Parafac channel estimation in RIS and UAV aided MISO systems and its sum rate performance
RIS ve İHA destekli MISO sistemlerde parafac kanal kestirimi ve onun toplam iletim hız performasına etkisi
- Tez No: 743377
- Danışmanlar: DOÇ. DR. SULTAN ALDIRMAZ ÇOLAK
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Kocaeli Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 70
Özet
Akıllı telefonlar, kişisel bilgisayarlar (Personal Computers, PCs) ve Nesnelerin İnternetine (Internet of Things, IoT) bağlı cihazların sayısındaki artan kablosuz ve mobil iletişim uygulamaları katlanarak artan ağ taleplerine ve veri trafik hacmine neden olmuştur. Aynı zamanda, küresel internet kullanıcıları daha hızlı büyümekte ve daha fazla internete bağlı cihazın piyasaya sürülmesine katkıda bulunmatadır. Bu hızla artan talepler, etkili ve yenilikçi çözümler gerektiren yüksek enerji verimli, düşük gecikme ve ultra güvenilir iletişim gerektirir. Kablosuz ağın kendisi, sınırlı frekans kaynakları ve bozulma, çok yollu sönümlenme ve saçılma gibi farklı çevresel faktörlerden kaynaklanan veri iletim sorunları da dahil olmak üzere diğer kritik zorluklarla da karşı karşıyadır. Etkili veri iletimi için, kanal durumu bilgisi (Channel State Information, CSI) kablosuz ağ için önemlidir ve her zaman elde edilememektedir. Bu nedenle, kablosuz iletişimde zorlu ve zor bir görev olan sistemin CSI'sını kestirmek için kanal kestirimi (Channel Estimation, CE) gerekli hale gelir.\\[4pt] Bu ağların gereksinimlerini karşılamak için, çok-girişli çok-çıkış (Multiple-Input Multiple-Output, MIMO) teknolojisi son on yıldan şimdiye kadar en iyi adaydır. Bununla birlikte, MIMO sistemlerinin ekstra donanım maliyeti, zor pratik uygulama ve güç tüketimi gibi bazı dezavantajları vardır. Hem geleneksel tek-girişli tek-çıkışlı (Single-Input Single-Output, SISO) hem de MIMO sistemlerinin sınırlamaları, araştırmacıları yenilikçi teknolojiler geliştirmenin yeni yollarını aramaya motive etmektedir. Bu teknolojiler, yakın zamanda MIMO sistemlerine entegre edilen yeniden ayarlanabilir akıllı yüzeylerin (Reconfigurable Intelligent Surfaces, RIS) ve insansız hava aracı (İHA) kullanımı içerir. RIS, elektromanyetik dalganın davranışını manipüle edebilir ve kullanıcılar için sanal kanal bağlantıları oluşturarak kablosuz yayılma ortamını kontrol edebilir. İHA, ağdaki karasal kullanıcılara doğrudan görüş hattı (Line-of-Sight, LoS) bağlantısı sağlayarak çok yollu sönümlenmeden etkilenen şiddetli iletişim kanalları için etkili bir çözüm sağlarayabilir.\\[4pt] Bu tezde, yüksek verimli paralel faktör (PARAllel FACtor, PARAFAC) ayrıştırma kanal kestirim tekniğini kullanarak RIS ve İHA destekli çoklu kullanıcı çok-girişli tek-çıkışlı (Multiple-Input Single-Output, MISO) sistemin toplam iletim hızı performans analizini araştırdık. Daha iyi sistem verimi için çok kullanıcı MISO iletişim ağına yardımcı olmak için hem RIS hem de İHA teknolojilerini birleştirdik. RIS destekli sistemin kanal kestirimi ve toplam iletim hızı performans analizi, karasal baz istasyonu (Base Station, BS) üzerinde İHA BS kullanmanın avantajını değerlendirmek için hem karasal BS hem de hava İHA BS için gerçekleştirildi. Kestirim doğruluğu için, normalleştirilmiş ortalama kare hatası (Normalized Mean Squared Error, NMSE) kullanıldı. Yukarı yönlü kanallarının kullanıcı ekipmanı (User Equipment, UE)-RIS, RIS-BS ve UE-RIS-BS arasındaki kestirim doğruluğu elde edildi. Toplam iletim hızı performans analizi için sıfır zorlamalı (Zero Forcing, ZF), minimum ortalama karesel hata (Minimum Mean Squared Error, MMSE) ve maksimum oran iletimi (Maximal Ratio Transmission, MRT) ön kodlama teknikleri kullanıldı ve elde edilen sonuçlar karşılaştırıldı. Kanal kestirimi, alternatif en küçük kareler (Alternating Least Squares, ALS) yöntemiyle gerçekleştirilirdi. Mükemmel CSI (Perfect-CSI, P-CSI) ve kusurlu CSI (Imperfect-CSI, I-CSI) durumları için toplam iletim hızı simülasyonları gerçekleştirilirdi. Önceden belirlenmiş bir yörüngeye sahip bir İHA tarafından yer kullanıcılarına LoS bağlantıları sağlandı.\\[4pt] Simülasyon sonuçlarından, kanal kertirimi için kullanılan pilot işaret sayısının, kanal kestirimi iyileştirdiği için toplam iletim hızında oldukça etkili olduğu gözlendi. RIS destekli sistemin performansını daha fazla değerlendirmek için, diğer parametreleri değiştirmeden simülasyon parametrelerimizden İHA-UE arasındaki doğrudan kanal bağlantısını kaldırıldı. RIS destekli ağ, RIS'ın kablosuz iletişimde kullanılmasının etkinliğinin altını çizen sistemde mevcut bir doğrudan bağlantı olmasa bile, RIS olmadan daha fazla toplam iletim hızı performansı elde edildi. ALS PARAFAC tekniği, diğer kestirim yöntemlerine kıyasla daha düşük hatalar ve daha düşük hesaplama karmaşıklığı ile daha yüksek kestirim doğruluğu elde edildi.
Özet (Çeviri)
The overwhelmingly increasing wireless and mobile communication applications such as smartphones, Personal Computers (PCs), and Internet of Things (IoT) connected devices caused an exponentially increasing network demands and data traffic volume. At the same time, the global internet users are growing at a faster rate, contributing to more internet-connected devices being released to the market. These rapidly increasing demands require high-energy efficient, low-latency and ultra-reliable communication, which needs effective and innovative solutions. The wireless network itself is also facing other critical challenges including the limited frequency resources as well as data transmission issues resulting from the different environmental factors such as distortion, multipath fading and scattering. For effective data transmission, the knowledge of Channel State Information (CSI) is important for the wireless network and it is not always available practically. For this reason, Channel Estimation (CE) becomes necessary to estimate the CSI of the system, which is a challenging and difficult task in wireless communication. To meet these network requirements, Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) technology is the best candidate from the last decade until now. However, MIMO systems have some drawbacks including the extra hardware cost, difficult practical implementation and power consumption. The limitations of both the traditional Single-Input Single-Output (SISO) and MIMO systems motivated researchers to seek new ways to develop innovative technologies. These technologies include the use of Reconfigurable Intelligent Surfaces (RIS) and an Unmanned Aerial Vehicle (UAV), which are recently integrated into the MIMO systems. RIS can manipulate the behaviour of the electromagnetic wave and can control the wireless propagation environment by creating virtual channel links for the users. The UAV enables an effective solution for severe communication channels affected by multipath fading by providing a direct Line-of-Sight (LoS) connection to the terrestrial users in the network. In this thesis, we investigated the sum-rate performance analysis of RIS and UAV-aided multi-user Multiple-Input Single-Output (MISO) system by using the high-efficient PARAllel FACtor (PARAFAC) decomposition CE technique. We combined both RIS and UAV technologies to help the multi-user MISO communication network for better system throughput. The CE and sum-rate performance analysis of the RIS-aided system were conducted for both the terrestrial Base Station (BS) and the aerial UAV BS to evaluate the advantage of using UAV BS over the terrestrial BS. In terms of estimation accuracy, Normalized Mean Squared Error (NMSE) is used and the estimation accuracy of the uplink channels between User Equipment (UE)-RIS, RIS-BS and UE-RIS-BS is obtained. For the sum-rate performance analysis, Zero Forcing (ZF), Minimum Mean Squared Error (MMSE) and Maximal Ratio Transmission (MRT) precoding techniques were used and their results were compared. The channel estimation is performed by Alternating Least Squares (ALS) method. Sum-rate simulations are performed for the cases of perfect CSI (P-CSI) and imperfect CSI (I-CSI). We assume that a UAV with predetermined trajectory provides LoS links to the ground users. From the simulation results, it has been observed that the number of pilot signals used for channel estimation is quite effective on the total transmission speed as it improves the channel estimation. To evaluate the performance of the RIS-aided system further, we removed the direct channel link between UAV-UE from our simulation parameters without changing other parameters. The RIS-aided network has achieved greater sum-rate performance compared to that without RIS, even when there is no available direct link in the system, which underlines the effectiveness of using RIS in wireless communication. The ALS PARAFAC technique achieved higher estimation accuracy with lower errors and lower computational complexity compared to other estimation methods.
Benzer Tezler
- Blind collision resolution for wireless multiple access using independent component analysis
Telsiz çoklu erişim için bağımsız bileşen analizi kullanarak gözü kapalı çarpışma çözünürlüğü
BARIŞ ÖZGÜL
Yüksek Lisans
İngilizce
2002
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiBoğaziçi ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HAKAN DELİÇ
- PARAFAC-SPARK: Parallel tensor decompositions on spark
PARAFAC-SPARK: Spark ile paralel tensör ayrışımları
SELİM EREN BEKÇE
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiBilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. CEVDET AYKANAT
DOÇ. DR. MUHAMMET MUSTAFA ÖZDAL
- Tensor based feature extraction in kernel machines
Tensor based feature extraction in kernel machines
NAGHAM RASHEED HAMEED AL-SAEDI
Yüksek Lisans
İngilizce
2018
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolErciyes ÜniversitesiBilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ ÖZKAN UFUK NALBANTOĞLU
- Spektrofotometrik verilerin kemometrik analizi ile farmasötik preparatlardan parasetamolün miktar tayini
Determination of paracetamol in pharmaceutical preparations using the chemometric analysis of spektrophotometric dataset
NİHAT GÜÇLÜ
- Generalized tensor factorization
Genelleştirilmiş tensor ayrışımı
YUSUF KENAN YILMAZ
Doktora
İngilizce
2012
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolBoğaziçi ÜniversitesiBilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. ALİ TAYLAN CEMGİL
