Novel OTFS system designs for 6G communication networks
6G haberleşme ağları için yeni OTFS sistem tasarımları
- Tez No: 836724
- Danışmanlar: DOÇ. DR. ERTUĞRUL BAŞAR
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Koç Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Elektrik Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 64
Özet
Geleneksel modülasyon yöntemleri, birçok senaryoda etkili olsa da, yüksek hızlı iletişimde dinamik ortamlarla başa çıkmakta zorluklarla karşılaşır. Alıcı ya da verici ekipmanların hızlı hareketi, çoklu yol yayılması ve Doppler yayılmasının etkileri, iletişim kalitesini düşüren etkenlerden bazılarıdır. Bu problemlere cevap olarak, dikgen zaman frekans uzayı (orthogonal time frequency space, OTFS) dalga şekli, gelecek nesil iletişim teknolojilerinin gereksinimleri ile yüksek hızlı veri alışverişinin karmaşıklıklarının üstesinden gelebilen yenilikçi bir çözüm olarak ortaya çıkmıştır. OTFS, zaman frekans alanında iletişime yaklaşımı yeniden tasarlayan devrim niteliğinde bir modülasyon tekniğidir. Geleneksel yöntemlerin aksine, OTFS, hem zaman hem de frekans alanlarını aynı anda kullanarak Doppler yayılmasına karşı üstün performans gösterir. Ancak, 6G standardının katı gereksinimlerini karşılamak için daha sofistike OTFS tabanlı modülasyon şemalarının tasarımına olan ihtiyaç hala devam etmektedir. Bu tezde, OTFS için üç performans iyileştirme yöntemi sunulmaktadır. 3. Bölümde, OTFS'in hata performansını iyileştirmek için derin öğrenmeye (deep learning, DL) dayalı otomatik kodlayıcı (autoencoder, AE) tabanlı iyileştirişmiş OTFS (AEE-OTFS) isimli yeni bir teknik önerilmektedir. Bir AE yapısı, yüksek boyutlu sembollerin öğrenilmesi ve aralarındaki en küçük Öklid mesafesini maksimize etmek için kullanılmıştır. Karmaşık zamanla değişen kanalların aksine, bu AE yapısı, toplanır beyaz Gauss gürültüsü (additive white Gaussian noise, AWGN) kanalının daha basit koşulları altında eğitilmektedir. AE'ın kodlayıcısı ve kod çözücüsü daha sonra gerçek zamanlı bir OTFS sisteminde sembol eşleme ve sembol çözme blokları olarak yeniden kullanılır. Çalışmada aynı zamanda teorik bir paket hata oranı (frame error rate, FER) üst sınırı türetilmiştir. Simülasyon sonuçları, AEE-OTFS'in FER performansı açısından geleneksel OTFS'i geçtiğini göstermektedir. Öğrenilen bir dedektörün (learned detector, LD) eklenmesi, kod çözme karmaşıklığını önemli ölçüde azaltır. Bu bulgular, AEE-OTFS'nin özellikle yüksek hareketlilik ve esneklik senaryolarında belirli 6G uygulamaları için umut vadettiğini göstermektedir. 4. Bölümde, OTFS'nin hata performansını artırmak için ortak gecikme-Doppler indeks modülasyonu tabanlı OTFS (JDDIM-OTFS) tekniği tasarlanmıştır. Bu bö-lümde aynı zamanda bit hata oranı (BER) üzerine teorik bir üst sınır da belirlenmiştir. Bilgisayar simülasyonları, JDDIM-OTFS'nin, eşleştirilmiş filtreli Gauss-Seidel (matched-filtered Gauss-Seidel, MFGS) dedektörü ile maksimum olabilirlik dedektörü (MFGS-ML) ve MFGS ile aç gözlü bir dedektör (MFGS-GRD) ile birleştirildiğinde BER açısından geleneksel OTFS, OTFS-IM ve gecikme-IM OTFS (delay-IM, DeIM-OTFS) sistemlerini geride bıraktığını göstermektedir. MFGS içinde Aç Gözlü bir dedektörün kullanılması kod çözme karmaşıklığını önemli ölçüde azaltır. JDDIM-OTFS, yüksek hareketlilik ve esneklikle karakterize edilen senaryolarda dik-kate değer bir hata performansı sergileyerek, belirli 6G kullanım durumları için heyecan verici bir seçenek haline gelmektedir. Son olarak, 5. bölümde, OTFS'in tepe-ortalama güç oranını (peak-to-average power ratio, PAPR) azaltmak için Walsh-Hadamard dönüşümü (Walsh-Hadamard transform, WHT), Zadoff-Chu dönüşümü (Zadoff-Chu transform, ZCT) ve ayrık kosinüs dönüşümü (discrete cosine transform, DCT) gibi ünitersel dönüşümleri kullanma önerilmektedir. Bu yöntemin farklı çerçeve boyutları üzerindeki performansı ve kırpma ve ayrık Fourier dönüşümü-s (discree Fourier transform-spread OTFS, DFT-s OTFS) teknikleri ile karşılaştırılması yapılmaktadır. Ayrıca, bu yaklaşımın BER performansına diğer yöntemlere göre etkisi değerlendirilir. Bilgisayar simü-lasyonları, bu önerilen yöntemin PAPR'ı önemli ölçüde azalttığını gösterirken, hata performansında yaklaşık olarak 1.5 dB'lik bir kayıp yaşandığını göstermektedir. Yüksek PAPR azaltmanın yanı sıra, alıcı tarafındaki bilgiye ihtiyaç duyulmaması bu yaklaşımı önemli bir yaklaşım haline getirir.
Özet (Çeviri)
Conventional modulation methods, though effective in many scenarios, encounter difficulties when dealing with high-speed communication in dynamic environments. The rapid movement of devices, along with the impacts of multipath propagation and Doppler spread, can introduce complexities that degrade communication quality. To address these challenges, the orthogonal time frequency space (OTFS) waveform emerges as an innovative solution, bridging the gap between the demands of next-generation communication technologies and the intricacies of high-speed data exchange. OTFS represents a groundbreaking modulation technique that reimagines the approach to communication within the time-frequency domain. Unlike traditional methods, OTFS adopts a more comprehensive approach by simultaneously considering both time and frequency domains. However, there is still a need for the design of more sophisticated OTFS-based modulation schemes to meet the rigid requirements of the 6G standard. In this thesis, three performance improvement methods for OTFS are presented. In Chapter 3, a deep learning (DL)-based technique named autoencoder (AE)-based enhanced OTFS (AEE-OTFS) to improve the error performance of OTFS is proposed. An AE structure is exploited to learn a set of high-dimensional symbols and maximize the squared minimum Euclidean distance (SMED) between them. Unlike complex doubly-dispersive channels, this AE is trained under the simpler conditions of an additive white Gaussian noise (AWGN) channel. The encoder and decoder of AE are then repurposed as the mapper and demapper blocks in a real-time OTFS system. The approach also establishes a theoretical frame error rate (FER) upper bound. Simulation results demonstrate that AEE-OTFS outperforms conventional OTFS in terms of FER performance. The addition of a learned detector (LD) significantly reduces decoding complexity. These findings suggest that AEE-OTFS holds promise for certain 6G applications, particularly in high-mobility and flexible scenarios. In Chapter 4, a block-wise index modulation (IM) technique named joint delay-Doppler IM-based OTFS (JDDIM-OTFS) is designed to enhance the error performance of OTFS. In this chapter, a theoretical upper bound on the bit error rate (BER) is also established. Computer simulations reveal that JDDIM-OTFS surpasses conventional OTFS, OTFS-IM, and delay-IM OTFS (DeIM-OTFS) systems in terms of BER when combined with matched-filtered Gauss-Seidel (MFGS) detector with a maximum likelihood detector (MFGS-ML) and MFGS with a greedy detector (MFGS-GRD). The adoption of a Greedy detector within MFGS substantially reduces decoding complexity. JDDIM-OTFS exhibits remarkable error performance in scenarios characterized by high mobility and flexibility, making it an exciting choice for specific 6G use cases. Finally, in Chapter 5, for reducing the peak-to-average power ratio (PAPR) of OTFS, a method is suggested that utilizing unitary transformations such as Walsh-Hadamard transform (WHT), Zadoff-Chu transform (ZCT), and discrete cosine transform (DCT). The performance of this method is evaluated across various frame sizes and compared to clipping and discrete Fourier transform-spread (DFT-s OTFS) techniques. Additionally, the impact of this approach on BER performance is assessed against other methods. Computer simulations demonstrate that this proposed method significantly reduces PAPR while introducing a compromise of approximately 1.5 dB in error performance. The substantial PAPR reduction, coupled with the absence of the need for receiver-side information, highlights the significance of this approach.
Benzer Tezler
- Waveform design for 5G and beyond wireless communication networks
5G ve ötesi kablosuz haberleşme ağları için dalga formu tasarı
SALAH EDDINE ZEGRAR
Doktora
İngilizce
2024
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Medipol ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği ve Siber Sistemler Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HÜSEYİN ARSLAN
- 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
ARMED TUSHA
Doktora
İngilizce
2023
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Medipol ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği ve Siber Sistemler Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HÜSEYİN ARSLAN
- Novel addition fragmentation agents as cationic initiators
Katyonik başlatıcı olarak kullanılan yeni katılma bölüşme reaktifleri
LEVENT ATMACA
- XIX. yüzyıl Türk edebiyatında popüler roman
Turkish popular novel in the XIXth century
SIDDIKA DİLEK YALÇIN
Doktora
Türkçe
1998
Türk Dili ve EdebiyatıHacettepe ÜniversitesiTürk Dili ve Edebiyatı Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BİLGE ERCİLASUN
- Novel high performance ota structures suitable for continuous time ota-c filters
Sürekli zaman ota-c süzgeçlere uygun yüksek performanslı yeni ota yapıları
ALİ ZEKİ
Doktora
İngilizce
1998
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HAKAN KUNTMAN