Next-generation MIMO systems: From index modulation to deep learning
Yeni nesil çok-girişli çok-çıkışlı sistemler: İndis modülasyonundan derin öğrenmeye
- Tez No: 735835
- Danışmanlar: DOÇ. DR. ERTUĞRUL BAŞAR
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Koç Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 158
Özet
Kablosuz haberleşme, hücresel ağların ilk jenerasyonundan (1G) beri gelişmektedir ve en güncel hücresel haberleşme teknolojisi olan beşinci jenerasyon (5G), hem akademi dünyasını hem de mobil pazarını heyecanlandırmaktadır. 5G'nin kurulma sürecinin henüz tamamlanmamasına rağmen, haberleşme araştırmacıları 5G'nin eksikliklerini gidermek ve olağanüstü bir kablosuz gelecek inşa edebilmek adına, şimdiden kablosuz dünyanın altıncı jenerasyonuna (6G) yönelik ileri seviye haberleşme teknolojilerini irdelemeye başlamışlardır. 6G ile hayata geçmesi beklenen heyecan verici uygulamalar, örneğin dokunsal teknoloji, beyin-bilgisayar arayüzü ve uzay yolculuğu, zorlayıcı gereklilikler getirmektedir. Bu yüzden, araştırmacılar yenilikçi fiziksel katman (physical layer, PHY) haberleşme çözümleri geliştirmektedirler. Bu tez, çok-girişli çok-çıkışlı (multiple-input multiple-output, MIMO) sistemler için iki gelecek vadeden PHY haberleşme tekniğine odaklanmıştır: indis modülasyonu (index modulation, IM) ve derin öğrenme (deep learning, DL). IM metodları, bir haberleşme sisteminin farklı yapı taşlarını kullanarak ekstra bilgi biti iletebilmesiyle, yeni nesil MIMO teknolojileri için muazzam bir potansiyel göstermektedir. Özellikle, uzaysal modülasyon (spatial modulation, SM) ve türevleri, uzaysal alanda ekstra bilgi iletebilmek için verici veya alıcı antenleri veya her ikisini de kullanmaktadır. Bu yüzden SM, MIMO sistemlere yüksek spektral verimlilik getirmektedir. Buna ek olarak, sadece bir kısım antenlerin aktif edilmesinden dolayı, gerekli radyo-frekans zinciri (radio-frequency chain, RF chain) sayısı azalmaktadır, ki bu durum enerji verimliliği getirmektedir. Bölüm 2'de SM ve en popüler türevleri olan genelleştirilmiş SM (generalized SM, GSM), dik SM (quadrature SM, QSM) ve önkodlama destekli SM'nin (precoding-aided SM, PSM) sistem modelleri etraflıca incelenmiştir. Bundan başka, okuyucuyu, bu alandaki gelişmeler hakkında aydınlatmak için SM destekli MIMO sistemlerini anlatan, kısa ve öz bir literatür paylaşılmıştır. İlk IM tekniği Bölüm 3'te önerilmiştir. SM sistemleri, gizli dinleyicilere bilgi sızması riskiyle karşı karşıyadır ve bu durum PHY güvenliğinin artırılmasını gerektirmektedir. Bu yüzden, bu bölüm, çok-girişli tek-çıkışlı (multiple-input single-output, MISO) sistemler için gelecek vadeden CIOD-IM isminde bir IM destekli PHY güvenlik yöntemi sunmuştur. Önerilen CIOD-IM şeması, koordinat serpiştirilmiş dik tasarımları (coordinate interleaved orthogonal designs, CIOD) kullanarak, verici çeşitliliği getirmekte ve sistemin güvenilebilirliğini iyileştirmektedir. Buna ek olarak, CIOD-IM sırasıyla, özel olarak tasarlanmış bir yapay gürültü (artificial noise, AN) matrisi ve orijinal bir indisleme yöntemi kullanarak, tatmin edici seviyede PHY güvenliği sağlamakta ve yüksek spektral verimliliğe ulaşmaktadır. Mükemmel kanal durum bilgisi (channel state information, CSI) elde etmenin zorlukları değerlendirilerek hem mükemmel hem de hatalı CSI için CIOD-IM'nin bit hata olasılığı (bit error rate, BER) ve ergodik gizlilik oranı (ergodic secrecy reate, ESR) incelenmiştir. Önerilen CIOD-IM tekniğinin hem BER hem de ESR performansında referanslara göre üstün performans sergilediği bilgisayar benzetimleri ile gösterilmiştir. MIMO sistemleri için daha karmaşık bir IM yöntemi olarak Bölüm 4, dik permütasyon matris modülasyonunu (quadrature permutation matrix modulation, QPMM) sunmuştur. Önerilen QPMM iletim şeması, uzaysal bitleri, her birindeki bitlerin bir permütasyon matrisine modüle edildiği iki permütasyon bit birimine bölmektedir. Bu permütasyon matrisleri, MIMO kanal matrisinin tekil değerleriyle beraber genlik-faz modüleli (amplitude-phase modulated, APM) sembol vektörünün eş-fazlı ve dik parçalarının önkodlaması için kullanılmaktadırlar. Hem eş-fazlı hem de dik parçalar için permütasyon indislemesi QPMM ile iletilen uzaysal bit sayısını, geleneksel PMM yöntemine kıyasla iki katına çıkarmaktadır. Bundan başka, ideal ortak maksimum olasılık çözücüsünün (maximum likelihood detector, MLD) karmaşıklık sorununun üstesinden gelmek için APM sembolleri ayrı ayrı çözen koşullu MLD (conditional MLD, C-MLD) adında düşük karmaşıklıklı bir çözücü anlatılmıştır. Rayleigh sönümlemeli kanal varsayarak, QPMM şemasının BER performansı incelenmiş ve geleneksel PMM iletim şemasıyla karşılaştırılmıştır. Kapsamlı bilgisayar benzetimleri, QPMM şemasının çeşitli MIMO kurulumları için geleneksel PMM yöntemini geride bıraktığını göstermiştir. Ayrıca, C-MLD, önemli ölçüde daha düşük karmaşıklık sunarken ideal ortak MLD ile aynı BER performansını elde etmiştir. PHY iletim şemaları, özellikle IM teknikleri, her zaman iyileştirmelere açıktır. Bu tezin ikinci odak noktası olan DL yöntemleri, bu iyileştirmeler için giderek artan bir popülarite ile yer almaktadır. DL, güçlü temsil yeteneği ve hesaplama kolaylığı ile bilgisayarla görme, doğal dil işleme ve konuşma tanıma gibi çeşitli alanlarda benzeri görülmemiş başarısını kanıtlamıştır. Dünya, 6G kablosuz ağlarla tamamen akıllı bir topluma doğru ilerlerken, yeni nesil kablosuz haberleşme için katı gereksinimlerle yeni uygulamalar ve kullanım alanları ortaya çıkmaktadır. Bu nedenle, son çalışmalar, bu titiz ihtiyaçların karşılanmasında ve mevcut model tabanlı tekniklerin eksikliklerinin giderilmesinde DL yaklaşımlarının potansiyeline odaklanmaktadır. Bölüm 5'in birincil amacı, 6G'nin büyüleyici uygulamalarının yolunu açmak için DL tabanlı MIMO teknikleri alanındaki en son gelişmeleri ortaya çıkarmaktır. DL tabanlı tekniklerdeki güncel gelişmeler incelenmiş, en gelişmiş yöntemlerle karşılaştırmalar paylaşılmış ve gelecekteki yönler için kapsamlı bir kılavuz sunulmuştur. Özellikle, iyi bilinen DL tekniklerinin teorik arka planı ile birlikte DL'nin altında yatan kavramlara genel bir bakış sunulmuştur. Ayrıca, bu bölüm, ilgili okuyucular için faydalı olabilecek, kullanıcı dostu kod parçacıklarını paylaşarak DL tabanlı bir MIMO'nun bir programlama örneğini ve uygulamasını sağlamıştır. DL tabanlı stratejiler, büyük ölçekli MIMO sistemlerinin sinyal çözme, kanal kestirimi ve akıllı verici tasarımı için analiz edilmiştir. Ayrıca, mevcut IM tekniklerini daha gelişmiş ve verimli seviyelere çıkarmayı amaçlayan DL destekli IM metodları sunulmuştur. Nihai hedef, daha akıllı uçtan uca (E2E) iletişimi sağlamaktır. Son olarak, Bölüm 6, bu tezin katkılarını, DL-güçlendirilmiş IM metodlarına işaret eden bir DL-tabanlı GSM çözücüsü ile sonuçlandırmıştır. Önerilen blok ardışık girişim iptali (block successive interference cancellation, block SIC, B-SIC) çözücüsünün birincil motivasyonu, BER performansı ve karmaşıklık arasındaki ödün-leşmenin üstesinden gelmektir. B-SIC, sıfır zorlamalı (zero-forcing, ZF) ve minimum ortalama kare hatası (minimum mean squared error, MMSE) çözücüleri gibi geleneksel doğrusal çözücülerin katı anten gereksinimlerini ortadan kaldırmak için doğrusal blok çözme prosedürünü uygulamaktadır. Ek olarak, B-SIC, en yüksek SNR'li APM sembolünden başlayarak DeepEqualizer adı verilen bir DL modelini kullanarak APM sembollerini arka arkaya çözmektedir. Önerilen B-SIC çözücüsünün BER performansı ve karmaşıklığı analiz edilmiştir ve ideal MLD ile karşılaştırılmıştır. Bilgisayar benzetimleri, B-SIC'nin, GSM'li büyük ölçekli MIMO sistemleri için umut verici olan, önemli ölçüde daha düşük karmaşıklıkla optimal MLD ile aynı BER performansını elde ettiğini doğrulamıştır.
Özet (Çeviri)
Wireless communications has been evolving since the first generation (1G) of cellular networks, and the most recent fifth generation (5G) of the cellular communication technology electrifies both the academic world and the mobile market. Although the deployment process of 5G has not been completed yet, communication researchers have already started scrutinizing novel communication technologies for the sixth generation (6G) of the wireless world to overcome the drawbacks of 5G and build an outstanding wireless future. The thrilling applications expected to come into life with 6G, such as haptic technology, brain-computer interface, truly immersive virtual reality, and space travel, will introduce compelling requirements. Therefore, researchers have been developing innovative physical layer (PHY) communication solutions. This dissertation focuses on two promising PHY techniques for future multiple-input multiple-output (MIMO) systems: index modulation (IM) and deep learning (DL). IM methods have shown a vast potential for the next generation MIMO technologies by transmitting additional information bits utilizing various building blocks of a communication system. Specifically, the spatial modulation (SM) and its variants employ either transmit or receive antennas or both to convey additional information in the spatial domain. Therefore, SM brings high spectral efficiency to MIMO systems. In addition, the required radio-frequency (RF) chains decrease since only a portion of antennas are activated, which introduces energy efficiency. In Chapter 2, the system model of SM and its most popular variants, which are generalized SM (GSM), quadrature SM (QSM), and precoding-aided SM (PSM), are investigated in detail. Furthermore, brief literature on SM-aided MIMO systems is provided to enlighten the readers on the progress in this area. The first IM technique contribution is proposed in Chapter 3. SM systems experience the risk of information leakage to eavesdroppers, which requires increased PHY security. Therefore, this chapter presents a promising IM-based PHY security method, called CIOD-IM, for multiple-input single-output (MISO) systems. The proposed CIOD-IM scheme introduces transmit diversity and improves the system's reliability using the coordinate interleaved orthogonal designs (CIOD). In addition, CIOD-IM provides a satisfactory level of PHY security and achieves high spectral efficiency through a specially designed artificial noise (AN) matrix and novel indexing method, respectively. The bit error rate (BER) and ergodic secrecy rate (ESR) performance of CIOD-IM are investigated for both perfect and imperfect channel state information (CSI), considering the difficulties in obtaining the ideal CSI. It is illustrated by the conducted computer simulations that the proposed CIOD-IM technique exhibits superior performance over the benchmarks in both BER and ESR performance. As a more sophisticated IM method for MIMO systems, Chapter 4 presents the quadrature permutation matrix modulation (QPMM). The proposed QPMM transmission scheme divides the spatial bits into two permutation bit units in which the bits of each unit are modulated to a permutation matrix. These permutation matrices are utilized along with the singular values of the MIMO channel matrix for precoding the amplitude-phase modulated (APM) symbol vector's in-phase and quadrature components separately. The permutation indexing for both the in-phase and quadrature components doubles the spatial bits transmitted in QPMM compared to the conventional PMM method. Furthermore, a low-complexity detector, named conditional maximum likelihood detector (conditional MLD, C-MLD), is presented to overcome the complexity issue of the optimal joint MLD by decoding APM symbols separately. The BER performance of the QPMM scheme is examined assuming the Rayleigh fading channel and compared to the conventional PMM transmission scheme. The extensive computer simulations demonstrate that the QPMM scheme outperforms the conventional PMM method for various MIMO setups. Moreover, C-MLD achieves the same BER performance as the optimal joint MLD while introducing substantially lower complexity. PHY transmission schemes, specifically IM techniques, are always open to improvements. DL methods, which is the second focus of this thesis, take place with ever-growing popularity for these improvements. DL has proven its unprecedented success in diverse fields such as computer vision, natural language processing, and speech recognition by its strong representation ability and ease of computation. As the world moves forward to a thoroughly intelligent society with 6G wireless networks, new applications and use-cases have been emerging with stringent requirements for next-generation wireless communications. Therefore, recent studies have focused on the potential of DL approaches in satisfying these rigorous needs and overcoming the deficiencies of existing model-based techniques. The primary objective of Chapter 5 is to unveil the state-of-the-art advancements in the field of DL-based MIMO techniques to pave the way for fascinating applications of 6G. Up-to-date developments in DL-based techniques are examined, comparisons with state-of-the-art methods are provided, and a comprehensive guide for future directions is introduced. In particular, an overview of the underlying concepts of DL, along with the theoretical background of well-known DL techniques are presented. Furthermore, this chapter provides a programming example and the implementation of a DL-based MIMO system by sharing user-friendly code snippets, which might be useful for interested readers. DL-based strategies are analyzed for signal detection, channel estimation, and intelligent transmitter design of massive MIMO systems. Furthermore, DL-empowered IM methods are presented, which aims at evolving the existing IM techniques to more advanced and efficient levels. The ultimate goal is to enable more intelligent end-to-end (E2E) communications. Finally, Chapter 6 concludes the contributions of this dissertation with a DL-based GSM detector pointing to DL-empowered IM methods. The primary motivation of the proposed block successive interference cancellation (block SIC, B-SIC) detector is to overcome the trade-off between BER performance and complexity. B-SIC implements the linear block detection procedure to eliminate the strict antenna requirements of the conventional linear detectors, such as zero-forcing (ZF) and minimum mean squared error (MMSE) detectors. In addition, B-SIC successively decodes the APM symbols utilizing a DL model, called DeepEqualizer, beginning from the APM symbol experiencing the highest SNR. The BER performance and complexity of the proposed B-SIC detector are analyzed and compared to the optimal MLD. The performed computer simulations verify that B-SIC obtains the same BER performance as the optimal MLD with a significantly lower complexity, which is promising for massive MIMO systems with GSM.
Benzer Tezler
- Deep learning aided data detectionfor future wireless communication systems
Gelecek nesil telsiz haberleşme sistemleri içinderin öğrenme yardımıyla data tespiti
MERVE TURHAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HAKAN ALİ ÇIRPAN
- Secure and coordinated beamforming in 5G and beyond systems using deep neural networks
5G ve ötesi sistemlerde derin sinir ağları kullanarak güvenli ve koordineli hüzmeleme
UTKU ÖZMAT
Doktora
İngilizce
2024
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik ÜniversitesiBilişim Uygulamaları Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ MEHMET AKİF YAZICI
DR. ÖĞR. ÜYESİ MEHMET FATİH DEMİRKOL
- 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
2022
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ERTUĞRUL BAŞAR
PROF. DR. İBRAHİM ALTUNBAŞ
- Ortam-tabanlı modülasyonlu özgün sistem tasarımları
Novel system design with media-based modulation
İBRAHİM YILDIRIM
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İBRAHİM ALTUNBAŞ
DOÇ. ERTUĞRUL BAŞAR
- Reconfigurable intelligent surface-based novel transceiver architectures and multiple access
Başlık çevirisi yok
AYMEN KHALEEL
Doktora
İngilizce
2023
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKoç ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ERTUĞRUL BAŞAR