Power amplifer assisted ISAC
Güç yükselteci destekli ISAC
- Tez No: 911473
- Danışmanlar: PROF. DR. HAKAN ALİ ÇIRPAN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- 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: 93
Özet
Entegre algılama ve haberleşme (ISAC) çalışma alanı bir haberleşme ağına aynı zamanda algılama işlevinin de dahil edilmesi olarak değerlendirilir. Böyle bir ağ, gelecek nesil haberleşme sistemleri için gerekli olan yüksek kaliteli iletişim, algılama ve konumlandırma hizmetlerini sağlayacak ve aynı zamanda ortaya çıkan çok sayıda nesnelerin interneti (IoT) uygulamalarını da desteklemesi öngörülmektedir. Bu konsept kapsamında, algılama ve iletişim işlevleri, kaynak paylaşımı ve karşılıklı yardımlaşmayı sağlamak amacıyla entegre bir şekilde tasarlanabilir, optimize edilebilir ve uygulanabilir. Bu yaklaşım, ortak bir donanım platformu, ortak bir spektrum, koordine edilmiş sinyal işleme teknikleri ile kullanılır. ISAC konsepti, kazançları 2 başlık altında toplamaktadır. Bunlar entegrasyon kazancı ve koordinasyon kazancıdır. Koordinasyon amaçlı ISAC kullanımı altında algılama destekli haberleşme ve haberleşme destekli algılama yaklaşımları bulunmaktadır. Örneğin algılama destekli haberleşeme için hüzme oluşturma kazancının artırılması ve veri hızının artırılması amacıyla algılamanın lokalizasyon işlevinden fadalanılması, habeleşme sinyallerinin doğrudan algılama amaçlı değerlendirilmesi ise haberleşme destekli algılama yaklaşımı altında değerlendirilebilir. Entegrasyon kazancı, sınırlı spektral kaynakların verimli yönetimi, artırılmış enerji verimliliği ve ek donanım kullanımının azaltılması gibi avantajlar sağlar. Bu durum ise gelecek nesil baz istasyonlarının donanımları açısından kaynak verimliliği ve karmaşıklığı düşüreceği için olumlu olarak değerlendirilebilir. Öte yandan entegrasyon kazancını artırmak tabanbant işlemcilerde çalıştırılacak olan algoritmaların karmaşıklığını artıracak ve ortak amaçlı bir dalgaformu tasarımına sebebiyet verecektir. Algılama işlevindeki performans gereksinimleri genel olarak menzil çözünürlüğü, Doppler frekans çözünürlüğü ve açı çözünürlüğü olarak değerlendirilmektedir. Bu parametreler ise doğrudan RF sinyalinin ön uçtaki bant genişliğine, deviasyonlara ve elde edilecek sinyal gürültü oranı (SNR) seviyesine bağlı olduğu için gelecek nesil haberleşme sistemleri için tasarlanacak baz istasyonları yüksek bant genişliğinde algılama sinyali elde edebilecek, entegrasyon süresi boyunca RF donanımlarının ekstra bir bozucu etki yaratmaması gerekecek, yüksek SNR ve açı çözünürlükleri içinse anten birim sayısı ve kazancının yüksek olması gerekecektir. Bu durum ise donanım birimleri olarak değerlendirildiğinde; anten kullanım zorlukları, dinamik alan gereksinimleri, tepe ortalama güç oranı (PAPR) gibi sorunlara sebebiyet vermektedir. Çoğu haberleşme sistemi daha geniş hüzmeli antenler kullanırken, radarlar yayılma kaybını telafi etmek için dar hüzmeli yüksek kazançlı antenler kullanır. Düşük radar kesit alanına sahip nesneleri algılamak için yönlü antenler kullanılmaktadır. Anten tasarımlarındaki farklılıklar, anten ve ön uç blokları arasındaki arayüzü karmaşık hale getirecektir. Öte yandan radar uygulamaları için hedefleri kaçırmamak adına haberleşme sistemlerine göre daha geniş bir dinamik alan ihtiyacı olmaktadır. Bu durum ise tabanbanttaki işlemleri daha karmaşık hale getirecektir. Bununla birlikte radar sistemleri maksimum mesafeden hedef tespiti yapmak için için çok yüksek verici güçlerine ulaşmak zorundadır. Bu durum ise güç yükseltecinin (PA) çok yüksek giriş gücü ile besleneceği anlamına gelir. Haberleşme sistemleri ise PAPR probleminden dolayı çok yüksek giriş gücü ile PA'yı besleyemez. Bu zorluklar gelecek nesil baz istasyonları için göz önüne alınması gereken tasarım kriterleri olarak karşımıza çıkmaktadır. Bu tez çalışmasında ortak bir donanım üzerinde gerçekleştiren bir ISAC çalışması ele alınmıştır. PAPR seviyesi yüksek olan dikey frekans bölmeli çoklama (OFDM) dalga formu tercih edilmiştir. Bunun nedeni, OFDM' in haberleşme ağlarının neredeyse tüm standartlarında işlevselliği ile yer edinmiş olması ve gelecek nesil haberleşme sistemlerinde de kaçınılmaz olarak yer alacak olmasıdır. Böyle bir ağa entegre edilecek ISAC'in de OFDM dalga formu üzerinde başarımını artırması zorunlu görünmektedir. Böyle bir durumda PA'nın doğrusal olmayan davranışlarının algılama performansı nasıl etkilediği incelenmiş ve bu duruma yönelik performans iyileştirmesi için 2 farklı çalışma önerilmiştir. İlk çalışmada, OFDM dalga formu kullanıldığında RF ön uç bileşenlerinin haberleşme üzerindeki etkileri literatürde iyi bilinmektedir. Özellikle PA'nın yarattığı performans düşüşleri üzerine birçok çalışma bulunmaktadır. Ancak, PA davranışlarının algılama üzerindeki etkileri ¸su ana kadar çok fazla incelenmemiştir. Bunun nedeni, radar uygulamalarının genellikle sabit zarf dalga formları üzerinde yapılmasıdır. Ancak, OFDM sabit zarf yapısına sahip olmadığından, PA doğrusal olmayanlıklarının algılama üzerindeki etkisi değerlendirilmiştir. Böyle bir durumda performans düşüşünün önüne geçilmesi için PA modelinin elde edilip taban bant referans sinyale dahil edilmesi önerilmiştir. İkinci çalışmada ise, OFDM dalga formu kullanıldığında verici ve alıcıları farklı olan bir bistatik ISAC sistemi ele alınmı¸stır. Güç yükseltecinin yarattığı bozucu etkileri de göz önüne alıp daha iyi bir kanal tahmini algoritması oluşturmak hedeflenmiştir. Algılama performansı kanal durumu bilgisi üzerinden değerlendirilmiştir. Haberleşme performansı ise bit hata oranı metriği cinsinden elde edilmiştir. Bu sayede hem algılama hem de haberleşme performansı iyileştirilmiştir. Literatürdeki ve endüstrideki ISAC çalışmalarının hızlanarak devam edeceği öngörülmektedir. Farklı üniteler ile hibrit sekilde kullanılarak potansiyel zorlukların önüne geçilmesi öngörülmektedir. Bu kapsamda doğrusal yollu olmayan yayılım problemi için yeniden yapılandırılabilen akıllı yüzeyler ile birlikte kullanım literatürde değerlendirilmektedir. Öte yandan, insansız hava araçları kullanımı ile hem kapsama alanının artırılması hem de görüş hattının kurulması hedeflenmektedir.Bununla birlikte mevcut haberleşme altyapısında hızlı bir şekilde algılama işlevlerinin yapılması adına çoklu erişimli uç hesaplama birimlerinin kullanılması önerilmektedir. Bu birimler, büyük miktarda dağıtılmış ISAC verisinin hızlı işlenmesi için önemlidir. Geleneksel mobil haberleşme sisteminde algılama verileri merkezi işleme için uzak veri merkezlerine aktarılmak zorundadır, bu durum uzun iletim mesafesi nedeniyle yüksek hizmet gecikmesine ve ana ağlarda ağır trafik yüklerine yol açabilir. Uç hesaplama birimleri ile hesaplamaar kablosuz ağ kenarına taşınarak düşük ISAC hizmet gecikmesi ve minimize edilmiş trafik yükleri elde edilir. Ayrıca, farklı algılama amaçlarına sahip birden fazla ISAC mekanizması, verilerini birleştirerek daha gelişmiş performanslar elde edebilirler.
Özet (Çeviri)
Integrated sensing and communication (ISAC) has emerged as a critical phenomenon for next-generation communication systems. Particularly, in the context of Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) standards and fifth-generation (5G) beyond standardization efforts, ISAC has established itself as a significant area of focus in both academia and industry. Given its importance to both the communication and radar communities, it is inevitable that research in the ISAC domain will continue to progress. Despite the similarities in the hardware of radar and communication systems, the two functions generally have distinct objectives. This distinction often results in trade-offs, as similar hardware components are used for different purposes with different waveform requirements. Addressing these trade-offs to enhance the joint performance of both functions introduces various challenges. This thesis focuses on the orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) waveform. OFDM has already demonstrated its functionality in almost all communication standards and is expected to be indispensable in next-generation communication systems. Consequently, improving the performance of ISAC systems integrated with such networks necessitates optimizing their operation on the OFDM waveform. The first study examines the impact of radio frequency (RF) front-end components on ISAC Performance. The effects of RF front-end components, such as power amplifiers (PA), on communication performance are well-documented in the literature when using OFDM waveforms. Numerous studies have addressed the performance degradation caused by nonlinearities introduced by PAs. However, the impact of PA behaviour on sensing performance has received relatively little attention. This gap in the literature likely stems from the fact that traditional radar systems typically employ constant-envelope waveforms. Since OFDM lacks a constant-envelope structure, this study evaluates the influence of PA nonlinearities on sensing performance. To mitigate potential performance degradation, the study proposes extracting a PA model and incorporating it into the baseband reference signal. The second study takes into account an ISAC system employing OFDM waveforms, where the transmitter and receiver are distinct entities. The goal is to develop a more accurate channel estimation algorithm, impairment-aided channel state information (IA-CSI) that considers the distortions introduced by the PA. This approach aims to improve both sensing and communication performance. It is anticipated that ISAC-related research in both academia and industry will continue to accelerate, contributing to advancements in next-generation communication systems.
Benzer Tezler
- An 8-BIT 100 MS/s time-interleaved SAR-assisted pipeline ADC with improved residue amplifier
İyileştirilmiş artık yükselteçli 8-BIT 100 MS/s zaman aralıklıSAR yardımlı boru hattı ADC
CERIN NINAN KUNNATHARAYIL
Doktora
İngilizce
2022
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiSabancı ÜniversitesiElektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. YAŞAR GÜRBÜZ
- Active reconfigurable intelligent surface architectures for future wireless networks
Gelecek kablosuz ağları için aktif yeniden yapılandırılabilir akıllı yüzey mimarileri
RECEP AKİF TAŞÇI
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKoç ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ERTUĞRUL BAŞAR
- Design of differential transimpedance amplifier in SiGe BiCMOS for 10 Gbit/s fiber optical receivers
10 Gbit/s fiber optik alıcılar için SiGe BiCMOS farksal geçiş-empedansı kuvvetlendiricisi tasarımı
YUNUS AKBEY
Yüksek Lisans
Türkçe
2014
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. OSMAN PALAMUTÇUOĞULLARI
- Yüksek güç ultrasoniği ve ultrasonik destekli freze modülü tasarımı
High power ultrasonic and design of ultrasonic aided milling module
BORA ERKILIÇ
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Mekatronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. CEMAL BAYKARA