared with frequently used fixed error chanel model. This study is important due to the implementation of channel estimation as well as the theoretical derivation of detection bounds by providing an example in error parameter selection for SMBM communication systems.
Benzer Tezler
- Dik kanal modülasyonda kanal kestirimi
Channel estimation of quadrature channel modulation
HASAN PAMUKÇU
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ BAHATTİN KARAKAYA
PROF. DR. HAKAN ALİ ÇIRPAN
- Video sinyallerinin düşük veri iletim hızlarında kodlanması için blok karşılaştırmaya dayalı yeni bir hareket kestirim yöntemi
Başlık çevirisi yok
ALİ GANGAL
Doktora
Türkçe
1994
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKaradeniz Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. TEMEL KAYIKÇIOĞLU
- Uzaysal modülasyon sistemleri için fiziksel katman tasarımı
Physical layer desing for spatial modulation systems
YUSUF ACAR
Doktora
Türkçe
2015
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. HAKAN DOĞAN
- A spatial correlation analysis and adaptive estimation techniques for MIMO-OFDM systems
Başlık çevirisi yok
MEHMET KEMAL ÖZDEMİR
Doktora
İngilizce
2005
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiSyracuse UniversityElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. ERCÜMENT ARVAS
PROF. HÜSEYİN ARSLAN
- Çok kullanıcılı yoğun çok girişli çok çıkışlı sistemler için sıkıştırılmış algılama tabanlı kanal kestirimi
Compressed sensing based channel estimation for multiuser massive multiple input multiple output systems
MEVLÜT ÖZGÜR DEMİRAY
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiHacettepe ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. CENK TOKER