Physical layer techniques for 5G and beyond wireless systems
5G ve ötesi kablosuz sistemler için fiziksel katman teknikleri
- Tez No: 893101
- Danışmanlar: PROF. DR. HÜSEYİN ARSLAN
- Tez Türü: Doktora
- Konular: İletişim Bilimleri, Communication Sciences
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Medipol Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik-Elektronik Mühendisliği ve Siber Sistemler Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 138
Özet
Modern kablosuz ağların vizyonu, insanların sesli/görüntülü iletişim yoluyla geleneksel bağlantılarının ötesinde çeşitli uygulamaların desteklenmesiyle karakterize edilir. Akıllı şehirler/yaşam konseptini hayata geçirmeyi arzuladığımız için odak noktamız nesneler arasındaki bağlantının sağlanmasını da kapsayacak şekilde genişledi. Bu tür bir çatı hedefi, hem ağ hem de kullanıcı ekipmanı açısından daha sıkı operasyonel gereksinimlerin ortaya çıkmasına yol açmıştır. Örneğin, üstün operasyonel esneklik, yüksek enerji ve spektral verimlilikler, devasa bağlantı desteği, son derece güvenilir, son derece düşük gecikme süresi ve güvenli iletimler bu gereksinimlerden bazılarıdır. Bu gereksinimleri karşılamanın bir yolu, sağlam fiziksel katman tasarımlarıdır; çünkü bu katmanın iyileştirilmesi, diğer katmanlardaki algoritmaların performanslarına doğrudan fayda sağlayan yayılma etkisine sahiptir. Bu nedenle, 5G araştırmasının başlangıcından bu yana literatürde birçok devrim niteliğindeki fiziksel katman tekniği incelendi, ve bu 5G ve sonrasında da devam etmektedir. Atılan önemli adımlardan bazıları şunlardır: i) Muazzam kullanıcı bağlantısı ve algılama yetenekleri sağlamak için daha geniş spektrumda daha yüksek frekans bantlarına (milimetre dalga ve Terahertz) geçiş. ii) Devasa MIMO'nun ve ekstra geniş dizilerin tanıtılmasıyla kanal etkisi ile mücadele edilmesi ve hem kullanıcı çoğullama hem de algılama amacıyla uzamsal çözünürlüğün arttırılması iii) Hücre sınırındaki girişim sorununu azaltmak, makro çeşitlilikten yararlanmak ve hücre sınırındaki kullanıcıların deneyimini geliştirmek için koordineli ağlar kavramının teşvik edilmesi. Koordineli ağlar kavramı, koordinat çok noktalı, merkezi radyo erişim ağları, dağıtılmış MIMO sistemleri, hücresiz MIMO gibi farklı alt kavramlar altında incelenmiştir. iv) Yeni dalga formlarının araştırılması, örneğin esnek çerçevelere ulaşmaya yönelik ilk adım olarak çoklu numeroloji çerçeve yapısının tanıtılması 5G'de dikkate alınmıştır. Bu tez, fiziksel katman tasarımlarında devrim yaratma çabasıyla literatüre yaptığımız bazı katkıları sunmaktadır. Özellikle, katkılarımız çoklu numeroloji çerçeve tasarımlarına, koordine ağlara ve fiziksel katman güvenliğinin yanı sıra, prototipleri ve fiziksel katman algoritmalarını test etmek için güvenilir ve uygun maliyetli test ortamları olarak kanal emülatörlerinin geliştirilmesine odaklanmaktadır. Katkılar aşağıdaki şekilde özetlenmiştir. Kanal emülatörleri üzerinde yapılan çalışma kapsamında, tezgah üstü (küçük boyutlu) yankılanma odası (RVC), radyo frekansı (RF) kablosu ve Rician yayılma özelliklerini esnek bir şekilde kontrol edilebilen k faktörüyle taklit etmek için güç kontrolörü önerilmiştir. Geliştirilen emülatör, Rician yayılma etkisini (istenen k-faktörü ile) giriş RF sinyaline hassas bir şekilde uygulayabilmektedir. Önerilen emülatör, kullanıma hazır basit RF bileşenlerini kullandığı için uygun maliyetlidir ve kablosuz laboratuvarlarda algoritma/prototip testi ve eğitim amaçlı kullanıma uygundur. Bir sonraki çalışma, 5G'nin çoklu numeroloji çerçeve yapısındaki numerolojiler arası girişim (Inter-Numerology Interference - INI) sorununu araştırıyor. 5G radyo erişim teknoloji standardı, değişen ve sıklıkla çelişen gereksinimlere sahip birden fazla kullanıcıya hizmet vermede esnekliği kolaylaştırmak amacıyla, tek bir frekans bandında farklı alt taşıyıcı aralıklarına sahip birden fazla çerçeve yapısının bir arada bulunmasına izin vermiştir. Gerekli esnekliği sağlamada etkili olmasına rağmen bu yaklaşım, INI olarak bilinen yeni bir tür girişim getirir. Bu çalışmada, çoklu numeroloji sistemi için yeni bir döngüsel önek (Cylic Prefix - CP) ekleme tekniği (ortak CP), INI problemi açısından matematiksel olarak analiz edilmiştir ve geleneksel CP konfigürasyonu ile kapsamlı karşılaştırması yapılmıştır. Bireysel CP, 5G çoklu numeroloji sistemleri için standartlaştırılmış olarak sunulmaktadır. Frekans alanı çoğullaması, zaman alanı simge hizalaması ve farklı numerolojilerin alt taşıyıcıları arasındaki dikgenlik gibi çoklu numeroloji sistemleriyle ilgili çeşitli kritik konuların derinlemesine bir tartışması, hem geleneksel hem de ortak CP konfigürasyonları ışığında sunulmaktadır. Analizler, ortak CP'nin sistemdeki INI modelini, gelecek nesillerde INI'ı önlemek veya en aza indirmek için daha iyi teknikler geliştirmenin önünü açacak şekilde yeniden yapılandırma avantajına sahip olduğunu ortaya koymaktadır. Daha sonra, koordineli ağlarda çok noktadan çok noktaya iletimleri içeren senkronizasyon sorunlarını araştırıyoruz. Spesifik olarak, birden fazla cihaz ile birden fazla iletim ve alım noktası arasındaki zaman ve frekans senkronizasyonu, koordineli ağlardaki kritik zorluklar arasındadır. Tek bir cihazın aynı anda birden fazla iletim/alma noktasıyla mükemmel senkronizasyon sağlaması genellikle mümkün değildir. Çalışmamız, bu tür sistemlerde zamanlama senkronizasyonunu kolaylaştıracak spektral verimlilik yöntemlerinin geliştirilmesine odaklanmaktadır. Spesifik olarak, sıfır kuyruk (Zero-Tail - ZT) ve döngüsel önek (CP) kavramlarına dayanan yeni ve esnek bir hibrit koruma süresi (Hybrid Guard Duration - HGD), bir cihaz ile iletişim kurduğu iletim/alma noktaları arasındaki herhangi bir zamanlama uyumsuzluğunu gidermek için alan yaratmak üzere toplam sembol süresini uzatmayacak şekilde önerilmiştir.. Bu, sistemin spektral verimliliğini azaltan ve uzatılmış sembol süresi nedeniyle iletim gecikmesini artıran geleneksel genişletilmiş CP yaklaşımından farklıdır. HGD, normal CP boyutunun ve toplam sembol süresinin kullanımını korur, böylece daha iyi spektral verimlilik performansı ve nispeten düşük gecikme sağlar. Önerilen HGD, bit hata oranı, spektral verimlilik ve gecikme açısından değerlendirilir ve geleneksel genişletilmiş CP ile karşılaştırılır. Son olarak tez, kablosuz kanal perspektifinden fiziksel katman güvenliği (Physical Layer Security - PLS) kavramına inceliyor. PLS, gelecekteki kablosuz ağlar için giderek daha önemli hale gelmektedir. Geleneksel şifreleme yöntemlerinden farklı olarak PLS, tüm iletişim sürecini çeşitli saldırılara karşı korumak için kablosuz kanalların rastgele özelliklerinden yararlanır. Yeniden yapılandırılabilir akıllı yüzeyler (Reconfigurable Intelligent Surfaces - RIS), makine öğrenimi (Machine Learning - ML) ve algılama gibi yeni gelişen teknolojilerin, PLS için kolaylıkla yararlanılabilecek yeni kanal özellikleri sunarak bu ağları geliştirmesi beklenmektedir. Bu alandaki çalışmalarımız bu yeni özellikleri ve bunların PLS uygulamasına yönelik potansiyellerini incelenmiştir. Ayrıca, PLS için kanal özelliklerini seçerken dikkate alınması gereken önemli hususları vurgulanmaktadır, kanal kontrolü ve algılama teknolojilerinin rolü ve kanal özelliklerini hedef alan güvenlik saldırıları tartışılmaktadır. Ek olarak, son derece büyük MIMO (XL-MIMO) sistemlerinde sabit olmayan anten dizi kanal özellikleri bağlamında gizli anahtar oluşturma (Secret Key Generation - SKG) işlemi araştırmaktadır.
Özet (Çeviri)
The vision of modern wireless networks is characterized by the support of diverse applications beyond the conventional connectivity of people through voice/video communication. The focus has widened to include the provision of connectivity between things as we aspire to realize the smart cities/living concept. Such lofty goals have led to the emergence of stringer operational requirements from both network and user equipment sides. For instance, ultimate operational flexibility, high energy and spectral efficiencies, support for massive connectivity, highly reliable, extremely low latency, and secure transmissions, etc. are some of these requirements. One way of meeting these requirements is through robust physical layer designs as the improvement this layer has the spill-over effect that directly benefits the performances of the algorithms in other layers. As such, many revolutionary physical layer techniques have been studied in the literature since the beginning of the 5G research and continue in this era of 5G-Advanced and beyond. Some of the major steps that have been taken include i) the transition to higher frequency bands (millimeter wave and Terahertz) in search of larger spectrums to enable massive user connectivity and sensing capabilities, ii) the Introduction of massive MIMO and extra-large arrays to combat channel effect as well as enhance spatial resolution for both user multiplexing and sensing purposes, İİİ) encouragement of coordinated networks concept to mitigate the cell-edge interference problem, exploit macro-diversity, and improve cell-edge users' experience. The coordinated networks concept has been studied under different sub-concepts such as coordinate multipoint, centralized radio access networks, distributed MIMO systems, cell-free MIMO, etc., and iv) search for new waveforms, for example, the introduction of the multi-numerology frame structure as an initial step toward achieving flexible frames has been considered in 5G. This thesis presents some of our contributions to the literature in an effort to revolutionize the physical layer designs. Specifically, our contributions focus on the multi-numerology frame designs, coordinated networks, and physical layer security as well as the development of channel emulators as reliable and cost-efficient testbeds for testing prototypes and physical layer algorithms prior to their adoption to the networks. Under the study on channel emulators, a simple and effective channel emulator that features a benchtop-sized (small-sized) reverberation chamber (RVC), radio frequency (RF) cable, and power controller is proposed for emulating Rician propagation characteristics with a flexibly controllable k-factor. The developed emulator can precisely introduce the Rician propagation effect (with the desired k-factor) to the input RF signal. The proposed emulator is cost-efficient as it utilizes off-the-shelf simple RF components and it is suitable for algorithm/prototype testing and educational purposes in wireless laboratories. The next study explores the inter-numerology interference (INI) problem in 5G's multi-numerology frame structure. 5G radio access technology (RAT) standard has allowed the coexistence of multiple frame structures with different subcarrier spacings in one frequency band in order to facilitate flexibility in serving multiple users with varying and often conflicting requirements. Though efficient in providing the required flexibility, this approach introduces a new kind of interference into the system known as INI. In this study, a novel cyclic prefix (CP) insertion technique (referred to as common CP) for a multi-numerology system is mathematically analyzed in terms of the INI problem and its extensive comparison with the conventional CP configuration standardized for the 5G multi-numerology systems is presented. An in-depth discussion of various critical issues concerning multi-numerology systems such as frequency domain multiplexing, time domain symbol alignment, and orthogonality between subcarriers of different numerologies is presented in the light of both, conventional and common CP configurations. The analyses reveal that common CP has the advantage of restructuring the INI pattern in the system in a manner that paves the way for developing better techniques of avoiding or minimizing INI in future generations. Afterward, we explore synchronization problems in Coordinated Networks which involve multipoint to multipoint transmissions. Specifically, time and frequency synchronization between multiple devices and multiple transmission and reception points are among the critical challenges in coordinated networks. It is generally not possible for a single device to establish perfect synchronization with multiple transmission/reception points simultaneously. Our work focuses on developing spectral efficiency ways of facilitating timing synchronization in such systems. Specifically, a novel and flexible hybrid guard duration (HGD) based on zero tail (ZT) and cyclic prefix (CP) concepts is proposed to create room for accommodating any timing mismatches between a device and the transmission/reception points it is communicating with without extending the total symbol duration. This is unlike the traditional extended CP (E-CP) approach that degrades the system's spectral efficiency (SE) and elevates the transmission latency due to the extended symbol duration. HGD maintains the usage of the normal CP size and the total symbol duration, thereby ensuring better SE performance and relatively low latency. The proposed HGD is evaluated and compared with the traditional E-CP in terms of bit error rate, SE, and latency. Finally, the thesis sheds light on the physical layer security (PLS) concept from a wireless channel perspective. Unlike traditional cryptographic methods, PLS utilizes the random characteristics of wireless channels to secure the entire communication process against various attacks. Emerging technologies like Reconfigurable Intelligent Surfaces (RIS), Machine Learning (ML), and sensing are expected to enhance these networks by introducing new channel features that can be readily exploited for PLS. Our work in this domain examines these new features and their potential for PLS implementation. It also highlights important considerations when selecting channel features for PLS, emphasizes the role of channel control and sensing technologies, and discusses security attacks targeting channel characteristics. Additionally, it explores the Secret Key Generation (SKG) process in the context of array non-stationary channel characteristics in Extremely Large MIMO (XL-MIMO) systems.
Benzer Tezler
- Advanced cross-layer secure communication designs for future wireless systems
Geleceğin kablosuz sistemlerinde katmanlar arası ileri güvenli haberleşme tasarımları
JEHAD MAHMOUD AMIN HAMAMREH
Doktora
İngilizce
2018
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Medipol ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HÜSEYİN ARSLAN
- From media-based modulation to reconfigurable intelligent surfaces: Novel index modulation solutions
Ortam-tabanlı modülasyon'dan uyarlanabilir akıllı yüzeylere: Özgün indis modülasyon çözümleri
ZEHRA YİĞİT
Doktora
İngilizce
2022
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ERTUĞRUL BAŞAR
PROF. DR. İBRAHİM ALTUNBAŞ
- Design and implementation of beyond 5g physical layer schemes
5g sonrası fiziksel katman şemalarının tasarımı ve gerçeklemesi
CANER GÖZTEPE
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GÜNEŞ ZEYNEP KARABULUT KURT
- Karıştırma saldırılarında OFDM-IM tekniğinin performansı
Performance of OFDM-IM Under jamming attacks
AHMET KAPLAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2020
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İBRAHİM ALTUNBAŞ
- Secure beamforming for millimeter wave communications
Milimetre dalga iletişim için güvenli hüzme oluşturma
OĞULCAN ERDOĞAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2020
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİzmir Yüksek Teknoloji EnstitüsüElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. BERNA ÖZBEK