Geri Dön

A new approach to satellite communication: Harnessing the power of reconfigurable intelligent surfaces

Uydu iletisimine yeni bir yaklaşım: Yeniden yapılandırılabı̇lı̇r akıllı yüzeylerden faydalanma

PDF İndir

  1. Tez No: 849748
  2. Yazar: KÜRŞAT TEKBIYIK
  3. Danışmanlar: PROF. DR. GÜNEŞ ZEYNEP KARABULUT KURT
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol, Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Computer Engineering and Computer Science and Control, Electrical and Electronics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2024
  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: 166

Özet

Altıncı nesil (6G) ve ötesi haberleşme sistemleri için hem son kullanıcılar hem de operatörler tarafından arzulanan kullanıcı merkezli ve her yerde bağlantıya sahip olmanın, yeni nesil iletişim sistemlerinde karasal ve karasal olmayan ağların (NTN) yeniden gözden geçirilerek ve birlikte kullanımlarının tesis edilmesi ile gerçeklektestirilebileceği yaygın olarak kabul edilmektedir. Ayrıca bu vizyon, 3. Nesil Ortaklık Projesi (3GPP) tarafından NTN'lerde Yeni Radyo (NR) işletimi için Teknik Rapor (TR) 38.821'de de tanımlanmıştır. 3GPP tarafından yapılan tanıma göre, bir NTN temel olarak insansız hava araçları, yüksek irtifa platform istasyon (HAPS) sistemleri ve yoğun uydu konuşlandırmalarından oluşmaktadır. Alçak yörünge (LEO) uyduları ve HAPS sistemleri, daha uzun çalışma süreleri ve daha geniş kapsama alanları gibi gözalıcı özellikleri nedeniyle NTN'ler için kilit unsurlar olarak kabul edilmektedir. Karasal olmayan ağların en önemli sacayağı ultra yoğun takimuydularıdır. Uydu ağları öne çıkan bir çözüm olarak görülse de, halihazırda ele alınması gereken birçok zorlu açık problem bulunmaktadır. Bunlardan en önemlileri boyut, ağırlık ve güç (SWaP) kısıtlamaları, yüksek yol kaybı ve enerji verimliliğidir. Bilindiği üzere çoklu anten teknolojileri, hüzmeleme kapasitesinden yararlanarak yüksek yol kaybını azaltmak için karasal sistemlerde uzunca bir süredir kullanılmaktadır. Ancak çoklu anten sistemlerinin donanım ve sinyal işleme birimleri oldukça karmaşık ve maliyetlidir. Uydu ağlarında bu maliyetler yedek sistemler ve çevresel şartlara uyumluluk gereksinimleri nedeniyle çok daha yüksektir. Son zamanlarda, yeniden yapılandırılabilir akıllı yüzeylere (RIS) sahip pasif bir anten çözümünün çoklu anten sistemlerinin getirdiği bu maliyetleri azaltabileceği ve tek antenli sistemlere nazaran iletişim performansını artırmaya yardımcı olabileceği gösterilmiştir. RIS'in çalışma prensibi temelde her bir elemanından yansıtılan dalganın eşfazlı olmasını sağlayacak şekilde alıcıda sinyal gücünü maksimize etmek üzere her bir elemanının faz gecikmesini konfigure etmek üzerine kuruludur. Bu bağlamda, bu tezin ana odak noktası olarak, RIS'in pasif yapısı ve daha düşük karmaşık donanıma sahip olması gibi özellikleri, geleneksel çoklu anten sistemlerine kıyasla RIS'in SWaP kısıtlamalarına daha iyi uyabileceğini akla getirmektedir. Bahsi geçen avantajdan faydalanmak amacıyla bu tez çalışmasında uydu ve yer ağları arasındaki koordinasyonu iyileştirmek için RIS kullanımını öneriyoruz. Bu tez kapsamında RIS destekli karasal olmayan ve gezegenler arası iletişimin, zorlukları, kullanım durumlarını ve açık sorunları irdeleyen bir sistem tasarım çerçevesi sunulmaktadır. Ayrıca, RIS destekli NTN'lerin Günes siması ve uydu sürüklenmesi gibi çevresel etkiler altındaki performansı simülasyon sonuçları ışığında tartışılmaktadır. İlk olarak, uzun iletim mesafeleriyle ilişkili yol kaybını azaltmak için RIS birimlerinin kullanımını içeren yeni bir mimari öneriyoruz. Bu RIS birimleri uydu yansıtıcılarına yerleştirilebilir ve yayın/hüzmeleme işlemlerinde kullanıldığında sinyal iletiminde önemli kazançlar sağlayabilir. Bu çalışma, RIS destekli uyduların karasal ağlar için uydu-yer bağlantılarında ciddi bir iyileşme sağlayabileceğini göstermektedir. RIS verimliliği artırma ve alıcı-vericiler yerine iletim ortamı üzerinde karmaşık sinyal işleme gerçekleştirme potansiyeline sahip olsa da, RIS gelen sinyalin fazını ayarlamak için kademeli kanal hakkında bilgiye ihtiyaç duyar. Sonuç olarak, kanal kestirimi RIS destekli iletişimin önemli bir parçasıdır. Tezde sunulan bir çalışmada pilot sinyalini bir çizge olarak ele alarak bu çizge üzerinden haberleşme kanalından kaynaklanan faz ilişkisini istidlal etmek amaçlanmaktadır. Bu amaçla, çizge ilgi ağları (GAT) kullanılmaktadır. Önerilen GAT tabanlı kanal kestirim yönteminin performansı incelenmekte ve diğer yöntemlerle kıyaslanmaktadır. Önerilen yöntemin değişen koşullar altında müsabık yöntemlere kıyasla daha yüksek bir performans sergilediği ve geleneksel derin öğrenme (DL) yöntemlerine kıyasla daha düşük hesaplama karmaşıklığına sahip olduğu gösterilmektedir. Ayrıca, önerilen yönteme dayalı olarak, kanal kestirimi altında sadece ayrık ve tekdüze olmayan faz kaymalarını destekleyebilen RIS tasarımları için bit hata oranı (BER) performansı incelenmektedir. Bu çalışmadaki bulgulardan biri, çalışma ortamının kanal modellerinin ve kanal tahmin yönteminin performansının, performans iyileştirmesinden mümkün olduğunca yararlanmak için RIS tasarımı sırasında dikkate alınması gerektiğidir. RIS'in uydu-yer iletişimde enerji verimliliğini artırabileceğini bu tezin ilk bölümlerinde gösteriyoruz. Fakat bilindiği üzere ultra yoğun takimuydu sistemlerinin bir diğer önemli temel unsuru uydular arası haberleşmedir. Uydu haberleşme sistemini bir bütün olarak ele almaya gayret ettiğimizden RIS destekli uydular arası iletişim performansını BER ve ulaşılabilir veri hızları açısından inceliyoruz. Bilindiği üzere mikroelektronik ve mikro-sistemlerdeki teknolojik gelişmeler sayesinde, terahertz (THz) bandı geniş bant iletişim vaadi nedeniyle uydular arası bağlantılar (ISL) için güçlü bir aday olarak ortaya çıkmıştır. Özellikle çok antenli sistemler, THz bandının desteklediği geniş bant ile birlikte sistem performansını artırabileceği literatürde gösterilmiştir. Bununla birlikte, geniş bant boyunca benzer yansıma karakteristiğini karşılamak zor olduğundan, hüzme sapması gözlemlemek mümkündür. Bu tezde ISL'ler için THz bandının kullanımına ilişkin bir değerlendirme sunulmakta ve yanlış hizalama sonumlemesinin hata performansı üzerindeki etkisi ölçülmektedir. Ardından, yüksek taşıyıcı frekanslarıyla ilişkili yüksek yol kaybını telafi etmek ve sinyal-gürültü oranını (SNR) daha da iyileştirmek için, sinyal yayılımını sağlamak üzere RIS'lerin kullanılmasını öneriyoruz. Problemin matematiksel analizine dayanarak, yanlış hizalama sonumlemesi altında RIS destekli ISL'ler için BER ifadelerini sunuyoruz. Ayrıca, sayısal sonuçlar, uygun anten hizalaması sağlandığı sürece RIS'in THz ISL'lerin hata oranı performansını ve ulaşılabilir kapasitesini artırabileceğini göstermektedir. Yanlış hizalama hatası, pratik RIS destekli NTN'ye giden yoldaki zorluklardan biri olarak göründüğünden, güvenilir bir varış yönü (DoA) kestiriminin elde edilmesi, RIS destekli iletişim sistemlerinde vaat edilen iyileştirmelerin elde edilmesinde çok önemli bir açık problem haline gelmektedir. Bu nedenle, bu tezin son bölümünde RIS destekli iletişim sistemlerinde DoA kestirimi problemini ele alıyoruz. Bu amaçla, fiziksel katmanda sıkıştırması kodlanmış açıklık tekniği kullanılarak elde edilen tek kanalli bir akıllı yüzey kullanıyoruz ve açıklık üzerine gelen uzak alan kaynaklarının spektrumunu bir dizi uzamsal-zamansal olarak esevresiz mod kullanarak ele alıyoruz. Bu bilgi daha sonra kodlanır ve kodlanmış açıklığın kanalına sıkıştırılır. Kodlanmış açıklık bir meta yüzey anten tasarımına dayanır ve tek kanalli bir alıcı olarak çalışır ve DoA kestirimi için geleneksel çok kanalli tarama tabanlı çözümlerin yerini alır. Daha açıkça ifade etmek gerekirse RIS elemanlarının konfigürasyonunu belirli bir düzende sürekli değiştirerek ortamdan gelen bilgiyi tek alıcı kanalı üzerinden sıkıştırarak kullanıyoruz. Bu sıkıştırılmış sinyal GAT ağının girdisi olarak kullanılarak ortamdan alınan bilgiden kaynaktan iletilen sinyalin varış açısı kestilir. Bir başka deyişle GAT sıkıştırılmış DoA kestirim çerçevesinin DoA bilgisini doğrudan kodlanmış açıklık kullanılarak elde edilen ölçümlerden öğrenmesini sağlar. Bu adım, ek bir ön işleme adımına olan ihtiyacı ortadan kaldırır ve dolayısıyla DoA kestiriminin maliyetini azaltır. Önerilen GAT entegre tek piksel RIS çerçevesinin, nispeten düşük sinyal-gürültü oranı (SNR) seviyelerinde bile yüksek doğrulukta DoA bilgisini alabildiği ve müsabık yöntemlere kıyasla daha yüksek performans sağladığı gösterilmektedir. Tüm bu çalışmalara birlikte bu tezin genelinde uçtan uca RIS destekli uydu haberleşme sisteminin ana haberleşme unsurlarındaki performansı inceliyor ve pratik uygulamada ihtiyaç duyulan açık problemlere çözüm geliştirmeye odaklanıyoruz.

Özet (Çeviri)

It is widely accepted that user-centric and ubiquitous connectivity, which are desired by both end users and operators for the 6th generation (6G) and beyond communication technologies, can be achieved through the unique orchestration of terrestrial and non-terrestrial networks (NTNs) in next-generation communication systems. This vision is also described by the 3rd Generation Partnership Project (3GPP) in Technical Report (TR) 38.821 for the operation of New Radio (NR) in NTNs. According to the definition by the 3GPP, an NTN basically consists of unmanned aerial vehicles, high-altitude platform stations (HAPS) systems, and dense satellite deployments. Low-Earth orbit (LEO) satellites and HAPS systems are considered to be the key enablers for NTNs due to their unique features, which include longer operating times and wider coverage areas. The most important pillars of non-terrestrial networks are ultra-dense satellite constellations. Although satellite networks are considered a prominent solution, many challenging open issues remain to be addressed. The most prominent ones are the size, weight, and power (SWaP) constraints, high path loss, and energy efficiency. As known, multi-antenna technologies are used to mitigate high path loss by taking advantage of its beamforming capacity. However, the hardware and signal processing units of multi-antenna systems are quite complex and costly. These costs are much higher in satellite networks. Recently, it was shown that a passive antenna solution with reconfigurable smart surfaces can reduce these costs and help increase communication performance. In this regard, we propose the use of reconfigurable intelligent surface (RIS) to improve coordination between these networks given that RISs perfectly match SWaP restrictions of operating in satellite networks as a main focus of this thesis. A comprehensive framework of RIS-assisted non-terrestrial and interplanetary communications is presented that pinpoints challenges, use cases, and open issues. Furthermore, the performance of RIS-assisted NTNs under environmental effects, such as solar scintillation and satellite drag, is discussed in light of simulation results. First, we propose a novel architecture involving the use of RIS units to mitigate the path loss associated with long transmission distances. These RIS units can be placed on satellite reflectarrays, and, when used in broadcasting and beamforming, it can provide significant gains in signal transmission. This study shows that RIS-assisted satellites can provide a severe improvement in downlink and achievable uplink rates for terrestrial networks. Although RIS has the potential to increase efficiency and perform complex signal processing over the transmission environment instead of transceivers, RIS needs information on the cascaded channel in order to adjust the phase of the incident signal. Consequently, channel estimation is an essential part of RIS-assisted communications. A study presented in the thesis evaluates the pilot signal as a graph. It incorporates this information into the graph attention networks (GATs) to track the phase relation through pilot signaling. The proposed GAT-based channel estimation method investigates the performance of the direct-to-satellite (DtS) networks for different RIS configurations to solve the challenging channel estimation problem. It is shown that the proposed GAT demonstrates a higher performance with increased robustness under changing conditions and has lower computational complexity compared to conventional deep learning (DL) methods. Moreover, based on the proposed method, bit error rate (BER) performance is investigated for RIS designs with discrete and non-uniform phase shifts under channel estimation. One of the findings in this study is that the channel models of the operating environment and the performance of the channel estimation method must be considered during RIS design to exploit performance improvement as far as possible. We show that RIS can improve energy efficiency in ground-to-satellite communications. To complete the puzzle of overall satellite communications, we investigate RIS-assisted inter-satellite communication performance in terms of BER and achievable rate as well since broadband inter-satellite communication is one of the key elements of satellite communication systems that orchestrate massive satellite swarms in cooperation. Thanks to technological advancements in microelectronics and micro-systems, the terahertz (THz) band has emerged as a strong candidate for inter-satellite links (ISLs) due to its promise of wideband communication. In particular, multi-antenna systems can improve the system performance along with the wideband supported by the THz band. However, multi-antenna systems should be considered due to their SWaP constraints. On the other hand, as a state-of-the-art multi-antenna technology, RIS is able to relax SWaP constraints because of its passive component-based structures. However, as similar reflection characteristic throughout the wideband is challenging to meet, it is possible to observe beam misalignment. In the thesis, we first provide an assessment of the use of the THz band for ISLs and quantify the impact of misalignment fading on error performance. Then, to compensate for the high path loss associated with high carrier frequencies, and to further improve the signal-to-noise ratio (SNR), we propose using RISs mounted on neighboring satellites to enable signal propagation. Based on a mathematical analysis of the problem, we present the error rate expressions for RIS-assisted ISLs with misalignment fading. Also, numerical results show that RIS can leverage the error rate performance and achievable capacity of THz ISLs as long as a proper antenna alignment is satisfied. As the misalignment error seems one of the challenges on the path toward practical RIS-assisted NTN, the acquisition of a reliable direction of arrival (DoA) estimation becomes more of an issue in achieving promised improvements in RIS-assisted communication systems. For that reason, we address DoA estimation problem in RIS-assisted communication systems in the thesis. For this aim, we use a single-channel intelligent surface whose physical layer compression is achieved using a coded-aperture technique, probing the spectrum of far-field sources that are incident on the aperture using a set of spatiotemporally incoherent modes. This information is then encoded and compressed into the channel of the coded-aperture. The coded-aperture is based on a metasurface antenna design and it works as a receiver, exhibiting a single-channel and replacing the conventional multi-channel raster scan-based solutions for DoA estimation. The GAT network enables the compressive DoA estimation framework to learn the DoA information directly from the measurements acquired using the coded-aperture. This step eliminates the need for an additional reconstruction step and significantly simplifies the processing layer to achieve DoA estimation. We show that the presented GAT integrated single-pixel radar framework can retrieve high-fidelity DoA information even under relatively low signal-to-noise ratio (SNR) levels. Along with above work, in this thesis we analyse the performance of the main communication pillars of an end-to-end RIS-assisted satellite communication system and focus on the development of solutions to open problems that are essential in practical application.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    895407

    Aerial link orchestration

    Hava bağlantılarının düzenlenmesi

    BÜŞRA BAYRAM

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik Üniversitesi

    Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ GÖKHAN SEÇİNTİ

  2. Tez No

    33743

    Uydu-gezgin iletişim yayılımının modellenmesi ve benzetimi

    Modeling and simulation of land mobile satellite propagation

    İSMAİL HAKKI ÇAVDAR

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    1994

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKaradeniz Teknik Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HASAN DİNÇER

  3. Tez No

    883116

    A conceptual Disaster Risk Reduction (DRR) framework for building resilience to satellite failures

    Uydu arızalarına karşı direnç geliştirme: Kavramsal bir Afet Risk Azaltma (DRR) çerçevesi

    SORUSH SAEEDI

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Astronomi ve Uzay Bilimleriİstanbul Teknik Üniversitesi

    Acil Durum ve Afet Yönetimi Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ PINAR ÖZDEMİR ÇAĞLAYAN

  4. Tez No

    180880

    A new approach for the assessment of hf channel availability under ionospheric disturbances

    Yüksek frekans kanalının kullanılırlığına iyonküresel düzensizlikler altında değer biçilmesi için yeni bir yaklaşım

    MURAT ÖZGÜR SARI

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2006

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF.DR. ERSİN TULUNAY

  5. Tez No

    868596

    Cloud computing in maritime transport for data collection: Cyber security risk analysis with FMECA method

    Deniz taşımacılıgında veri toplama işlemi için bulut bilişim cözümü: FMECA methodu ile siber güvenlik risk analizi

    TOPRAK OBA

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik Üniversitesi

    Deniz Ulaştırma Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. YASİN ARSLANOĞLU

Geri Dön