Performance analysis of relay aided terahertz systems
Röle destekli terahertz haberleşme sistemlerinin performans analizi
- Tez No: 876316
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ SEMİHA TEDİK BAŞARAN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Mühendislik Bilimleri, Electrical and Electronics Engineering, Engineering Sciences
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- 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: 99
Özet
Gelecek nesil haberleşme ağlarının saniyede Terabitler mertebesinde veri hızlarını desteklemeleri beklenmektedir. Bu kadar yüksek veri hızlarına ulaşabilmek için çok büyük bant genişliklerine ihtiyaç duyulmaktadır. Frekans spektrumunda 100 GHz'in altında kalan bölgede böylesine büyük bant genişliklerinin kullanılabileceği yeterli müsait bir bant bulunmamaktadır. 0.1-10 Terahertz (THz) arasındaki frekansları kapsayan THz bandı, gelecek nesil çok geniş bantlı telsiz haberleşme ağlarında kullanılmak üzere umut vaat eden bir bant olarak görülmektedir. THz haberleşmesi gelecek nesil haberleşme ağları için yüksek potansiyele sahip olmasına karşın, kanal koşulları çeşitli zorluklar barındırmaktadır. THz iletim kanalında görülen yüksek yol kaybı, çok yol sönümlemesi ve yanlış hizalama sönümlemesi gibi bozucu etkiler, THz haberleşme sistemlerinin haberleşme performansını düşürmekte ve menzillerini kısıtlamaktadır. Olumsuz hava koşulları dış mekanlardaki THz haberleşme sistemlerinin performanslarını daha da düşürebilir. Bu tezde, THz haberleşme sistemlerinde bozucu kanal koşulları sebebiyle meydana gelen performans düşüşünün üstesinden gelmek için çeşitli röleleme tekniklerinin uygulanmasına odaklanılmaktadır. Bu tezde kullanılan THz kanal modelinde, yol kaybı, yanlış hizalama sönümlemesi ve çok yol sönümlemesi gibi kanal bileşenlerinin etkileri göz önünde bulundurulmuştur. THz frekanslarında moleküler absorpsiyon ve boş-uzay kayıpları yüksek yol kaybına sebep olmaktadır. Bu sebeple, THz haberleşme sistemlerinde yüksek kazançlar elde edebilen yüksek direktiflikteki antenler kullanılmaktadır. THz haberleşmesinde yüksek direktifliğe sahip antenlerin kullanımı, verici ve alıcı antenlerinin tam olarak hizalanamaması durumunda yanlış hizalama sönümlemesine neden olmaktadır. Bu tez boyunca, THz çok yol sönümleme katsayısı α-µ dağılımlı bir rastlantı değişkeni olarak modellenmektedir. α-µ dağılımı, THz literatüründe çok yol sönümlemesi katsayısını modellemek için yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu tezin birinci bölümü THz kanal modellemesi üzerine kapsamlı bir literatür incelemesi içermektedir. Tez boyunca kullanılan THz telsiz kanal modeli ve tez kapsamında sisli hava koşullarını modellemek için kullanılan sisli kanal katsayısı tezin ikinci bölümünde detaylı olarak incelenmektedir. İkinci bölümde bunlara ek olarak, simülasyonlarda kullanılmak üzere, yanlış hizalama sönümlemesi, çok yol sönümlemesi ve sisli kanal için kanal katsayılarının zarflarını modelleyen rastgele sayılar ters dönüşüm örnekleme yöntemi kullanarak üretilmektedir. Üretilen rastgele katsayıların zarflarının olasılık yoğunluk fonksiyonları (Probability distribution function, PDF), histogramları ile karşılaştırılmıştır. Böylece, rastgele sayıların istenilen dağılımlara uygun olarak üretildiği doğrulanmıştır. THz haberleşme literatüründe röleleme teknikleri yaygın olarak kullanılmaktadır. THz haberleşme sistemlerine rölelerin eklenmesiyle yüksek kanal zayıflamaları etkisiyle düşen haberleşme performansının ve kapsama alanının artırılması amaçlanmaktadır. İki atlamalı röle sistemlerinde genellikle kaynak (Source, S) ve hedef (Destination, D) arasındaki direkt bağlantının mevcut olmadığı veya ihmal edilebilir düzeyde olduğu ve S ile D arasındaki haberleşmenin aralarına yerleştirilen bir röle (Relay, R) aracılığıyla sağlandığı varsayılmaktadır. İki atlamalı bir sistemde S'den D'ye iletim genellikle iki zaman diliminde gerçekleşir. İlk zaman diliminde, S sinyalini R'ye iletir. İkinci zaman diliminde R aldığı sinyali kullanılan röleleme tekniğine bağlı olarak D'ye ya kuvvetlendirip (Amplify and forward, AF) ya da çözüp (Decode and forward, DF) aktarır. Bu tezin birinci bölümünde, THz haberleşmesinde rölelerin kullanımıyla ilgili detaylı bir literatür taramasına yer verilmiş, üçüncü bölümünde ise iki atlamalı röle sistemleri hakkında genel bir bilgilendirme yapıldıktan sonra iki atlamalı bir THz-THz sabit kazançlı AF röleleme sistemi ele alınmıştır. Bu sistem, belirli konumlara sabit olarak yerleştirilmiş birer S, R ve D düğümünden oluşmaktadır. Sistemin kesinti olasılığı Monte Carlo simülasyonları kullanarak α-µ çok yol sönümlemeli kanalda, anten yanlış hizalanması dikkate alınarak, sisli hava koşulları altında, farklı kanal ve sistem parametreleri için incelenmiştir. Performans karşılaştırması amacıyla, iki atlamalı bir DF THz sistem ve herhangi bir rölenin kullanılmadığı direkt bağlantılı bir THz sistem için de simülasyonlar gerçekleştirilmiştir. Farklı şiddetlerde sisli hava koşulları altında gerçekleştirilen simülasyonların tamamında iki atlamalı sabit kazançlı AF THz sistem hem direkt bağlantılı sistemden hem de iki atlamalı DF sistemden daha iyi performans göstermiştir. Bu çalışmayla, iki atlamalı sistemler kullanarak THz haberleşme sistemlerinin performansının belirgin bir şekilde artırılabileceği ve özellikle şiddetli hava koşulları altında oldukça kısalan haberleşme menzillerinin uzatılabileceği görülmüştür. Röle destekli haberleşme sistemlerinin performansları incelenirken, üçüncü bölümde olduğu gibi sabit bir şekilde yerleştirilmiş belirli birer S-R-D arasındaki haberleşmeye odaklanmak, çeşitli kanal ve sistem parametrelerinin uçtan uca haberleşme performansı üzerindeki etkisinin ortaya koyulmasına olanak tanır. Haberleşme düğümleri arasındaki mesafelerin sabit kabul edilmesi sistemlerin performans analizlerini kolaylaştırır. Öte yandan, literatürdeki pek çok çalışmada, haberleşme ağlarının performanslarını gerçeğe daha yakın bir şekilde analiz etmek veya mobilite senaryolarını da dikkate almak amacıyla sistem modeline bağlı olarak kaynak, hedef veya rölelerin belirli bir düzlemde rastgele dağılmış oldukları varsayılmaktadır. Haberleşme düğümlerinin rastgele dağıldığı çalışmalarda performans analizleri stokastik geometrinin araçlarından yararlanarak gerçekleştirilmektedir. Bu tezin birinci bölümünde haberleşme düğümlerinin rastgele dağıtıldığı bazı çalışmalara değinen bir literatür taramasına yer verilmiştir. Poisson nokta süreci (Poisson point process, PPP) telsiz haberleşme ağlarında düğümlerin rastgele konumlarını modellemek için yaygın olarak kullanılmaktadır. PPP, noktaların bir doğru, bir düzlem veya daha yüksek boyutlu bir uzayda rastgele dağıtıldığı stokastik bir süreçtir. PPP'nin herhangi bir bölgesindeki nokta sayısı Poisson dağılımındadır. Dördüncü bölümde öncelikle PPP kısaca gözden geçirilmiştir. Sonrasında, PPP'ye göre dağıtılmış DF rölelerden oluşan ve S'nin D ile bir ya da birden fazla röle aracılığıyla haberleştiği bir ağ modeli ele alınmıştır. Öncelikle, S-D arası haberleşmenin en iyi röle seçimi yöntemine göre belirlenen tek bir röle aracılığıyla gerçekleştiği durum incelenmiştir. Bu kapsamda, en iyi röle seçimi yönteminin uygulandığı RF bandında çalışan bir ağ için literatürde mevcut olan kapsama olasılığı analizleri incelenmiştir. En iyi röle seçimi yöntemi kullanıldığında S-D arası haberleşmeyi, S'nin hız kapsama alanı içerisinde bulunan, yani S ile belirli bir eşik hızının üzerindeki hızlarla haberleşebilen, D'ye en yüksek ortalama hızı sağlayan röle sağlamaktadır. Yani, bu yöntem S ve röleler arasındaki anlık kanal durum bilgisini (Channel state information, CSI) gerektirirken, röleler ve D arasındaki anlık CSI'ı gerektirmez. Bundan dolayı, bu yöntem tüm düğümler arası anlık CSI bilgisini gerektiren optimum röle seçimi yöntemlerine kıyasla uygulama ve analiz kolaylığı sağlar. Dördüncü bölümün devamında bir röle kümeleme yaklaşımı önerilmektedir. Röle kümeleme yaklaşımında S'nin hız kapsam alanı içinde yer alan ve D'ye belirli bir mesafeden uzak olmayan röleleri içeren bir küme oluşturulur. S'nin kapsam alanı içerisindeki D'ye en yakın olan röle olan en iyi röle de bu kümenin içinde yer alır. Bu kümede bulunan röleler S'den aldıkları sinyali çözüp eş zamanlı olarak D'ye aktarır. Bu şekilde, D'deki işaret-gürültü oranının (Signal-to-noise ratio, SNR) artırılması amaçlanır. Röle kümeleme yaklaşımı kullanılan RF ağın kapsama olasılığı stokastik geometri araçları kullanılarak analiz edilmiştir. MATLAB yazılım programı kullanılarak numerik integral çözümleri gerçekleştirilmiş ve böylece ağın kapsama olasılığı ifadesi hesaplanmıştır. Gerçekleştirilen Monte Carlo simülasyon deneyleri, elde edilen teorik sonuçların simülasyon sonuçlarına çok yakın olduğunu göstermiştir. Sayısal sonuçlar röle yoğunluğu, dinamik kümelenme parametresi, hız eşiği, iletim gücü ve S-D arasındaki mesafe gibi farklı sistem parametrelerinin kapsama performansı üzerindeki etkisini incelemektedir. En iyi röle seçimi yöntemi ile belirlenmiş tek bir röle kullanmaya kıyasla röle kümeleme yaklaşımı kullanarak birden çok röleden faydalanılmasıyla elde edilen performans iyileşmesi de sayısal sonuçlardan açıkça görülmektedir. Sonuçlar, yüksek yol kaybı ve yanlış hizalama sönümlemesi gibi bozucu etkiler nedeniyle kapsama performansı zayıflayabilen THz ağlarında röle kümeleme yaklaşımının uygulanmasının THz ağların kapsama performansının iyileştirilmesinde faydalı olabileceğini göstermektedir. Bu tezin beşinci bölümünde, DF rölelerin PPP dağılımına uygun olarak yoğun bir şekilde dağıldığı bir THz ağı ele alınmaktadır. Öncelikle en iyi röle seçimi yöntemine göre belirlenen tek bir röleyi kullanan THz ağın kapsama olasılığı, kanaldaki yanlış hizalama sönümlemesi ve α-µ çok yol sönümlemesi dikkate alınarak teorik olarak analiz edilmiştir. Teorik hesaplamalarda kullanılan integral ifadeleri MATLAB kullanarak numerik integral yöntemleriyle çözülmüş, ve teorik sonuçlar Monte Carlo simülasyon deneyleri ile doğrulanmıştır. Röle kümelenmesi uygulanan THz ağının performansını değerlendirmek ve tek röle kullanılan durumla karşılaştırmak amacıyla ek simülasyonlar gerçekleştirilmiştir. Simülasyonlarda, sisteme farklı şiddetlerle etki eden yanlış hizalama sönümlemesinin ve çeşitli sistem parametrelerinin kapsama performasına etkisi incelenmiştir. Sayısal sonuçlar, kanaldaki bozucu etkilerin belirginleşmesiyle THz ağlarında kapsama performansının oldukça düştüğünü, ancak röle kümeleme yaklaşımının bu zorlu koşullara rağmen ağların performansını gözle görülür bir şekilde iyileştirdiğini ve bu sebeple bu yaklaşımın THz ağlar için umut verici bir çözüm olabileceğini göstermektedir. Sonuç olarak, bu tez kapsamında, THz haberleşme sistemlerinde rölelerin kullanımının kesinti ve kapsama performansını önemli ölçüde artırabileceği ve haberleşme menzilini uzatabileceği gösterilmiştir. Ayrıca, önerilen röle kümeleme yaklaşımıyla, zorlu kanal koşullarına maruz kalan THz ağlarında kapsama performansının daha da iyileştirilebileceği görülmüştür. Sonuçlar, THz sistemlere rölelerin dahil edilmesiyle, THz bandının gelecek nesil haberleşme ağları için daha kullanışlı hale gelebileceğini göstermektedir.
Özet (Çeviri)
Next-generation communication networks are expected to support Terabits per second (Tbps) data rates, which require an extensive bandwidth. Terahertz (THz) communication is promising for next-generation networks due to the broad and unoccupied bandwidth in the THz band, which spans frequencies from 0.1 THz to 10 THz. Despite THz communication's high potential for future networks, THz channel conditions entail significant challenges. Channel impairments observed in THz wireless channels, such as high path loss, multipath, and misalignment fading, degrade communication performance and restrict the transmission range of THz communication systems. Adverse weather conditions can further degrade the performance of THz communication systems deployed outdoors. This thesis primarily focuses on employing various relaying techniques in THz communication systems to overcome the performance degradation caused by the deteriorating channel conditions associated with the THz wireless environment. The THz channel model adopted throughout this thesis incorporates components including path loss, misalignment fading, and multipath fading. Molecular absorption and free-space losses at THz frequencies cause high path loss, resulting in a shorter range, thus necessitating highly directive antennas in THz communications. Using highly directive antennas leads to antenna misalignment, making it essential to consider misalignment fading in the channel model. The multipath fading model, commonly utilized in THz communication literature, is adopted throughout this thesis. Chapter 1 includes a comprehensive literature review on channel modeling for THz communications. In Chapter 2, the adopted THz channel model is detailed along with a commonly utilized stochastic model for foggy channels, and the random numbers to model channel coefficients' envelopes used in simulations for misalignment fading, multipath fading, and foggy channels are generated using the inverse transform sampling method. Compared to their corresponding probability density functions (PDF), the histograms of the generated random numbers validate the accuracy of the random numbers being drawn from the required distributions. Relaying techniques are widely employed in the THz communication literature to overcome the impacts of high attenuation associated with the THz wireless environment by improving the signal quality at the receiver and extending the coverage range. Chapter 1 includes a comprehensive literature review on the utilization of relays in THz communication systems, and Chapter 3 opens with a general overview of dual-hop systems. Subsequently, a THz-THz dual-hop fixed-gain AF relaying system, comprising a single S, R, and D node, each deployed at fixed locations, is presented in Chapter 3. Monte Carlo simulations are used to investigate the system's performance under different levels of foggy weather conditions, considering α-µ multipath fading and the presence of antenna misalignment in the THz channel model. The outage performance of a dual-hop DF and a single-link THz communication system are also investigated through simulations for comparison. The numerical results demonstrate that the dual-hop fixed-gain AF THz system consistently outperforms both the single-link and dual-hop DF THz systems in all simulated foggy weather conditions. The study indicates that dual-hop systems can improve the outage performance of THz systems and extend their communication range, especially under severe channel conditions. Focusing on a specific S-R-D link and assuming fixed deployment of the nodes provide valuable insights into the performance of relaying systems and enable more tractable analysis due to constant distances among the nodes. Nevertheless, considering the spatial randomness of nodes allows for more realistic performance analyses of communication networks. The Poisson Point Process (PPP) is widely used in the literature to model the spatially random locations of the nodes in wireless networks. After providing an overview of PPP, Chapter 4 focuses on a network model with PPP-distributed DF relays, where S communicates with D through single or multiple relay nodes. Initially, the case that a single relay is utilized, selected according to the best relay selection method, is considered. The serving relay is chosen as the one providing the highest average rate to D within the communication range of S when the best relay selection method is employed. The analysis in the literature for the coverage probability of the network operating in the radio frequency (RF) band, employing the best relay, is presented. Subsequently, a relay clustering approach that utilizes multiple relays within a configurable distance from D, located within the communication range of S, including the best relay, is proposed and utilized in the RF network. The coverage probability of this extended network is theoretically analyzed using tools from stochastic geometry. Monte Carlo simulations are performed to evaluate the performance of relay clustering in the RF network. The theoretical analysis is highly consistent with the Monte Carlo simulation results. Numerical results demonstrate the impact of varying system parameters, such as relay density, dynamic clustering parameter, rate threshold, transmit power, and S-D distance, on system performance. These results indicate that the relay clustering approach improves performance compared to using only a single relay and suggest that employing relay clustering in THz networks could be beneficial, especially when there may be poor coverage due to channel impairments like high path loss and misalignment fading. A dense THz network with DF relays distributed according to a PPP is considered in Chapter 5. The coverage probability of the THz network employing a single relay determined by the best relay selection method is theoretically analyzed considering multipath fading channel and misalignment fading in the THz channel model. Monte Carlo simulations are performed to verify the accuracy of the analysis for the best relay selection and to evaluate the effectiveness of relay clustering in the THz network. Simulations investigate the impact of various system parameters and different severities of misalignment fading on system performance. Numerical results show that the coverage performance of THz networks is degraded due to the higher prominence of disruptive effects in the wireless channel and that relay clustering is a promising solution for enhancing network performance even under deteriorating channel conditions. Overall, this thesis has shown that integrating relays into THz communication systems can significantly enhance outage and coverage performance and extend communication range despite challenging channel conditions, thereby facilitating the employment of the THz band for next-generation networks. Furthermore, it has demonstrated that employing multiple relays through relay clustering can offer additional performance improvements in THz networks.
Benzer Tezler
- 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
2024
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik-Haberleşme Eğitimi Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İBRAHİM ALTUNBAŞ
- Relaying opportunities for wireless networks by applying network coding
Kablosuz ağlar için ağ kodlamalı aktarma fırsatları
SEMİHA TEDİK BAŞARAN
Doktora
İngilizce
2019
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GÜNEŞ ZEYNEP KARABULUT KURT
- Conventional NOMA and the interplays with cooperative communication and spatial modulation: Performance evaluation and analysis under imperfect SIC
Geleneksel dik olmayan çoklu erişim (NOMA) ve NOMA'nın işbirlikli iletişim ve uzaysal modülasyonla birlikte uygulanması: Hatalı ardışık girişim engelleyici (SIC) altında performans değerlendirmesi ve analizi
FERDİ KARA
Doktora
İngilizce
2019
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiZonguldak Bülent Ecevit ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ HAKAN KAYA
- Yazılım tabanlı radyolarda dik olmayan çoklu erişim sistemlerinin tasarımı ve performans analizi
Design and performance analysis of non-orthogonal multiple access systems in software defined radios
MEHMET AKİF DURMAZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİletişim Sistemleri Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GÜNEŞ ZEYNEP KARABULUT KURT