Geri Dön

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

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

PDF İndir

  1. Tez No: 802692
  2. Yazar: ZEHRA YİĞİT
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. ERTUĞRUL BAŞAR, PROF. DR. İBRAHİM ALTUNBAŞ
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2022
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Telekomünikasyon Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 152

Özet

Cisco yıllık internet raporuna göre, 2023 yılı itibariyle 5G hızının ortalama mobil bağlantı hızının 13 katına çıkarak, 575 megabit/saniye (Megabits per second, Mbps)'ye ulaşması beklenmektedir. Bunun yanında, 13.1 milyar civarında olan mobil cihaz sayısının yüzde 10'unun 5G bağlantısına sahip olacağı ve küresel cihazların yüzde 50'sinin makineler arası bağlantıyı destekler düzeyde olacağı öngörülmektedir. Diğer yandan, gelecek nesil haberleşme sistemlerindeki bütün bu gelişmeler, araştırmacıları üç farklı kategoride etkili sistem tasarımları geliştirmeye yönlendirmiştir. Bunlar; gelişmiş mobil bant (enhanced mobile broadband, eMBB), geniş ölçekli makine haberleşmesi (massive machine-type communications, mMTC) ve ultra-güvenilir düşük gecikmeli haberleşme (ultra reliable low-latency communications, URLLC) olarak adlandırılmaktadır. 5G ötesi haberleşme sistemlerinde, mMTC ve URLLC tabanlı teknolojilerin milisaniye mertebesindeki çok düşük gecikmelerle, çok sayıda cihazın birbiri ile haberleşmesinin sağlanması amaçlanırken, eMBB teknolojileri ile yüksek güvenirlikli ve yüksek veri hızlı sistemlerin tasarlanması amaçlanmaktadır. Bu zorlayıcı kriterler, mevcut sistemler ile gerçeklendiğinde, çok yüksek güç tüketimi ve karmaşık donanımlar gerektireceğinden, gelecek nesil sistemler için daha esnek ve kolay uyarlanabilir sistem tasarımlarına olan ihtiyaç artmıştır. Bu amaçla, son yıllarda araştırmacılar, indis modülasyonu (index modulation, IM), uyarlanabilir akıllı yüzey (reconfigurable intelligent surface, RIS), nesnelerin interneti (internet-of-thing, IoT), görünür ışık haberleşmesi, milimetre dalga (millimeter-wave, mmWave), terahertz haberleşme gibi özgün ve etkili fiziksel katman çözümleri geliştirmektedirler. Geçtiğimiz on yıldan beri, bir haberleşme sisteminin yapı taşlarını bilgi iletiminde kullanarak daha yüksek bant verimliliğine ulaşmayı hedefleyen IM-tabanlı sistemler, araştırmacılar tarafından büyük bir ilgi görmektedir. Klasik sistemler ile karşılaştırıldığında düşük karmaşıklıklı alıcı-verici tasarımları ve yüksek enerji verimliliği sağlayan yapıları ile IM-tabanlı sistemler, yüksek bant ve enerji verimliliği gerektiren gelecek nesil haberleşme sistemleri için alternatif çözüm yolları sunmaktadır. IM literatüründe yaygın olarak karşımıza çıkan, ortam-tabanlı modülasyon (media-based modulation, MBM) sisteminde, verici anten(ler) üzerine radio frekans (radio frequency, RF) aynası ya da PIN diyotlar entegre edilerek, iletim kanalında, çoklu kanal durumlarının oluşması sağlanmakta ve oluşan bu çok yollu kanal üzerinden ek bilgi bitleri iletilmektedir. Böylece, alıcıda gelen bilgi bitlerine göre belirlenen kanal durum bilgisine ait işaretler ulaşmaktadır. Telsiz iletim kanalının rastgeleşmesini sağlayan bu özgün iletim tekniği, gelecek nesil ağların şekillenmesine yönelik yeni öngörüler sunmaktadır. 5G ötesi ağlara umut verici çözümler sağlayan bir diğer yöntem ise üzerindeki düşük maliyetli yansıtıcı elemanlar ile yayılım ortamını avantajlı yönde uyarlayabilen RIS-tabanlı sistem tasarımlarıdır. MBM tekniğinde, verici anten üzerine entegre edilen parazitik elemanlar gibi, RIS'teki akıllı yansıtıcı elemanlar da saçılım ortamını zenginleştirmekte ve buna ek olarak da, yansıma, güçlendirme ve soğurma gibi işlevleriyle ile işaret kalitesini daha da iyileştirmektedirler. Bu anlamda, iletim kanalının farklı durumları üzerinden ek bilgi iletimi sağlayan MBM, RIS iletiminin özel bir durumu olarak görülmektedir. Bu tezde, tüm bu gelişmeler göz önüne alınarak, gelecek nesil haberleşme ağları için IM-tabanlı sistemlerin potansiyeli incelenerek, MBM iletim tekniğinden RIS'e kadar geniş bir yelpazede, özgün IM sistemleri önerilmiştir. Bu tezde, ilk olarak, vericide gerçek bir uyarlanabilir anten (reconfigurable antenna, RA)'nin ışıma parametreleri kullanılarak, 6 gigahertz (GHz)-altı iletim bandı için, gelişmiş uluslararası mobil haberleşme (International Mobile Telecommunications-Advanced, IMT-Advanced) standartlarına göre oluşturulan gerçekçi bir kanal modeli üzerinden MBM sistemi tasarlanmıştır. Bu çalışmada, literatürdeki çoklu kanal durumlarının birbirinden bağımsız ve ilişkisiz olduğu varsayılan mevcut MBM sistemlerinin aksine, gerçek bir RA'nın ışıma parametreleri kullanılarak, birbirleriyle makul düzeyde ilişkili kanal durumlarının oluştuğu gerçekçi bir iletim ortamında, MBM sistemin başarımının incelenmesi amaçlanmıştır. Daha sonra ise, yapılan analizler genişletilerek, farklı konumlandırma, iç/dış mekan iletim ortamları ve farklı RA kullanımlarına elverişli, çeşitli MBM senaryolarının uygulanabileceği açık kaynaklı bir kanal simülatörü (SimMBM) oluşturulmuştur. Çok yollu bir iletim ortamında, her bir kanal durumu, MBM işaret kümesinin bir elemanına karşılık geldiğinden, alıcıya ulaşan işaret, bağımsız ve özdeş dağılmış (independent and identically distributed, i.i.d.) Gauss rastlantı değişkenleri olarak algılanmaktadır. Alıcıdaki bu rastgelelik, Shannon kapasite kuramına göre, yüksek kapasitelere ulaşmak için bir yöntem olarak görülmektedir. Bu durum, klasik MIMO iletimin aksine, klasik uzay-kaydırmalı anahtarlama (space-shift keying, SSK) ve MBM sistemlerinde, artan kanal durum sayısının hata başarımını iyileştirme sebebini ortaya koymaktadır. Bu tezdeki ilerleyen çalışmalarda, MBM'in bu avantajlı özelliğini, klasik uzay-zaman blok kodlama (space-time block coding, STBC) iletim teknikleri ile birleştirerek, MBM'e verici anten çeşitlemesi kazandırarak daha da yüksek kapasite değerlerine ulaşılabilmesini amaçlayan iki farklı MBM-tabanlı STBC tekniği geliştirilmiştir: ST-MBM ve dairesel STBC-IM (circular STBC-IM, CSTBC-IM). Bu sistemlerde, klasik SSK iletimi uzay-zaman yöntemlerinden biri olan Hurwitz-Radon matrisleri ile ve dairesel matris-tabanlı STBC teknikleri kullanılarak, tek bir RF zinciri ile çeşitli mertebeden verici çeşitlemesi kazancı sağlanmıştır. Tüm bunlara ek olarak, kapsamlı teorik analizler sonucunda, bu sistemler için bit hata oranı (bit error rate, BER) ve kapasite başarımları elde edilmiş ve bu sonuçlar, bilgisayar benzetimleri ile desteklenmiştir. Bir sonraki çalışmada, klasik çok-girişli çok-çıkışlı (multiple-input multiple-output, MIMO) ve IM-tabanlı MIMO sistemleri desteklemek üzere, alıcı ve verici arasında, sadece yalın faz kaymaları oluşturabilen pasif RIS yansıtıcı yüzeylerin konumlandırıldığı varsayılmıştır. Bu çalışmada, kosinüs benzerlik teoremi kullanılarak, hesaplama karmaşıklığı yüksek herhangi bir hüzmeleme tekniğine başvurmadan, RIS yansıtıcı yüzeylerinin fazları, sistemin işaret-gürültü oranını (signal-to-noise, SNR) enbüyükleyecek şekilde düzenleyen, düşük-karmaşıklıklı bir algoritma geliştirilmiştir. Bunun yanı sıra, yarı-analitik bir yolla, RIS-tabanlı MIMO ve RIS-tabanlı IM sistemler için teorik ortalama bit hata olasılığı (average bir error probability, ABEP) elde edilerek, bu sonuçlar, kapsamlı bilgisayar benzetimleri ile desteklenmiştir. RIS-tabanlı sistemlerde, RIS yansıtıcı elemanlarının fazlarının yanı sıra, ek güç tüketimi karşılığında, genliklerinin de ayarlanabilir olması, daha da yüksek kapasite değerlerine ulaşabilmesinin önünü açmaktadır. Bu amaçla, bütün yansıtıcı yüzeyleri ek güçlendiriciler ile desteklenen bir RIS'in doğrudan bilgi iletiminde kullanıldığı, yeni bir IM tekniği geliştirilmiştir. Bu çalışmada, vericide kullanılan modülasyonsuz bir taşıyıcıyı, gelen bilgi bitlerine göre, kolaylıkla ayırt edilebilir, birbirinden farklı genlik düzeylerine sahip işaretlere dönüştürmek üzere, RIS yansıtıcı yüzeyleri, sadece fazı ayarlanabilen pasif elemanlar veya hem genliği hem fazı ayarlanabilen aktif elemanlardan oluşan alt-gruplara ayrılmaktadır. Böylece, hem aktif hem de pasif elemanlardan oluşan hibrit RIS yapısı, herhangi bir RF zincirine gerek duyulmaksızın, vericide iletilen taşıyıcı işaret ve farklı RIS kombinasyonları üzerinden, sanal bir genlik kaydırmalı anahtarlama (amplitude shift keying, ASK) modülasyon kümesi oluşturulmaktadır. Bu özgün çalışmada, kapsamlı teorik analizler ve bilgisayar benzetimleri sonucunda, önerilen sistemin mevcut pasif RIS, aktif RIS ve yansıma modülasyonu (reflection modulation, RM) sistemlerine ile BER, kapasite ve enerji verimliliği karşılaştırmaları yapılmıştır. Son bir kaç yılda, pasif RIS-tabanlı sistem tasarımları üzerine geniş bir literatür oluşsa da, aktif RIS-tabanlı sistemlerin yüksek kapasitelere ulaştıklarına dair yapılan ilk çalışmalar, yeni araştırma alanlarının yolunu açmıştır. Bu bağlamda, bu tezde, çok kullanıcılı sistemlerde, vericinin kullanıcılar arası girişimi giderme görevini tamamen aktif RIS'e taşıyan yeni bir havadan hüzmeleme (over-the-air beamforming) tekniği önerilmektedir. Önerilen sistemde, alıcı ve verici tarafta herhangi bir karmaşık donanıma sahip işaret işleme tekniğine başvurmadan, RIS yardımıyla aşağı-yönlü iletim yapan çok kullanıcılı bir sistemin toplam-hızını (sum-rate) enbüyükleyecek şekilde, aktif yansıtıcı yüzeylerin genlik ve faz değerleri ayarlanmaktadır. Bununla birlikte, bu havadan hüzmeleme tekniğinden esinlenerek, yukarı yönde iletim yapan tek-kullanıcılı MIMO bir iletim sisteminde, mevcut alıcı antenlerden biri etkinleştirerek, bu etkin antenin indisi üzerinden ek bilgi biti ileten yeni bir alıcı IM (receive IM) tekniği geliştirilmiştir. Önerilen bu sistemde, gönderilen işareti, gelen bilgi biti ile belirlenen alıcı antene yöneltmek üzere vericide ön kodlama yapan klasik alıcı IM tekniklerinden farklı olarak, aktif yansıtıcı yüzeylerin katsayıları, gönderilen bilgiyi sadece ilgili alıcı antene yönlendirmek üzere ayarlanmaktadır. Önerilen bu iki havadan hüzmeleme tekniğinde, aktif yansıtıcı yüzeylerinin en uygun katsayılarını belirlemek için yarı-kesin rahatlatma yöntemi (semi-definite relaxation, SDR)'ne başvurarak iki farklı optimizasyon problemi oluşturulmuş ve bu problemler CVX konveks optimizasyon çözücüleri yardımı ile çözülmüştür. Bunun yanı sıra, kapsamlı bilgisayar benzetimleri sonucunda, klasik verici ön kodlama tekniklerine karşılık, önerilen havadan hüzmeleme tekniklerinin başarım üstünlüğü vurgulanmıştır. Özetle, bu tez çalışmasında, klasik MBM'den başlanarak, güncel RIS-tabanlı araştırmaları da kapsayan geniş bir yelpazede, gelecek nesil haberleşme sistemleri için özgün IM çözümleri önerilmektedir. Bu tez sürecince, STBC iletim tekniği, düşük karmaşıklıklı algoritmalar, optimizasyon teknikleri, fiziksel kanal modelleme gibi bir çok farklı alanda çalışmalar yapılmıştır. Önerilen sistemlerin başarımlarını incelemek üzere, bu sistemlerin klasik ve güncel iletim teknikleri ile başarım karşılaştırmaları kapsamlı bilgisayar benzetimleri ile yapılarak, bu sonuçlar, teorik analizlerle desteklenmiştir.

Özet (Çeviri)

According to the Cisco Annual Internet Report, by 2023, 5G speeds are expected to reach 575 megabits per second (Mbps), 13 times faster than the speed of average mobile connections. It is also estimated that more than 10 percent of the 13.1 billion mobile devices/connections will be 5G-enabled and 50 percent of global devices will support machine-to-machine (M2M) connectivity. These advancement towards future communication networks has led to develop enabling technologies that are defined in three different use cases: enhanced mobile broadband (eMBB), massive machine-type communication (mMTC) and ultra-reliable low-latency communication (URLLC). In 5G and beyond networks, mMTC and URLLC technologies will enable effective wireless connectivity for massive number of machine-type devices with ultra-low-latency, at the sub-millisecond level, which exceeds the capabilities of today's technologies. On the other hand, eMBB aims to achieve high spectral efficiency values with high reliability. These demanding performance requirements drive the need for more flexible physical layer solutions rather than the existing power-hungry and hardware-complex designs. In recent years, to address these needs, researchers have envisioned novel and effective paradigms towards future wireless networks through diverse aspects: index modulation (IM), reconfigurable intelligent surfaces (RISs), internet-of-things (IoT), visible light communications, millimeter wave (mmWave) and terahertz (THz) communications, etc. Over the past decade, there has been a growing interest towards IM-based system designs that enhance the data rate by conveying additional information bits through the building blocks of a wireless transmission network. Compared to the early designs, with their considerably lower transceiver complexity and higher energy efficiency, IM schemes have been considered as alternative solutions for 5G and beyond wireless networks. More specifically, media-based modulation (MBM), one of the commonly encountered transmission schemes in the IM literature, embeds the information into the selection of a particular transmission path from a multitude of channel states created by integrating parasitic elements such as radio frequency (RF) mirrors and PIN diodes into the transmit antenna(s). Therefore, the corresponding receiver perceives a unique signature of the specified channel state. This peculiar manner in the transmission information that randomizes the wireless channel offers novel insights in shaping future networks. On the other hand, in recent years, RIS-empowered communication technology, which adapts the propagation environment in a favorable manner via deploying low-cost reflecting elements, is regarded as a revolutionary technique to build next-generation networks. Similar to the external parasitic elements in MBM, smart reflecting elements at RISs enrich the propagation environment besides, they induce proper phase shifts to manipulate the channel for improving the overall signal quality by exploiting low-cost PIN diodes or varactors. Apparently, the MBM and RIS are based on similar constructions. However, while MBM aims to transmit additional information bits, RIS, in addition, enables to increase in the overall system reliability. Therefore, due to this additive contribution, RIS can be regarded as an enhanced form of the MBM transmission technique. In this thesis, in order to meet demanding requirements of future generation networks that aim to attain ultimate data rate, we explore the potential of the IM systems and put forward novel solutions with solid theoretical foundations from MBM to RIS-aided systems via applying to a variety of unique tools as follows. In the first study of this thesis, exploiting the statistics of a real reconfigurable antenna (RA) in realistic International Mobile Telecommunications-Advanced (IMT-Advanced) indoor and outdoor channel conditions for the sub-6 gigahertz (GHz) spectrum, we interpret the MBM transmission principle with and without RIS cases. In this study, contrary to existing MBM schemes that consider independent and uncorrelated channel states, we aim to investigate the performance of the MBM scheme under realistic channel conditions using radiation parameters of a real RA that creates a reasonably correlated set of channel states. In that sense, we extend our implementations and introduce an open-source physical channel simulator, SimMBM, that enables to perform different MBM systems for varying localizations, scenarios and RA adaptations. In a multipath environment, since each channel state constitutes a point in the MBM constellation, from the receiver point of view, the arrived signal is perceived as an independent and identically distributed (i.i.d.) Gaussian random variable, which is, according to the Shannon capacity theorem, a desired way to attain higher capacity gains. Thus, unlike conventional MIMO systems, this inherent capacity-achieving characteristic plays an important role to understand the reason behind the improved error performance of MBM schemes with the increasing number of channel state realizations. In the next two studies of this thesis, combining this unique property of MBM with the classical space-time block coding (STBC) techniques, we aim to attain further capacity improvements via achieving transmit diversity gains. In these studies, we adapt the classical Hurwitz-Radon family of matrices and the new circular matrix-based STBC design to MBM in order to achieve various orders of transmission diversity gains over a single RF chain. Moreover, through extensive analyses, we obtain the theoretical bit error rate (BER) and capacity performance of the proposed schemes, which are supported via comprehensive computer simulations. In the subsequent study, we deploy an RIS with passive reflecting elements, which are capable of inducing plain phase shifts to assist the classical multiple-input multiple-output (MIMO) and IM-based MIMO transmission systems. In this study, in order to maximize the signal-to-noise (SNR) of the overall cascaded system, without applying computationally complex beamforming techniques, we propose a cosine similarity theorem-based low-complexity algorithm for adapting the phase shifts of the RIS reflecting elements. Moreover, a semi-analytical probabilistic approach is developed to derive the theoretical average bit error probability (ABEP) of the system. Furthermore, the validity of the theoretical analysis is supported through extensive computer simulations. Although a massive literature has grown up around passive RIS-aided studies, most recently, the potential of active RISs that are capable of achieving ultimate capacity gains at the expense of additional power constraints stimulates novel research domains. In that sense, we develop a novel IM scheme in which a hybrid RIS with both active and passive reflecting elements acts as a transmit information unit. In this study, according to incoming information bits, the corresponding RIS is divided into sub-groups which consist of either passive elements with simple phase shifts or active elements with adjustable amplitudes and phases in a way that each RIS realization creates a signal with clearly distinguishable magnitude. In other words, the proposed scheme constitutes a virtual amplitude shift keying (ASK) modulation. Moreover, through comprehensive theoretical analyses and computer simulations, the BER, achievable rate and energy efficiency performance of the proposed scheme are compared with existing fully passive RIS, fully active RIS and reflection modulation (RM) systems. In the last study of this thesis, in order to simplify transceiver complexity of classical multi-user transmission schemes, we propose a new over-the-air beamforming concept that completely transfers the inter-user interference cancellation duties of the transmitter to an active RIS. In the proposed concept without resorting to any hardware-complex pre/post signal processing techniques at the transmitter and the receiver, the amplitudes and phases of the active reflecting elements at the RIS are optimized to maximize sum-rate gains of a multi-user downlink transmission system. Moreover, taking inspiration from this over-the-air beamforming concept, a new receive IM scheme that transmits additional information bits to specify the index of the effective received antenna is also proposed. Contrary to the existing receive IM system designs that conduct transmit beamforming to steer the overall information to the specified received antenna, in the proposed receive IM scheme, without applying any transmit beamforming techniques, the reflection coefficients of the active RIS are adjusted to orient the overall reflected signal in direction of the effective received antenna. In these proposed over-the-air beamforming concepts, to optimize the reflection coefficients of the active RISs, two distinct semidefinite relaxation (SDR)-based optimization problems are formulated, which can be effectively solved through the CVX convex optimization toolbox. Moreover, through comprehensive simulation results, the sum-rate and BER performance of the proposed designs are investigated. In summary, this thesis presents novel IM-based physical layer solutions for future generation networks in various facets starting from the classical MBM to the emerging RIS-aided systems. Through this process, we resort to different approaches including STBC techniques, low-complexity algorithms, convex optimization, physical channel models, etc. Moreover, in order to demonstrate the performance of the systems, through comprehensive computer simulations, we compare our all system designs with the classical systems and their state-of-the-art competitors. Then, in order to support these results, we attempt to derive theoretical performance analyses.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    887618

    Index modulation based designs, error performance and physical layer security analyses for unmanned aerial vehicle networks

    İnsansız hava aracı ağları için indis modülasyonu tabanlı tasarımlar, hata performansı ve fiziksel katman güvenlik analizleri

    AYŞE BETÜL BÜYÜKŞAR

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektronik-Haberleşme Eğitimi Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. İBRAHİM ALTUNBAŞ

  2. Tez No

    554338

    Ortam-tabanlı modülasyonlu özgün sistem tasarımları

    Novel system design with media-based modulation

    İBRAHİM YILDIRIM

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. İBRAHİM ALTUNBAŞ

    DOÇ. ERTUĞRUL BAŞAR

  3. Tez No

    507550

    Dik kanal modülasyonda kanal kestirimi

    Channel estimation of quadrature channel modulation

    HASAN PAMUKÇU

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2018

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ BAHATTİN KARAKAYA

    PROF. DR. HAKAN ALİ ÇIRPAN

  4. Tez No

    561366

    Ortam tabanlı modülasyonlu işbirlikli dik olmayan çoklu erişim

    Media-based modulated cooperative non-orthogonal multiple access

    MEHMET CAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. İBRAHİM ALTUNBAŞ

  5. Tez No

    553960

    Yeni nesil haberleşme sistemleri için yeni bir zamanlama algoritmasının geliştirilmesi

    Developing a radio resource scheduler for mobile systems

    FATİH BURAK KOYUN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MESUT KARTAL

Geri Dön