Geri Dön

Algorithms for interference immunity and efficient radio resource utilization in wireless communications systems

Kablosuz iletişim sistemlerinde girişim direnci ve verimli radyo kaynağı kullanımı için algoritmalar

  1. Tez No: 809933
  2. Yazar: ARMED TUSHA
  3. Danışmanlar: PROF. DR. HÜSEYİN ARSLAN
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2023
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Medipol Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Elektrik-Elektronik Mühendisliği ve Siber Sistemler Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 150

Özet

Girişim, kablosuz iletişim için en yaygın engellerden birini temsil eder. Yeni nesil haberleşme sistemleri, sistem karmaşıklığını ve gecikmesini kontrol ederek yüksek veri hızı, yüksek haberleşme güvenilirligi ile beraber herkesin ve her seyin sürekli olarak bağlı olduğu bir haberlesme ortami hedefler. Bu ortamda, girişim, kablosuz iletişim sistemlerinin ilkel doğasını ortaya çıkarır; iletişim bağlantısını bozan istenmeyen fiziksel bir sinyal her zaman mevcuttur. Bu durum, iletim sinyalinin fiziksel katman mimarisinden, kablosuz kanal ile etkileşiminden, kullanılan radyo kaynaklarından (RR) ve özellikle verici/alıcı mimarisinden kaynaklanır. Geniş uygulama ve kullanım durumları arasında, ultra-güvenilir ve düşük gecikmeli (URLLC) olarak nitelendirilen talepler, katı gereksinimlere sahiptir. Bu çalışmada, tek taşıyıcılı (SC) iletim, URLLC sistemlerin gereksinimlerini karşılamak için umut vadeden bir çözüm olarak ele alınmıştır. İlk olarak, güvenilirlik ve gecikme üzerinde etkili olan RR-tabanlı parametreler ayrıntılı bir şekilde açıklanmıştır. Ek olarak, bu parametreler zaman ve frekans alanında optimize edilerek URLLC sistemlerinin gereksinimlerine ulaşılması amaçlanmıştır. Daha sonra, SC blok içinde adaptif sönümleme faktör kullanımı, girişim düzeyini kontrol ederek daha verimli kaynak kullanımı elde etmek için önerilmiştir. Optimize edilmiş parametreler ile SC sistemlerin önemli gecikme ve güvenilirlik iyileştirmesi elde edilebileceği gösterilmiştir. İndeks modülasyon (IM) ile çok taşıyıcılı iletim, yüksek veri hızları, yüksek güvenilirlik ve düşük gecikme ile uygulamaları karşılamak için esnek yapıları sayesinde umut verici bir aday olarak kabul edilmiştir. Genel olarak, mevcut IM şemaları yalnızca ideal iletişim senaryoları için değerlendirilir. Bu çalışmada, üç frekans alanı IM şemasının hata performansı araştırılmış ve taşıyıcı frekans ofseti (CFO) ve faz içi ve dördün (IQ) dengesizlik girişimi varlığında karşılaştırılmıştır. IM ile ortogonal frekans bölmeli çoğullama (OFDM-IM), genelleştirilmiş IM ile OFDM (OFDM-GIM) ve alt taşıyıcı sayı modülasyonu ile OFDM (OFDM-SNM) değerlendirilir. OFDM-GIM ve OFDM-SNM'in OFDM-IM'e göre daha yüksek spektral verim sağlamasına rağmen, RF bozulmalarına karşı daha duyarlı oldukları bilgisayar tabanlı benzetimlerle gösterilmiştir. Bunlar arasında OFDM-IM, CFO ve IQ dengesizliği altında en iyi hata performansını sağlar. Ortogonal frekans bölmeli çoğullama (OFDM) ve OFDM-IM teknolojilerinin üst üste binmesi yoluyla hibrit güç alanı non-ortogonal çoklu erişim (NOMA) şeması olan IM-NOMA sunulmuştur. Bilgisayar tabanlı simülasyonlar ve matematiksel analizler ile gösterilmiştir ki, IM-NOMA, toplam güç kısıtlaması altında bit hata oranı (BER) ve ulaşılabilir toplam veri oranı açısından klasik OFDM-NOMA'yı geride bırakmaktadır. IM-NOMA'nın sistem performansı, sadece üst üste binen müdahale eden kullanıcılar arasındaki güç farkına bağlı değil, aynı zamanda OFDM-IM sinyalinin RR kullanımının özelliklerine de bağlıdır. Bu nedenle, bu şema, birbirine benzer güç atamalarında olası kritik hat Ortogonal zaman frekans uzayı (OTFS) modülasyonu, güçlü gecikme-Doppler dayanıklılığı sayesinde bağlantı güvenilirliği konusunda önemli avantajlar sunan yeni bir teknolojidir. Klasik hücresel teknolojide, genel sistem performansı, belirli bir kullanıcı ekipmanının (UE) radyo kaynakları üzerinde deneyimlediği zayıflama ve girişimle sınırlıdır. Ayrıca, OTFS performansı, UE'lerin kanal çeşitliliğine bağlıdır. Bu nedenle, bu çalışma pratik senaryoları göz önünde bulundurarak OTFS sistemleri için çoklu kullanıcı çeşitliliğinin potansiyelini inceler. Özellikle, mevcut OTFS çerçevesinin RR'ının en fazla sayıda kanal dokunuşuna sahip UE'ye atanmasını öneren yeni bir zamanlama algoritması tanıtılmaktadır, bu da artan kanal çeşitliliğine yol açar. Hem matematiksel analiz hem de simülasyon sonuçları aracılığıyla, önerilen zamanlama tekniğinin, maksimum olasılık (ML) alıcı ile sistem BER açısından gecikme-Doppler RR'a rastgele erişim şemasını geride bıraktığı gösterilmektedir. BER sonuçları, çeşitli sistem yapılandırmalarını dikkate alan MMSE (minimum ortalama kare hatası) dedektörü ile OTFS iletimi için önerilen tekniklerin doğruluğunu doğrulamaktadır.a performansına karşı dayanıklıdır. Ortogonal zaman frekans uzayı (OTFS) modülasyonu, güçlü gecikme-Doppler dayanıklılığı sayesinde bağlantı güvenilirliği konusunda önemli avantajlar sunan yeni bir teknolojidir. Klasik hücresel teknolojide, genel sistem performansı, belirli bir kullanıcı ekipmanının (UE) radyo kaynakları üzerinde deneyimlediği sönümleme ve girişimle sınırlıdır. Ek olarak, OTFS performansı, UE'lerin kanal çeşitliliğine bağlıdır. Bu nedenle, bu çalışma pratik senaryoları göz önünde bulundurarak OTFS sistemleri için çoklu kullanıcı çeşitliliğinin potansiyelini inceler. Özellikle, mevcut OTFS çerçevesinin RR'ının en fazla sayıda kanal dokunuşuna sahip UE'ye atanmasını öneren yeni bir zamanlama algoritması tanıtılmaktadır, bu da artan kanal çeşitliliğine yol açar. Hem matematiksel analiz hem de simülasyon sonuçları aracılığıyla, önerilen zamanlama tekniğinin, maksimum olasılık (ML) alıcı ile sistem BER açısından gecikme-Doppler RR'a rastgele erişim şemasını geride bıraktığı gösterilmektedir. BER sonuçları, çeşitli sistem yapılandırmalarını dikkate alan minimum ortalama kare hatası (MMSE) dedektörü ile OTFS iletimi için önerilen tekniklerin doğruluğunu kanıtlar. Bu tezde, IQ dengesizliğinden kaynaklanan girişimin OTFS tabanlı iletimin performansı üzerindeki etkisi araştırılmıştır. OTFS, zamanla değişen kablosuz kanalın zaman ve frekans seçiciliğine karşı umut verici bir dayanıklılığa sahip yeni bir iki boyutlu iletim şemasıdır ve IQ bozulması, verici/alıcı tasarımındaki evre uyumsuzluklarından kaynaklanır. Bu çalışmada, OTFS'de evre uyuşmazlığına sahip vericinin fiziksel etkisini göstermek için matematiksel bir model sunulmuştur, bu da sadece Doppler ekseninde meydana gelen yeni bir girişim türü olan ayna-Doppler girişimi (MDI) ile sonuçlanır. Ayrıca, sabit bir zarfa sahip M-ary sembolünü ve ML alıcı dikkate alarak OTFS'in ortalama BER'i için kapalı formda matematiksel ifadesi türetilmiştir. Önemli bir şekilde, bulgularımız, IQ dengesiz vericinin, OTFS iletiminin çeşitlilik kazancında önemli bir azalmaya neden olduğunu, ancak bir boyutlu mevcut iletişim sistemlerindeki BER performansında bir hata düzeyine neden olmadığını kanıtlamaktadır. Monte Carlo tabanlı simülasyonlar, sabit zarf M-ary sembolleri altında farklı sistem yapılandırmaları için elde edilen matematiksel formüllerin doğruluğunu kanıtlamak için sunulmuştur. 5G ve ötesi (B5G) kablosuz sistemlerde düşük hesaplama karmaşıklığı, düşük güç tüketimi ve uygun maliyet sağlamak için basit verici/alıcı mimarilerinin tasarımı kaçınılmazdır, ancak bu, iletimin performans güvenilirliğini önemli ölçüde düşüren donanım bozulmalarına yol açar. Bu nedenle, bu istenmeyen donanım bozulmalarının etkisini telafi etmek için ek donanım veya sinyal işleme gereklidir, bu da spektral verimliliği azaltırken enerji tüketimini ve işleme süresini artırır. Gecikme-Doppler alanında IQ dengesizliğinin etkisini azaltmak için, sistem tasarımında çekici bir RR (radyo kaynakları) esnekliği sağlayan IM (indeks modülasyon) kavramının yardımıyla enerji ve spektral verimli bir IQ dengesizliği telafi şeması öneriyoruz. Klasik kablosuz teknolojilerde kullanılan iteratif ve pilot tabanlı çözümlerin aksine, önerilen şema, IQ dengesizliği etkisinin tahmin ve telafisi sırasında ek enerji tüketimini ve önemli spektral verim kaybını önler. Elde edilen BER sonuçları, pratik senaryolarda mükemmel/kusurlu kanal durumu bilgisini dikkate alan farklı OTFS sistem yapılandırmaları için önerilen telafi edici mekanizmanın doğruluğunu doğrulamaktadır. OTFS, çift yönlü dağılımlı kablosuz ortamın hem zaman hem de frekans seçiciliğinden faydalanır, bu, klasik kablosuz iletişim teknolojilerinde sınırlayıcı faktörlerden biri olarak kabul edilir. Öte yandan, OTFS tabanlı kablosuz sistemlerin performansı, gecikme-Doppler düzleminde her zaman tamsayı Doppler değerleri olmamasının kaçınılmaz ve doğal özelliklerinden kaynaklanan kesirli Doppler nedeniyle ciddi şekilde etkilenir. Bu durum, ciddi aralık-Doppler girişimi (IDI) ve gecikme-Doppler alanında düşük bir kanal seyrekliği ile sonuçlanır. Bu bağlamda, bu çalışma, OTFS tabanlı iletimin hata performansı üzerinde kesirli Doppler'in etkisine karşı mücadele etmek için transceiver'da pratik darbe şekillendirme filtreleri ile birlikte yeni bir alıcı pencereleme tekniği sunmaktadır. Özellikle, IDI'in etkisini azaltmak için alıcıda global çevrim önekli (CP) tabanlı yükselen kosinüs (RC) pencereleme önerilmiştir. Bu amaçla, önerilen şema, IDI düzeyini ve etkili kanalın seyrekliğini tanımlayan DD alanındaki OTFS sinyalinin darbe şeklini değiştirir. Ayrıca, önerilen alıcı pencerelemeli OTFS (RW-OTFS) şemasının çeşitli pratik iletişim senaryolarında performansını değerlendiriyoruz. Elde edilen sayısal ve simülasyon sonuçlar, önerilen IDI önleyicinin yüksek hareketlilik senaryolarında OTFS sistemleri için doğruluğunu kanıtlar.

Özet (Çeviri)

Interference represents one of the most common barriers for the wireless communications society to bring the fully connected world to life, where everybody and everything is connected at any time, aiming to support a wide range of services and applications with increasing demand in terms of data rate with a higher degree of reliability and security, while keeping an affordable overall system capacity, complexity, and latency. Essentially, interference clearly explains the primitive nature of the wireless communications systems, where there is always an unwanted physical signal that disrupts the communication link, occurring from the physical layer architecture of transmission signal, its interaction with the wireless channel, utilized radio resources (RR) and transceiver architecture in particular. Among the wide set of applications and use-cases, demands characterized by ultra-reliable and low-latency (URLLC) have stringent requirements. In this work, single carrier (SC) transmission is considered as a promising solution to meet demands of systems with URLLC. Firstly, RR-based parameters affecting reliability and latency are comprehensively explained. Additionally, these parameters are optimized in time and frequency domain to achieve URLLC. Later, adaptive roll-off factor usage within a SC block is proposed to provide more efficient resource utilization under a fixed intended interference level. It is shown via computer simulations that significant latency and reliability improvement can be achieved for SC systems with the aid of optimized parameters. Multicarrier transmission through index modulation (IM) has been considered as a promising candidate owing to its flexible structures in order to satisfy the applications with high data rates, high reliability, and low latency. In general, existing IM schemes are only evaluated for ideal communication scenarios. In this work, the error performance of three frequency domain IM schemes is investigated and compared in the presence of carrier frequency offset (CFO) and in-phase and quadrature (IQ) imbalance interference. Orthogonal frequency division multiplexing with IM (OFDM-IM), OFDM with generalized IM (OFDM-GIM), and OFDM with subcarrier number modulation (OFDM-SNM) are assessed. It is shown via computer-based simulations that although OFDM-GIM and OFDM-SNM provide higher spectral efficiency compared with OFDM-IM, they are more sensitive against RF impairments. Among them, OFDM-IM provides the best error performance under CFO and IQ imbalance. A hybrid power domain non-orthogonal multiple accessing (NOMA) scheme by the superposition of OFDM and index modulated OFDM (OFDM-IM) technologies is presented and named IM-NOMA. It is shown via both computer-based simulations and mathematical analysis that IM-NOMA outperforms the classical OFDM-NOMA in terms of bit error rate (BER) under a total power constraint and achievable sum rate. The system performance of IM-NOMA not only depends on the power difference between the overlapped interfering users but also on the features of RR utilization for the OFDM-IM signal. Hence, this scheme is robust against possible catastrophic error performance in case similar power is assigned to the coexisting users. Orthogonal time frequency space (OTFS) modulation is a recent technology that offers a significant advantage on link reliability due to its strong delay-Doppler resilience. In classical cellular technology, overall system performance is limited by the fading and interference experienced by particular user equipment (UE) over its radio resources RR. Besides, OTFS performance depends on the channel diversity of the UEs. Therefore, this work examines the potential of multi-user diversity for OTFS systems considering practical scenarios. Specifically, we introduce a novel scheduling algorithm that proposes the assignment of the available RR of OTFS frame to the UE with the largest number of channel taps, resulting in enhanced channel diversity. It is shown via both mathematical analysis and simulation results that the proposed scheduling technique outperforms the scheme with random access to delay-Doppler RR in terms of system BER with maximum likelihood (ML) receiver. The BER results validate the accuracy of the proposed technique for OTFS transmission with minimum mean square error (MMSE) detector considering various system configurations. The influence of interference due to IQ imbalance on the performance of OTFS-based transmission is investigated in this thesis. OTFS is a recent two-dimensional transmission scheme with promising robustness against the time and frequency selectivity of the time-varying wireless channel, and IQ impairment arises from inevitable imperfections between in-phase and quadrature branches in the transceiver design. In this work, the mathematical model is presented to illustrate the physical effect of the IQ mismatched transmitter in OTFS, which results in a new type of interference named mirror-Doppler interference (MDI), occurring only along the Doppler axis. Moreover, a closed-form expression for the average BER of OTFS with IQ imbalanced transmitter is derived taking into account $M$-ary symbol with a constant envelope and maximum likelihood (ML) detection principle. Importantly, our findings prove that IQ imbalanced transmitter causes a significant reduction in the diversity gain of OTFS transmission, but does not lead to an error floor in the BER performance as in one-dimensional current communication systems, i.e., OFDM-based techniques. Monte-Carlo-based simulations are provided to validate the derived mathematical formulas for OTFS transmission with constant envelope M-ary symbols under different system configurations. Design of simple transceiver architectures is inevitable in order to provide low computational complexity, low power consumption and affordable cost in beyond 5G (B5G) wireless systems, but it results in hardware impairments that significantly degrade the performance reliability of transmission. Therefore, extra hardware or signal processing is needed to compensate for the effect of these undesired hardware impairments at the cost of reducing spectral efficiency, increasing energy consumption and processing time. To mitigate the effect of IQ imbalance in delay-Doppler domain, we propose an energy and spectral efficient IQ imbalance compensation scheme with the aid of IM concept, which provides an attractive RR flexibility in the system design. In contrast to conventional solutions used in classical wireless technologies, such as iterative and pilot-based techniques, the proposed scheme avoids additional energy consumption and significant spectral efficient loss during the estimation and compensation of the IQ imbalance effect. The obtained BER results validate the accuracy of the proposed compensator for different OTFS system configurations considering perfect/imperfect channel state information in practical scenarios. On the one hand, OTFS takes advantage of both time and frequency selectivity of the doubly dispersive wireless environment, which has been considered as one of the limiting factors in classical wireless communication technologies. On the other hand, the performance of OTFS-based wireless systems is severely affected by fractional Doppler that arises due to inevitable and inherent characteristics of the wireless channel taps of not being always integer Doppler values in the delay-Doppler plane. Thus, this results in severe inter-Doppler interference (IDI) and a low channel sparsity in delay-Doppler domain. To this end, this work introduces a novel receiver windowing technique to combat the impact of fractional Doppler on error performance of the OTFS-based transmission with practical pulse-shaping filters at the transceiver. Specifically, we introduce a global cyclic prefix (CP) based raised cosine (RC) windowing at Rx in order to alleviate the effect of IDI on the received signal. To do so, the proposed scheme changes the pulse shape of the OTFS signal in DD domain that defines the IDI level and sparsity of the effective channel. Furthermore, we assess the performance of the proposed Rx windowed OTFS (RW-OTFS) scheme under various practical communication scenarios. The obtained numerical and simulation results validate the accuracy of the proposed IDI mitigator for OTFS systems in practical high-mobility scenarios.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    811761

    Optik haberleşme sistemlerinde zeki optimizasyon teknikleri ile tepe gücü / ortalama güç oranının düşürülmesi

    Peak-to-average power ratio reduction using intelligent optimization techniques in optical communication systems

    MAHMOUD Y K ALHALABI

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiErciyes Üniversitesi

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. NECMİ TAŞPINAR

  2. Tez No

    371108

    Frekans atlamalı tasarsız ağlarda dağıtık frekans tahsisi ve öbekleme

    Frequency allocation and clustering in frequency hopping ad hoc networks

    GÖKHAN KILIÇ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2014

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiTOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. TOLGA GİRİCİ

  3. Tez No

    664950

    Design of robust speaker idintification with built-in noise immunity

    Gürültü ayırıma özellikli hoparlör tasarımı

    ALI NAJDET NASRET CORAN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiÇankaya Üniversitesi

    Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HAYRİ SEVER

    DR. ÖĞR. ÜYESİ MURAD MOHAMMED AMIN

  4. Tez No

    758686

    Performance evaluation and experimental verification of vehicular visible light communication

    Araç görünür ışık haberleşmesinin performans değerlendirmesi ve deneysel doğrulaması

    BASSAM ALY ABDELRAHMAN MOHAMED

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiÖzyeğin Üniversitesi

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    Prof. Dr. MURAT UYSAL

  5. Tez No

    489582

    Extended Kalman filter based multi-purpose inertial sensor field calibration algorithm

    Genişletilmiş Kalman filtresi tabanlı çok amaçlı ataletsel sensör saha kalibrasyon algoritması

    LİSAN OZAN YAMAN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2017

    Mühendislik BilimleriOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. KIVANÇ AZGIN

Geri Dön