Hierarchical dirichlet process based gamma mixture modelling for terahertz band wireless communication channels and statistical modelling of 240 GHz - 300 GHz band
Terahertz bandı kablosuz haberleşme kanalları için hiyerarşik dirichlet sürecine dayalı gamma karışım modeli ve 240 GHz-300 GHz bandının istatistiksel modellenmesi
- Tez No: 771326
- Danışmanlar: PROF. DR. GÜNEŞ ZEYNEP KARABULUT KURT
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Telekomünikasyon Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 95
Özet
Edholm yasası, veri hızı ve bant genişliği gereksinimlerinin her 18 ayda bir ikiye katlandığını belirtir. Şu ana kadar bu yasa doğru olmakla birlikte, mevcut kablosuz iletişim frekans bantlarının gelecekteki iletişim sistemleri için yüksek veri hızı gereksinimlerini karşılamadaki yetersizliği, araştrmacılarn alternatif, daha yüksek frekans bantlarını araştırmaya yöneltmektedir. Mevcut milimetre dalga (mm-Wave) bandı ticari iletişim sistemleri, 20GHz 'e kadar bant genişliğine sunmaktadır. Ancak teknoloji ilerledikçe ve anlık bilgi gereksinimleri arttkça yakın gelecekteki veri hizı gereksinimlerinin 100 GHz seviyesinde ve hatta daha fazla olacağı tahmin edilmektedir. Sonuç olarak, mm-Wave aralığında çalışan iletişim sistemlerinin bu beklentiyi karşılaması pek olası değildir. Bunun dışında optik iletişim sistemleri çok yüksek bant genişliği sağlayabilir ve bu talebi karşlamak için kullanılabilecek teknolojilerden biridir. Ancak göz güvenliği endişeleri nedeniyle uygulama alanları sınırlıdır. Ayrıca optik iletişim sistemlerinde, güvenilir bir iletişim bağlantısının kurulabilmesi için alıcı ve verici arasında tam bir hizalama uyumu aranmaktadır. Alıcı ve verici arasındaki en ufak bir yanlış hizalama, önemli performans kayıplarına ve hatta iletişim bağlantısının kesilmesine neden olabilir. Optik iletişim sistemlerinin yüksek hareketlilik ve hıza sahip mobil birimlerde kullanılması hizalamayı zorlaştrarak optik iletişim sistemi performansımı düşürmektedir. Terahertz frekanslari 0.1 THz ila 10 THz arasındadır ve geniş bant firsatları nedeniyle, gelecekteki kablosuz iletissim standartlarını ve veri hızı gereksinimlerini karşılamak için güçlü adaylardan biri olmaktadır. THz bandının bir diğer avantajı da henüz standardize edilmemiş olması ve herhangi bir kablosuz iletişim uygulamasına tahsis edilmemiş olmasıdır. THz frekansları, kısa dalga boyları nedeniyle nano boyutlu antenlerin kullanımına olanak sağlar. Bu durumun kısa mesafelerde mikro ölçekte yeni iletişim uygulama alanlarına imkan vereceği öngörülmektedir. Ayrıca, bu anten boyutları sınırlı bir alanda büyük anten dizilerinin yerleștirimesine de izin vereceğinden, uzun mesafeler için makro ölçekte çok sayıda yeni iletişim uygulama alanı sağlaması da öngörülmektedir. Ne yazık ki, faydalarına ek olarak, THz frekanslarının büyük yayılma kayıpları şeklinde bir dezavantajı vardır. Bu kayıplar iletişim bağlantısını kısıtlamakta ve kanal karakterizasyonunu zorlaştırmaktadır. Moleküler emilim, THz frekanslarında yayılma kaybına önemli bir katkıda bulunur. Belirli bir dalga boyundaki bir radyo frekans (RF) sinyali atmosferde yayılırken gaz halindeki maddelerle etkileşime girdiğinde, enerjilerinin bir kısmı bu gaz molekülleri tarafindan emilir ve molekülün daha yüksek bir enerji düzeyine geçmesine neden olur. Sonuç olarak, THz dalgaları moleküllerle etkileşime girdiğinde, THz spektrumunun farklı pencerelerinde çeşitli güç kayıpları meydana gelir. Ayrica, moleküler emilimin etkisi iletişim mesafesi ile orantılı olmaktadır. THz frekanslarının başarılı bir şekilde kullanılması ve bu frekanslarda iletişimin uygulanması da verimli, son teknoloji donanım ve antenlerin tasarımına bağlddır. Bu ekipmanları düzgün bir şekilde inşa etmek için THz bandının kanal yapısı çok yönlü bir şekilde araştırılmalıdır. THz bandının yayılma kayıpları ve benzersiz kanal özellikleri göz önüne alındığında, spektrumu anlamak ve bu bantlarda güvenilir iletişim sistemleri geliştirmek için genişletilmiş ölçüm kampanyaları ve kapsamlı yayılım kanal modellemesi gereklidir. Ayrıca bu ölçümler ve kanal modellemesi, çeşitli makro ve mikro ölcekli iletişim uygulamalarımı kapsayacak şekilde farklı senaryolarda gerçekleştirilmelidir. Kanal modelleme yaklaşımları düşünüldüğünde en yaygın olarak kullanılan kanal modelleme teknikleri deterministik ve istatistiksel olmak üzere ikiye ayrılabilir. Deterministik modelleme yöntemleri, doğru kanal modelleme sonuçları sağlar; ancak, yayılma ortamının ayrıntılı geometrik yapısının yanı sıra verici ve alıcı konumlarının önceden bilinmesi gerekir, bu da özellikle hareketlilik durumunda kanal modellemesini zorlaştrmaktadır. Ayrıca, deterministik yaklaşımlar yüksek hesaplama karmaşıklığından muzdariptir. İstatistiksel modelleme teknikleri, belirli bir ortamın geometrik yapısını ele alacak şekilde kanalı karakterize etmek yerine farklı ortamlarda THz kanallarnı karakterize edebilmektedir. Bunun ötesinde, istatistiksel kanal modelleme, deterministik modellere kıyasla daha düşük karmaşıklıktadır ve kanalın temel özelliklerine dayalı daha hızlı model oluşturmayı sağlayabilir. Bugüne kadarki THz bandında istatistiksel kanal modelleme araştırmalarının neredeyse tamamı, dar bantlı kanallara odaklanmaktadır ve bu doğrultuda analizler yapılmaktadır. Fakat bu pratik olarak pek uygun olmamaktadır ve tek başına yeterli değildir çünkü THz bandında çok geniş bantlı uygulamalar yer alacaktır. Işın izleme ve geleneksel istatistiksel modelleme tek başına, büyük bant genişliği ve kanalların özelliklerindeki hızlı değişiklikler nedeniyle uygun bir kanal modeli oluşturmak için yetersizdir. Çok geniş bir bant istatistiksel olarak incelenmek istediğinde kanalın istatistiksel yapısını tek bir dağılım ile ifade etmek yetersiz kalmaktadır. Ayrıca THz bandının her bir penceresinde farklı seviyelerde sönümleme olduğundan güç kümelerini tek bir dağılımla ifade etmek olanaksızdır. Literatürde kanalı birden fazla dağılım ile modelleyen sınırlı sayıda çalısma bulunmaktadır. Fakat bu çalışmalarda kullanılan karışım modelleri değişken dağılımlar sergileyen kompleks kanalları modellemek için kullanmak yerine tek bir dağılımla ifade edilebilecek kanalları, daha iyi ifade edebilmek için kullanılmaktadır. Ayrıca bu çalışmaların en büyük dez avantajları gerekli olan karışım sayısını bulmak için kompleks ve her bir farklı durum için ayrı olarak denenmesi gereken yöntemlerin kullanılmasıdır yani kullanılan bu yöntemler farklı dağılımlar için genelleştirilmemektedir. Tüm bu nedenlerden dolayı, ilk olarak bu tezde THz bandının sunduğu geniş bant firsatını göz önünde bulundurarak geniş bant kanalının istatistiksel yapısının analizi gerçekleştirilmiştir. Gerçekleştirilen analizler sonucunda, kanalın istatistiksel yapısını modelleyebilecek karışım modeli ve bu doğrultuda karışım bileşenlerinin parametrelerini hesaplamaya yarayacak bir teknik önerilmiştir. Bu tezde, herhangi bir ön bilgi olmadan, geniş bantlı THz kanallarında gelen güç değerlerini istatistiksel olarak karakterize etmek için hiyerarşik Dirichlet süreci Gamma karışım modeli (DPGMM) kullanımı önerilmektedir. Dirichlet süreci (DP) parametrik olmayan Bayes tekniğidir ve karışım modellemelerinde bileşenlerin hesaplanabilmesi için parametre uzayında öncül olarak kullanılmaktadır. DPGMM, istatistiksel kanalı modellemek için gerekli olan karışım bileşen sayısını ve bu bileşenlerin parametrelerini bulmaya olanak vermektedir ve bileşenleri Gamma dağılımlarından oluşmaktadır. THz bantları her zaman aynı forma sahip değildir ve nadiren Gauss dağılımı gibi düzgün, simetrik bir dağılım izler. Gamma dağılımı, Gauss dağılımına çok yönlü bir alternatiftir ve asimetriliği nedeniyle hem uzun kuyruklu hem de asimetrik dağılımları modelleyebilir. Ayrıca Gamma dağılımı izlenebilir CDF ve MGF'ye sahiptir, bu nedenle küçük ölçekli sönümleme kanalları için bir yaklaşım sağlayabilmektedir. Gamma dağılımının, parametreleri ayarlandığında, geniş bir dağılım yelpazesini yüksek doğrulukla temsil edebilmektedir. Sonuç olarak, herhangi bir rastgele PDF, bir Gamma karışımı kullanılarak modellenebilir. Bu nedenlerden dolayı bu çalışmada karışım bileşeni olarak Gamma dağılımı tercih edilmiştir. Burada en önemli kriterlerden birisi gerekli karışım sayısının ve karışımlara denk gelen parametrelerin doğru bir şekilde ortaya çıkartılabilmesidir. Ayrıca DPGMM için bir ön adım olarak revize edilmiş bir beklenti enbüyütme (EM) algoritması da önerilmektedir. EM algoritması, denklemlerin doğrudan çözülemediği durumlarda istatistiksel bir modelin (yerel) maksimum olabilirlik parametrelerini bulmak için kullanılmaktadır ve karışım modellerinde bileşenlerin parametrelerini bulmak için sıkça başvurulan yöntemlerden birisidir. EM algoritmasında ve diğer çoğu karışım modeli parametre bulma uygulamalarında gerekli olan karışım sayısının bilinmesi gerekmektedir. DPGMM'de ise herhangi bir ön bilgiye ihtiyaç yoktur. Karışımı modellemek için gerekli olan bileşen sayısı da DP'nin doğası gereği çıkartılabilmektedir. Bu DPGMM'in EM'e karşı en önemli avantajlarından birisi olarak gösterilebilir. Bu tezde EM algoritmasının ön hazırlık olarak ve karşılaştırılacak algoritma olarak seçilmesinin nedeni parametre çıkarımında ki yeteneğidir ve karşılaştırılma yapılarak DPGMM'in yeteneği gösterilmektedir. Tezde, 240 GHz ile 300 GHz arasındaki frekanslarda daha önce alınan ve açık kaynak olarak paylaşılan ölçümler üzerinde DPGMM ve EM algoritması uygulanmaktadır. Ölçüm verileri için DPGMM ve EM algoritmalarının sonuçlarını karşılaştırarak, DPGMM'nin hedef dağılımı ne kadar iyi modelleyebildiğini gösterdik. Önerilen DPGMM'nin, ve EM algoritmasının çeşitli THz kanallarını doğru bir şekilde tanımlayabildiğini ve DPGMM esnekliğinden dolayı, daha karmaşık dağılımları EM algoritmasından daha iyi modelleyebildiğini ölçüm verileri üstünde gösterdik. Çok geniş veri setinde DPGMM kullanarak çok yönlülüğü nedeniyle herhangi bir kablosuz kanalı modellemek için kullanılabileceğini de gösterdik. Çünkü DPGMM hiyerarşik yapısı nedeniyle pozitif eksendeki bir çok dağılımı modelleyebilecek alt yapısı bulunmaktadır. Bunlara ek olarak Türkiye Bilimsel ve Teknolojik Araştırma Kurumu (TÜBİTAK) Gebze'de yeni bir ölçüm düzeneği geliştirilmiş ve inşa edilmiştir. Bu düzenek, 240 GHz ile 300GHz arasındaki THz bandında ölçümler alınmasına izin vermektedir. Ölçüm düzeneği mekanik yapı ve elektronik ölçüm cihazları olmak üzere iki ana yapıdan oluşmaktadır. Mekanik tasarımı, çok çeşitli mesafe ve yanlış hizalama senaryolarda ölçüm alma yeteneği kazandırırken aynı zamanda hassas, güvenilir ölçümler alınmasına imkan vermektedir. Elektronik ölçüm cihazları, mekanik yapının izin verdiği senaryolarda 200GHz-300GHz frekans aralığında geniş bant ölçümlerinin alınmasını ve analiz edilmesini sağlamaktadır. Bu tez kapsamında 240GHz ve 300 GHz aralığında bir ölçüm kampanyası yürütülmüstür. 60GHz bant genişliğine sahip öļçümler toplanarak, ölçümlerden elde edilen gelen sinyalin güç dağılımları önerilen DPGMM ve EM algoritması kullanılarak modellenmiş ve değerlendirilmiştir.
Özet (Çeviri)
Terahertz (THz) frequencies span from 0.1 THz to 10 THz, and because of their large bandwidth opportunity, they appear to be one of the strong candidates to satisfy future wireless communication standards and data rate requirements. Another advantage of the THz band is that it has not yet been standardized and is not allocated to any wireless communication application. THz frequencies enable the use of nano-sized antennas due to their short wavelengths. This particular feature is predicted to result in new communication application areas at the micro-scale over short distances. Furthermore, because these antenna sizes will also allow the deployment of large antenna arrays in a limited space, it is predicted to provide numerous new communication application areas at the macro-scale for long distances. The successful utilization of THz frequencies and the implementation of communication at these frequencies are also dependent on the design of efficient, cutting-edge hardware and antennas. To properly build this equipment, the channel structure of the THz band must be thoroughly researched. This can only be accomplished by collecting extensive measurements and analyzing those measurements. Unfortunately, in addition to their benefits, THz frequencies have a downside in the form of substantial propagation losses. These losses constrain the communication link and make channel characterization difficult. Molecular absorption is a major contributor to propagation loss at THz frequencies. When a radio frequency (RF) signal of a certain wavelength interacts with gaseous substances while propagating in the atmosphere, part of their energy is absorbed by these gas molecules, leading the molecule to move to a higher energy level. As a result, when THz waves interact with molecules, various power losses occur in different windows of the THz spectrum. Furthermore, the effect of molecular absorption is proportional to communication distance. Due to the unique channel characteristics of the THz band, extended measurement campaigns and comprehensive propagation channel modeling are essential to understand the spectrum and to develop reliable communication systems in these bands. These measurements and channel modeling should be performed in a variety of scenarios based on various macro and micro-scale communication applications. When the channel modeling approaches are considered, the most commonly utilized channel modeling techniques can be categorized into two, deterministic and statistical. Ray tracing and traditional statistical modeling are insufficient to construct a suitable channel model due to the wide bandwidth and rapid changes in the characteristics of THz channels. Statistical channel models can represent a wide range of settings and can adopt the variable structure of the THz channel. In contrast, deterministic models, such as ray tracing can only represent a single environment in a specific condition. Also, almost all of the statistical channel modeling research to date has focused on the channel as a narrowband, which is practically inaccurate. Thus, in this thesis by considering the wideband opportunity offered by the THz band, the statistical structure of the wideband channel is explored and analyzed. Most importantly, the utilization of hierarchical Dirichlet Process Gamma Mixture Model (DPGMM) to characterize THz channels statistically in the absence of any prior knowledge is proposed. DPGMM provides mixture component parameters and the required number of components to be obtained. A revised expectation-maximization (EM) algorithm is also proposed as a pre-step for DPGMM. Kullback-Leibler Divergence (KL-divergence) is utilized as an error metric to examine the amount of inaccuracy of the EM algorithm and DPGMM when modeling the experimental PDFs. DPGMM and EM algorithm are implemented over the measurements taken at frequencies between 240 GHz and 300 GHz. By comparing the results of the DPGMM and EM algorithms for the measurement datasets, how well the DPGMM fits the target distribution is demonstrated. It is shown that the proposed DPGMM can accurately describe the various sub-THz channels as well as the EM algorithm, and its flexibility allows it to represent more complex distributions better than the EM algorithm. Also, it is demonstrated that DPGMM can be used to model any wireless channel due to its versatility. In addition, a new measurement setup was designed and constructed at the Turkish Science Foundation (TÜBİTAK) in Gebze, Turkey. This setup allows collecting measurements in the sub-THz band between 240 GHz and 300 GHz. It consists of two main parts; mechanical structure and electronic instruments. Its mechanical design allows for a wide range of distance and misalignment scenarios, as well as precise, reliable measurements. The electronic instruments enable the taking and analysis of wideband measurements at sub-THz frequencies in these scenarios. At the scope of this thesis, a measurement campaign is conducted in the range of 240 GHz and 300 GHz. By collecting the measurements over 60 GHz bandwidth, the results of the measurements were evaluated and modeled using the suggested DPGMM.
Benzer Tezler
- Sensor based real-time process monitoring for ultra-precision manufacturing processes with non-linearity and non-stationarity
Doğrusal ve durağan olmayan ultra hassas üretim süreçleri için sensör tabanlı gerçek zamanlı süreç izleme
ÖMER FARUK BEYCA
Doktora
İngilizce
2013
Endüstri ve Endüstri MühendisliğiOklahoma State UniversityEndüstri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ZHENYU (JAMES) KONG
- Gene function inference from expression using probabilistic topic models
Olasılıksal tema modelleri kullanarak gen ifadesinden işlev çıkarımı
BAHAR TERCAN
Doktora
İngilizce
2016
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolOrta Doğu Teknik ÜniversitesiTıp Bilişimi Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. AYBAR CAN ACAR
- Hierarchical incremental context modeling on robots
Robotlarda hiyerarşik arttırımlı bağlam modellenmesi
FETHİYE IRMAK DOĞAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2017
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolOrta Doğu Teknik ÜniversitesiBilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SİNAN KALKAN
- İnference and parameter estimation in bayesian change point models
Bayesçi değişim noktası modellerinde çıkarım ve parametre kestirimi
ÇAĞATAY YILDIZ
Yüksek Lisans
İngilizce
2017
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolBoğaziçi ÜniversitesiBilgisayar Bilimleri ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ALİ TAYLAN CEMGİL