Geri Dön

Beam alignment for İEEE 802.11be powered by task oriented indoor UWB localization

IEEE 802.11be için iç mekan UWB yerelleştirmesi ile destekli görev odaklı ışın hizalaması

  1. Tez No: 887638
  2. Yazar: SEMİH SERHAT KARAKAYA
  3. Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ GÖKHAN SEÇİNTİ
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol, Computer Engineering and Computer Science and Control
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2024
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Bilgisayar Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 53

Özet

Kablosuz iletişim, günümüzde yaşamımızın ayrılmaz bir parçası haline gelmiştir. Artan veri aktarım ihtiyaçları ve gelişen teknolojiler, WiFi standardının sürekli gelişmesini sağlamaktadır. WiFi 6 (802.11ax), yoğun nüfuslu bölgelerde ağ performansını ve kullanıcı deneyimini iyileştirmeyi hedefleyerek geliştirilmiştir. Ancak, günümüz uygulamalarının yüksek hız ve düşük gecikme talepleri, WiFi 6'nın sunduklarından daha fazlasını gerektirmektedir. Bu nedenle, IEEE 802.11 standardı komitesi, WiFi 6'nın ötesine geçecek olan IEEE 802.11be veya WiFi 7'nin piyasaya sürülmesi sürecindedir. WiFi 7'nin odaklandığı ana konulardan biri, Erişim Noktaları (Access Points - AP) arasında gelişmiş koordinasyon sağlamaktır. Bu koordinasyon, özellikle koordineli ışın hizalaması (Coordinated Beamforming - CBF) gibi teknikler kullanılarak gerçekleştirilmektedir. Koordineli ışın hizalama, çoklu antenli Erişim Noktalarının ışınlarını yönlendirerek istasyonları (STA'ları) daha etkili bir şekilde hedef alabilmelerini ve yakındaki ilişkisiz STA'larla karışıklığı en aza indirmeyi amaçlamaktadır. Koordineli ışın hizalamanın temel amacı, erişim noktalarının (AP'lerin) sahip olduğu çoklu antenler aracılığıyla ışınları doğrudan hedeflenen istasyonlara odaklamasıdır. Bu, anten dizilimindeki elemanların belirli bir şekilde birleştirilmesiyle gerçekleştirilir, böylece belirli açılardaki sinyaller yapıcı girişim (constructive interference) yaşarken, diğer açılardaki sinyaller yıkıcı girişim (destructive interference) yaşar. Bu sayede istasyonlar daha güçlü sinyal alabilir ve aynı frekans bandında daha etkin iletişim sağlanabilir. Ancak, CBF'nin uygulanması bazı zorlukları da beraberinde getirir; özellikle hassas ışın hizalama ve yönetim gereksinimleri bulunmaktadır. AP'lerin ve istasyonların konumlarının doğru bir şekilde belirlenmesi ve ışınların yönlendirilmesi için sürekli olarak yönetim yapılması gereklidir. Yönlendirilecek ışının belirlenmesi için geleneksel yöntemlerde kullanılan geniş bir kod kitabı içinde en uygun ışını aramak, geniş arama alanı nedeniyle önemli gecikmelere yol açabilir. Bu zorlukların üstesinden gelmek için, bu çalışmada Ultra Geniş Bant (Ultra-Wideband - UWB) destekli konum farkındalıklı ve görev odaklı bir ışın hizalama sistemi önerilmektedir. Önerilen yöntem, UWB destekli konumlandırmadan yararlanarak doğru ışını hızlı bir şekilde ayarlamayı ve hassas hizalama sağlamayı amaçlamaktadır. UWB, geniş bant genişliği ve sinyal modülasyon yetenekleri sayesinde çizgi-ötesi (line-of-sight) ve diğer cihazlardan gelen müdahaleye karşı dirençli bir teknoloji olarak öne çıkmaktadır. Ayrıca, modern akıllı telefonlar ve cihazlarda UWB'nin yaygın olarak bulunması, UWB yer belirleme teknolojisinin kullanılabilirliğini artırmakta ve sistemin dağıtımını önemli ölçüde kolaylaştırmaktadır. Önerilen sistem, IEEE 802.15.4z UWB protokolünü kullanan dört işaretçi (anchor) yardımıyla iç mekanlarda yüksek hassasiyetli konum belirleme yeteneğine sahiptir. Hassas belirlenen konumlar sayesinde, Erişim Noktası sadece konuma uygun ışın desenlerini test ederek İstasyona (STA) çok daha hızlı bir şekilde ışın hizalaması sağlamaktadır. Ayrıca, hem STA'dan alınan sinyal gücü göstergesini (Received Signal Strength Indicator - RSSI) hem de konum belirleme performansını dikkate alan Görev Odaklı bir akış kontrol mekanizması önerilerek sistemin ölçeklenebilirliği artırılmıştır. Varış Zamanı Farkı (Time Difference of Arrival - TDoA) tabanlı konum belirleme kullanılarak, sistem, farklı işaretçilere sinyalin varışındaki zaman farklarını çözerek STA'nın konumunu hesaplamaktadır. Bu bilgi, ölçüm gürültüsünü azaltmak ve sistem durumlarını doğru bir şekilde tahmin etmek için bir Kalman filtresi kullanılarak rafine edilmektedir. Kalman filtresinin durum tahmini hatası, STA'nın konumunun doğruluğunu artırmak için konumlandırma sistemine entegre edilmiştir. Bu entegrasyon, sistemin yalnızca gerektiğinde UWB konumlandırmasını kullanmasına izin vererek verimliliği optimize eder. Sistemde önerilen konum farkındalıklı ışın hizalama, AP'ye göre STA'nın yönüyle yakından hizalanmış ışınlarla taramalar başlatarak tarama süresini azaltır. Görev odaklı ışın hizalama, RSSI bozulmalarını ve konum tahmin hatalarını izlemek için Üstel Ağırlıklı Hareketli Ortalama (EWMA) filtresi kullanır ve yalnızca gerektiğinde UWB konumlandırmasını tetikler. Eğer RSSI değeri belirli bir eşik değerinin altına düşerse, AP ışın hizalamasını başlatır. Yeni bir ışın hizalaması yapmadan önce, AP STA'nın konum tahmin hatasını değerlendirir. Eğer konum hatası belirlenen eşik değerinin altında ise, mevcut tahmin edilen konum kullanılarak ışın hizalaması yapılır. Ancak hata değeri eşikten yüksekse, AP UWB konum belirleme isteği gönderir, yeni konumu belirler ve ışın hizalamasını bu yeni konum üzerinden yapar. Bu yaklaşım, UWB iletişimini azaltarak sistemin ölçeklenebilirliğini artırır. Tez çalışması kapsamında, önerilen konum farkındalıklı ve görev odaklı ışın hizalama sistemi, ışın oluşturma kazancı ve iletişim etkinliği performans metrikleri kullanılarak farklı geleneksel yöntemlerle kıyaslanmıştır. Bu amaçla INET çerçevesinden yararlanılarak OMNET++ tabanlı bir simülasyon ortamı oluşturulmuş ve farklı oda büyüklüğü senaryoları için simulasyonlar tekrarlanmıştır. Simülasyon ortamı, bir Erişim Noktası ve bir İstasyonun (STA) sürekli görüş hattı bağlantıları sağladığı, dört Ultra Geniş Bant işaretçisinin konumlandırma sağladığı bir düzeni içermektedir. Gerçek dünya senaryolarını taklit etmek için Rician Fading'e dayalı bir yol kaybı modeli ve ışın desenlerini simüle etmek için AP'nin yalnızca ana lobuna odaklanan bir Parabolik anten modeli kullanılmıştır. Simülasyonlar sırasında, STA periyodik olarak işaretçilere işaretler göndererek TDoA tabanlı konumlandırma hesaplanmasını sağlamaktadır ve bu da AP'ye ışın hizalama için kesin STA konumları sağlamaktadır. Similasyonlarda önerilen iç mekan UWB yerellestirmesi ile destekli görev Odaklı ışın hizalaması, UWB yerelleştirmesi içermeyen bir yöntem ve periyodik UWB yerelleştirmesi kullanan bir yöntemle ile kıyaslanmıştır. Bu karşılaştırma, gerçek dünya koşullarını yansıtan çeşitli oda büyüklüklerinde yapılmıştır. Bu sayede, her bir yöntemin performansını farklı iç mekan senaryolarında nasıl etkilediğini gözlemlenmiştir. Elde edilen sonuçlar, önerilen sistemin Ultra Wideband (UWB) kullanmayan geleneksel yöntemlere kıyasla %11,6 oranında bir ışın oluşturma kazancı iyileşmesi ve geleneksel UWB konumlandırma destekli yöntemlere göre %55,6 oranında bir iletişim etkinliği iyileşmesi sağladığını göstermektedir. Görev odaklı UWB destekli yaklaşım, saf UWB desteğine göre daha düşük RSSI kazancı sağlamış olmakla birlikte, geleneksel yöntemlere göre önemli iyileştirmeler sunmaktadır. Bu durum, görev odaklı stratejinin, iletişim performansını artırırken sık iletişim gereksinimini etkili bir şekilde dengelediğini göstermektedir. Farklı oda boyutlarında alınan sonuçlarla birlikte değerlendirildiğinde, görev odaklı UWB destekli yöntem, her bir birim iletişim yükü (overhead) başına üstün bir RSSI kazanç oranı elde ederek dikkat çekmektedir. Bu, önerilen yöntemin iletişim performansını artırırken verimliliği koruma yeteneğini vurgulamakta ve kapalı ortamlar için uygunluğunu ortaya koymaktadır.

Özet (Çeviri)

This study proposes an Ultra-Wide-Band (UWB) assisted location-aware and task-oriented beam alignment system for WiFi7 networks. Coordinated beamforming is one of the crucial improvements for WiFi7. Still, traditional methods, which involve searching for the optimal beam within a large codebook, result in significant delays due to the extensive search space. The proposed method leverages UWB-assisted localization to adjust beams for users rapidly, ensuring precise alignment. The proposed system's core is built around IEEE 802.15.4z UWB, capable of high-precision localization with four anchors distributed in an indoor area. These anchors enable the Access Point (AP) to align its beams much faster to the Station (STA) by testing only the relevant beam patterns using the device's precise location. A task-oriented flow control mechanism is proposed to enhance the scalability of UWB-assisted beam alignment, considering both the Received Signal Strength Indicator (RSSI) from the STA and localization performance. Using Time Difference of Arrival (TDoA) based localization, the system calculates the position of the STA by resolving the time differences in signal arrival at distinct anchors. This information is refined using a Kalman filter to mitigate measurement noise and accurately predict system states. The Kalman filter's state estimation error is integrated into the positioning system to improve the accuracy of the STA's location. This allows the system to employ UWB localization only when necessary, optimizing efficiency judiciously. Location-aware beamforming is facilitated by initiating scans with beams closely aligned with the STA's direction relative to the AP, thereby reducing scanning time. Task-oriented beam alignment employs an Exponentially Weighted Moving Average (EWMA) filter to track RSSI degradation and state estimation errors, triggering UWB localization only when necessary. This approach reduces UWB beacon transmissions, enhancing system scalability. This study conducted extensive evaluations using an OMNET++ based simulation environment, complemented by the INET framework, to assess the performance of the proposed location-aware and task-oriented beam alignment system for WiFi7. The simulation setup comprised one Access Point (AP) and one Station (STA), ensuring constant line-of-sight links, with four Ultra-Wide-Band (UWB) anchors enhancing localization precision. A path-loss model based on Rician Fading was employed to mimic real-world scenarios, and a Parabolic antenna model for the AP simulated beam patterns, focusing solely on the main lobe. During simulations, the STA periodically transmitted beacons to the anchors, facilitating TDoA based localization, which provided the AP with precise STA locations for beam alignment. Results from these simulations demonstrated an 11.6% improvement in beamforming gain by comparing the traditional beam scanning method and a 55.6% enhancement in communication effectiveness compared to conventional UWB localization-assisted methods.

Benzer Tezler

  1. Serbest dairesel jet akışının lazer doppler anemometre ile deneysel incelenmesi

    An experimental investigation of a free round jet flow by using laser doppler anemometry

    ERCAN EKEN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2011

    Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. K.BÜLENT YÜCEİL

  2. Kararlı bir optik tuzaklama düzeneğinin tasarımı ve kurulumu

    Design and foundation of a stable optical trap setup

    SEVİNÇ GÜNDÜZ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2013

    Fizik ve Fizik MühendisliğiEskişehir Osmangazi Üniversitesi

    Fizik Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. SERTAÇ EROĞLU

  3. Homodyne detection of multimode optical signals

    Çok modlu optik sinyallerin homodin algılaması

    MUJTABA FİDAUL HAQ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    1991

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi

    DOÇ.DR. GÜRHAN ŞAPLAKOĞLU

  4. Gelecek nesil çembersel elektron pozitron çarpıştırıcı (FCC-e+e−) enjektör tesisi için ön-enerji öteleyici sinkrotronu tasarımı

    Pre-booster ring designs of the future circular collider (FCC-e+e−) injector complex

    ÖZGÜR ETİŞKEN

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2021

    Fizik ve Fizik MühendisliğiAnkara Üniversitesi

    Fizik Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ABBAS KENAN ÇİFTÇİ

    DR. YANNİS PAPAPHILIPPOU

  5. Design of a self-aligned, high resolution, low temperature (30 mK - 300 K) magnetic force microscope

    Kendiliğinden hizalamalı, yüksek çözünürlüklü, düşük sıcaklık (30 mK - 300 K) manyetik kuvvet mikroskobu tasarımı

    ÖZGÜR KARCI

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2015

    Fizik ve Fizik MühendisliğiHacettepe Üniversitesi

    Nanoteknoloji ve Nanotıp Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ŞADAN ÖZCAN

    PROF. DR. AHMET ORAL