Measurement-based antenna misalignment analysis and angle of arrival estimation for terahertz wireless communication systems
Kablosuz haberleşme sistemlerinde ölçüm tabanlı hatalı anten hizalaması analizi ve geliş açısı kestirimi
- Tez No: 844665
- Danışmanlar: PROF. DR. GÜNEŞ ZEYNEP KARABULUT KURT
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- 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: 75
Özet
Anlık bilgi talepleri ve daha hızlı veri iletim hızlarına olan ihtiyaç arttıkça, kablosuz iletişim sistemlerinin bant genişliği gereksinimlerinin mevcut milimetre dalga (mm-Dalga) sistemlerinin kapasitelerini aşacağı öngörülmektedir. Bu ihtiyaca yanıt olarak, Terahertz (THz) kablosuz iletişim sistemleri, 6G ve gelecekteki kablosuz sistemler için umut vaat eden bir seçenek olarak ortaya çıkmıştır. Hem iç mekan hem de dış mekan iletişimi için uygulanabilen, 0.1 THz - 10 THz aralığında büyük bir sürekli bant genişliği sunmaktadır. Bununla birlikte, THz iletişim sistemlerinin uygulanması, önemli yayılma kayıpları, moleküler emilim ve anten hizalamasının sistem performansı üzerindeki etkileri gibi zorlukları beraberinde getirmektedir. Elde edilebilen yüksek veri hızları sayesinde, THz bandı birçok farklı sektörde pratikte kullanılabilir hale gelmektedir. Örneğin, tıp sektöründe, THz teknolojisi sayesinde daha hassas teşhis yöntemleri geliştirilebilir. Bu yöntemler, kanser gibi hastalıkların daha erken teşhis edilmesini ve tedavi edilmesini sağlayabilir. Savunma sektöründe ise, THz teknolojisi sayesinde, gizli nesnelerin tespiti ve izlenmesi daha etkili bir şekilde gerçekleştirilebilir. Uzay araştırmaları alanında ise, THz teknolojisi sayesinde, daha hassas ölçümler yapılabilecek ve daha uzak mesafelere veri transferi gerçekleştirilebilecektir. 6G teknolojisi ile birlikte, hücrelerin Tbps seviyelerinde işlem hacmine çıkması beklenmektedir. Bu nedenle, THz telsiz haberleşmenin hücre ana bağlantılarında etkin bir rol üstlenmesi, daha yüksek veri hızlarına ulaşılmasını ve daha fazla cihazın bağlanmasını mümkün kılacaktır. Bunun yanı sıra, veri merkezlerinde kabinetler arası iletişim ve veri transferinin THz dalgaları ile gerçekleştirilmesi, kablolama maliyetinin düşürülmesini sağlayacak ve merkezin dizaynında esneklik sağlayacaktır. Bu da veri merkezlerinin daha etkin bir şekilde yönetilmesine yardımcı olacaktır. THz teknolojisi, özellikle yüksek frekanslı dalgaların kullanılmasından kaynaklanan engelleri aşarak, daha yüksek veri hızlarına ulaşmayı mümkün kılan bir teknolojidir. Bu nedenle, araştırmaların bu alanda devam etmesi ve yeni teknolojilerin geliştirilmesi, kablosuz iletişim teknolojileri için önemli bir alan olmaya devam edecektir. Bununla birlikte, THz iletişim sistemlerinin uygulanması, önemli yayılma kayıpları, moleküler emilim ve anten yanlış hizalanmasının sistem performansı üzerindeki etkileri nedeniyle zorluklar ortaya çıkarmaktadır. Moleküler emilim özellikle yüksek frekanslarda sorun olarak ortaya çıkmaktadır bu yüzden THz frekanslarına bağlıdır ve farklı moleküllerin farklı emilim spektrumları vardır. Bu nedenle, THz sinyalleri, yol boyunca karşılaştığı moleküller tarafından emilim ile karşılaşır ve sinyal gücünün kaybedilmesine neden olur. Bu yüksek lisans tezi, THz iletişim sistemlerindeki yukarıda bahsedilen zorlukları ele almayı amaçlamaktadır. Temel hedefimiz, anten hizalamasının sistem performansı üzerindeki etkilerini analiz etmektir. Bu amaçla, anten hizalamasının haberleşme kanalına olan etkisini doğru bir şekilde karakterize edebilen kapsamlı bir ölçüm sistemi tasarladık ve uyguladık. Kapsamlı deneyler ve ölçümler yaparak, anten hizalamasının neden olduğu sistem performansının bozulmasını nicelendirmeyi ve temel mekanizmaları ayrıntılı bir şekilde anlamayı hedefliyoruz. Ayrıca, özellikle THz iletişim sistemleri için özelleştirilmiş yeni gelişmiş varış açısı (AoA) tahmin teknikleri geliştirmeyi amaçlıyoruz. Bu teknikler, ileri sinyal işleme algoritmaları ve yenilikçi anten dizaynlarından faydalanarak, hizalama sorunu olsa bile gelen sinyallerin varış açılarını doğru bir şekilde tahmin etmeyi sağlayacaktır. AoA tahmininin doğruluğunu artırarak, THz sistemi tasarımının hüzme oluşturma, uzaysal çoğullama ve diğer önemli yönlerinde önemli ilerlemelerin kaydedilmesini bekliyoruz. Araştırma çabalarımız aracılığıyla, gelecek nesiller için daha verimli ve güvenilir THz kablosuz iletişim sistemlerinin gelişimine katkıda bulunmayı hedefliyoruz. Anten hizalamasının etkisini azaltarak ve AoA tahmininin doğruluğunu artırarak, daha yüksek veri hızlarına, geliştirilmiş kapsamaya ve genel sistem performansına sahip THz sistemlerinin mümkün olacağını düşünüyoruz. Bu çalışma, kablosuz iletişime katkı sağlayabilir ve 6G ağları, ultra hızlı kablosuz bağlantılar ve yüksek kapasiteli iletişim sistemleri de dahil olmak üzere çeşitli uygulamalara THz teknolojisinin sorunsuz entegrasyonunun yolunu açabilir. Ayrıca bu yüksek lisans tezi, mobil ağlardaki veri kapasitesinin artan talebi karşısında kablosuz iletişim sistemleri için THz bandının potansiyelini incelemektedir. Çalışma, mm-Dalga sistemler gibi geleneksel frekans spektrumlarının sınırlamalarını vurgulamakta ve THz bandının bu sınırlamaları nasıl aşabileceğini göstermektedir. THz kablosuz iletişim sistemlerinde AoA tahmini ve anten hizalamasının ele alınması için kapsamlı ölçüm kampanyaları ve yeni algoritmaların önemi vurgulanmaktadır. Tez, özellikle THz tabanlı uzay bilgi ağları (SINs) için tasarlanmış olan ve hesaplama açısından verimli olmasının yanı sıra AoA tahminini doğru bir şekilde gerçekleştirebilen yeni bir algoritma olan AoSA-gold-MUSIC'i önermektedir. Ölçüm kampanyasından elde edilen kanal darbe ve frekans yanıtlarının analizi, elektromanyetik dalgaların farklı senaryolardaki davranışı hakkında değerli bilgiler sunmakta ve THz bandının bozucu ölçütlere sahip gelecek nesil kablosuz iletişim sistemlerinin yolunu açabileceğini göstermektedir. Bu ölçütler arasında, 100 Gbps'ye kadar veri hızları, 0.1 ms gibi düşük gecikme süresi ve yüksek spektrum verimliliği yer almaktadır. Tez, THz bandı ve kablosuz iletişim sistemlerinde daha fazla araştırma ve geliştirme ihtiyacını vurgulayarak, potansiyelinin tam olarak açığa çıkarılması ve artan veri kapasitesi ve bilgi alışverişi taleplerinin karşılanması için önemini vurgulamaktadır. Tezin 2. bölümünde, THz frekanslarında anten hizalaması ile ilgili sorunların genel bir bakışı sunulmuş ve bir potansiyel çözüm olarak AoA tahmin tekniklerinin kullanımı ele alınmıştır. THz frekanslarında anten hizalamasının önemi, özellikle THz frekanslarını kullanan insansız hava araçları (UAVs) ve SINs bağlamında vurgulanmıştır. Ayrıca, SINs'lerin THz frekanslarını kullandığı bağlamda, anten hizalaması sorununu ele almak için AoA tahmin tekniklerinin önemi bu tezin bu bölümünde detaylı bir şekilde tartışılmıştır. Bölüm 3'te, yanlış hizalamanın THz iletişim sistemleri üzerindeki etkisini değerlendirmek amacıyla, Gebze'deki Türkiye Bilimsel ve Teknolojik Araştırma Kurumu'nda (TÜBİTAK) bulunan M\.{I}LTAL tesisinde bir ölçüm düzeneği kurulmuştur. Kurulum, 240 GHz ile 300 GHz arasındaki frekans aralığında THz kanallarını modellemek için tasarlanmıştır. Ölçümler, 240 GHz ile 300 GHz arasında değişen frekanslar kullanılarak bir dizi mesafe ve açı boyunca gerçekleştirilmektedir. Mesafe aralıkları 10 cm'lik artışlarla 20 cm ile 100 cm arasında değişmektedir. Açı aralıkları 0 derece ile 30 derece arasındaki her mesafede, 0 derece ile 15 derece arasındaki 1 derecelik aralıklarla ve 15 derece ile 20 derece arasındaki 5 derece aralıklarla ölçülür. Bu kapsamlı veri seti ile elektromanyetik dalgaların çeşitli senaryolardaki davranışlarına ilişkin değerli bilgiler sağlanmaktadır. Ölçüm çalışmaları, bu frekans aralığında değişen mesafelerin ve antenin yanlış hizalanmasının kanalın kompleks kazanç üzerindeki etkisini araştırmayı amaçlamaktadır. Çalışmanın sonuçları, anten yanlış hizalamasının THz kablosuz iletişim için kritik bir faktör olduğunu ve alınan gücün hem antenler arasındaki mesafeden hem de yanlış hizalamanın derecesinden önemli ölçüde etkilendiğini göstermektedir. Bölüm 4'te, THz kablosuz sistemlerde AoA'yı gelişmiş doğruluk ve azaltılmış karmaşıklıkla belirlemek için yeni bir yöntem tanıtılmıştır. Hem verici hem de alıcıda tekdüze düzlemsel dizi (UPA) kullanan sistemler için THz frekanslarında çalışan SIN'lerin ani hareketlerinden dolayı Doppler'in tam olarak kompanze edilemediği durumlarda ortaya çıkan artık Doppler'i hesaba katan kanal modeli analiz edilmiştir. Daha sonra, THz iletişim sistemleri için genel sistem modelini tanımlamak için alt diziler dizisi (AoSA) mimarisi kullanılır. Bu mimari, MIMO verici ve alıcılarındaki yüksek sayıda kullanılan antenden kaynaklanan donanım karmaşıklığı ve güç tüketimi problemlerine çözüm olmak için daha az sayıda RF zinciri kullanımına olanak sağlamaktadır. Son olarak, sonuçlar AoSA-gold-MUSIC algoritmasının hem doğruluk hem de hesaplama verimliliği açısından standart MUSIC algoritmasından daha iyi performans gösterdiğini ortaya koymaktadır. Ayrıca, AoSA-gold-MUSIC algoritmasının performansı farklı sinyal-gürültü oranı (SNR) değerleri ve değişen artık Doppler varyansı için değerlendirilmiştir. Bu yaklaşımın THz kablosuz iletişim sistemleri için önemli pratik etkileri olabilir. Bu tez, kablosuz iletişim sistemleri için THz bandının potansiyelini araştırmaktadır ve özellikle mobil ağlardaki veri kapasitesinin artan talebini ele almaktadır. Geleneksel frekans spektrumlarının, örneğin mm-Dalga sistemlerinin sınırlamalarını vurgulamakta ve THz bandının bu sınırlamaları nasıl aşabileceğini göstermektedir. Tez, kapsamlı ölçüm kampanyaları ve THz kablosuz iletişim sistemlerinde doğru AoA tahmini ve anten hizalamasının ele alınması için yeni algoritmaların önemini vurgulamaktadır. Özellikle THz tabanlı SIN için özelleştirilmiş olan AoSA-gold-MUSIC adlı yeni bir algoritma önerilmektedir ve hem etkin hem de doğru AoA tahmini sunmaktadır. Kanal darbe ve frekans yanıtlarının analizi, elektromanyetik dalgaların farklı senaryolardaki davranışı hakkında değerli bilgiler sunmakta ve THz bandının gelecek nesil kablosuz iletişim sistemleri için bozucu potansiyelini göstermektedir. Tez, THz bandı ve kablosuz iletişim sistemlerinde daha fazla araştırma ve geliştirme ihtiyacını vurgulayarak, potansiyelinin tam olarak açığa çıkarılması ve artan veri kapasitesi ve bilgi alışverişi taleplerinin karşılanması için önemini vurgulamaktadır.
Özet (Çeviri)
As the demand for instant information and faster data transmission rates increases, the bandwidth requirements of wireless communication systems are predicted to exceed the capabilities of current millimeter-wave (mm-Wave) systems. To address this need, Terahertz (THz) wireless communication systems have emerged as a promising option for 6G and future wireless systems, offering a large contiguous bandwidth in the range of 0.1 THz - 10 THz that is applicable for both indoor and outdoor communication. However, the implementation of THz communication systems presents challenges due to substantial propagation losses, molecular absorption, and the effects of antenna misalignment on system performance. This master's thesis focuses on addressing the aforementioned challenges in THz communication systems. Our primary objective is to analyze the effects of antenna misalignment on system performance. To achieve this, we have designed and implemented a comprehensive measurement system capable of accurately characterizing the impact of misalignment on THz communication channels. By conducting extensive experiments and measurements, we aim to quantify the degradation in system performance caused by antenna misalignment and establish a thorough understanding of the underlying mechanisms. Furthermore, we aim to develop novel angle of arrival (AoA) estimation techniques specifically tailored for THz communication systems. These techniques will leverage advanced signal processing algorithms and innovative antenna array designs to accurately estimate the arrival angles of incoming signals, even in the presence of misalignment. By improving the accuracy of AoA estimation, we anticipate significant advancements in beamforming, spatial multiplexing, and other key aspects of THz system design. Through our research efforts, we strive to contribute to the development of more efficient and reliable THz wireless communication systems for future generations. By mitigating the impact of antenna misalignment and enhancing the accuracy of AoA estimation, we envision THz systems that can achieve higher data rates, improved coverage, and enhanced overall system performance. This work has the potential to revolutionize wireless communication and pave the way for the seamless integration of THz technology into various applications, including 6G networks, ultra-fast wireless links, and high-capacity communication systems. As a result, this master's thesis examines the potential of the THz band for wireless communication systems in the face of growing demand for data capacity in mobile networks. The study highlights the limitations of conventional frequency spectrums, such as the mm-Wave systems, and demonstrates how the THz band can overcome these limitations. The importance of comprehensive measurement campaigns and new algorithms to estimate the AoA and address antenna misalignment in THz wireless communication systems is emphasized. The thesis proposes a new algorithm, the AoSA-gold-MUSIC, which is designed specifically for THz-enabled space information networks (SINs) and is able to estimate AoA accurately while being computationally efficient. The analysis of channel impulse and frequency responses from the measurement campaign provides valuable insights into the behavior of electromagnetic waves in different scenarios and shows how the THz band could pave the way for next-generation wireless communication systems with disruptive metrics. These metrics include data rates of up to 100 Gbps, latency as low as 0.1 ms, and high spectrum efficiency. The thesis underscores the need for further research and development in the THz band and wireless communication systems to unlock its full potential and meet the ever-increasing demand for data capacity and exchange of information. In Chapter 2, an overview of the issues related to antenna misalignment in THz frequencies and the use of AoA estimation techniques as a potential solution is provided. In particular, the importance of antenna misalignment in THz frequencies, especially in the context unmanned aerial vehicles (UAVs) and SINs that are planned to use THz frequencies is highlighted. Also, the relevance of AoA estimation techniques in addressing the misalignment problem, specifically in the context of SINs that use THz frequencies is discussed in this part of thesis. In Chapter 3, in order to evaluate the impact of misalignment on THz communication systems, a measurement setup is constructed in the MILTAL facility located at the Scientific and Technological Research Council of Turkey (TÜBITAK) in Gebze, Turkey. The setup is designed to model THz channels in the frequency range between 240 GHz and 300 GHz, and a signal model is defined to account for distance-dependent path loss and the potential effects of misalignment. Measurements are being conducted across a range of distances and angles using frequencies ranging from 240 GHz to 300 GHz. The distance intervals are ranged from 20 cm to 100 cm with 10 cm increments. The angle intervals are measured at every distance from 0◦ to 30◦, with 1◦ intervals from 0◦ to 15◦ , and 5◦ intervals from 15◦ to 20◦. Valuable insights into the behavior of electromagnetic waves in various scenarios is provided by this comprehensive data set. The measurement campaign aim to investigate the impact of varying distances and antenna misalignment on the channel frequency and impulse response within this frequency range. The results of the study show that antenna misalignment is a critical factor for THz wireless communication, with received power being significantly affected by both the distance between antennas and the degree of misalignment. These findings highlight the importance of precise antenna alignment in the design and deployment of THz wireless communication systems. In Chapter 4, a new method has been introduced to determine the AoA in THz wireless systems with improved accuracy and reduced complexity. The chapter begins by analyzing the channel model, which accounts for residual Doppler in systems that use a uniform planar array (UPA) at both the transmitter and receiver. Then, the array-of-subarrays (AoSA) architecture is used to describe the overall system model for THz communication systems. The AoSA architecture is a commonly used technique in array signal processing, which divides a large array into smaller subarrays to simplify the processing complexity. Finally, the results indicate that the AoSA-gold-MUSIC algorithm outperforms the standard MUSIC algorithm in terms of computational efficiency. Moreover, the performance of the AoSA-gold-MUSIC algorithm is evaluated for different signal-to-noise ratio (SNR) values and varying residual Doppler variance. This approach can have significant practical implications for THz wireless communication systems. This thesis explores the potential of the THz band for wireless communication systems, specifically addressing the increasing demand for data capacity in mobile networks. It highlights the limitations of conventional frequency spectrums, such as mmWave systems, and demonstrates how the THz band can overcome these limitations. The thesis emphasizes the importance of comprehensive measurement campaigns and novel algorithms for accurate AoA estimation and addressing antenna misalignment in THz wireless communication systems. It proposes a new algorithm, AoSA-gold-MUSIC, designed specifically for THz-enabled SINs, which offers efficient and accurate AoA estimation. The analysis of channel impulse and frequency responses provides valuable insights into the behavior of electromagnetic waves in different scenarios, showcasing the disruptive potential of the THz band for next-generation wireless communication systems. The thesis concludes by emphasizing the need for further research and development in the THz band and wireless communication systems to unlock its full potential and meet the ever-increasing demand for data capacity and information exchange
Benzer Tezler
- 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
ERHAN KARAKOCA
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GÜNEŞ ZEYNEP KARABULUT KURT
- A new approach to satellite communication: Harnessing the power of reconfigurable intelligent surfaces
Uydu iletisimine yeni bir yaklaşım: Yeniden yapılandırılabı̇lı̇r akıllı yüzeylerden faydalanma
KÜRŞAT TEKBIYIK
Doktora
İngilizce
2024
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GÜNEŞ ZEYNEP KARABULUT KURT
- Implementation of a channel sounder forindoor millimetre wave systems at 60 ghz
Başlık çevirisi yok
DAMLA GÜVEN
- Sıfırıncı dereceden rezonanslı anten tabanlı elektron paketçik uzunluk monitörü
Zeroth order resonant antenna based electron bunch length monitor
CAN DOKUYUCU
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Fizik ve Fizik MühendisliğiAnkara ÜniversitesiFizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BARIŞ AKAOĞLU
- Monopulse wideband waveguide based travelling wave array antenna
Tek darbe geniş bantlı dalga kılavuzu tabanlı ilerleyen dalga dizi anten
GÖKHAN GÜLTEPE
Yüksek Lisans
İngilizce
2017
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HATİCE ÖZLEM AYDIN ÇİVİ