Hybrid beamforming techniques for millimeter-wave MIMO systems
Milimetre dalga MIMO sistemleri için hibrit hüzme oluşturma teknikleri
- Tez No: 917452
- Danışmanlar: PROF. DR. HÜSEYİN ARSLAN
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- 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: 143
Özet
Araştırmamız, gelecekteki kablosuz ağlarda iyileştirilmiş enerji verimliliği, spektral verimlilik ve güvenlik ihtiyacından kaynaklanmaktadır. Mevcut hibrit çoklu giriş çoklu çıkış (MIMO) sistemleri, yüksek maliyet ve karmaşıklık, mekansal geniş bant etkisi (ışın şaşılığı olarak bilinir), ışınlar arası girişim, ilk erişim gecikmeleri ve sahtecilik saldırılarına karşı savunmasızlık gibi önemli zorluklarla karşı karşıyadır. Bu tez, yeni nesil iletişim sistemleri için özel olarak tasarlanmış yenilikçi çözümlerle bu sorunları ele almaktadır. İlk olarak, büyük anten dizilerini ve birden fazla kullanıcıyı verimli bir şekilde yönetmek için hibrit ön kodlama algoritmasıyla birleştirilmiş alt gruplu lens anten alt dizisi (LAS-MIMO) mimarisi öneriyoruz. Bu tasarım, donanım yükünü azaltır ve toplam oranı en üst düzeye çıkarırken kullanıcılar arası girişimi en aza indirir. Büyük MIMO uygulamasına sahip ultra geniş bant sinyalizasyonu (UWB) için, mekansal geniş bant etkisini azaltmak, ışın kazanımını ve sistem kapasitesini artırmak için LAS tasarımını ve analog alt bant filtrelerini entegre eden bir alıcı-verici tasarımı sunulmaktadır. Özellikle, önerilen tasarım faz kaydırıcılardan gelen geniş bant sinyalini dar bant sinyal gruplarına ayırır ve merceklerin altında kapsamlı bir arama tabanlı anahtarlama/ön kodlama mekanizması aracılığıyla şaşılıklarını kontrol eder. Ayrıca, karmaşıklığı önemli ölçüde en aza indirirken iyi performans gösteren basitleştirilmiş, eşikli arama tabanlı ön kodlama algoritması önerilir. Daha sonra, hem uzak alan hem de yakın alan yayılımında ışın şaşılığından etkilenen UWB masif MIMO sistemlerinde ışınlar arası girişimi (IBI) ele alınmaktadır ve burada IBI modelinin sistem kapasitesi üzerindeki etkisi değerlendirilmektedir. IBI etkisi, alt gruplandırılmış ışın tabanlı bir zamanlama şemasıyla hafifletilir ve sistem performansı önemli ölçüde iyileştirilir. Güvenlik için, hem dar bant hem de geniş bant iletimlerde ışın alanı MIMO kanalının özelliklerini kullanarak, ışın alanı MIMO kanal gösterimindeki ana bileşenlerin konumlarından benzersiz bir mesafe imza vektörünün çıkarıldığı yeni bir fiziksel katman kimlik doğrulama (PLA) şeması sunulmaktadır. Dinamik ortamlardaki hareketlilik endişelerini gidermek için bir izleme filtresi tanıtılmaktadır. Bu filtre, kimlik doğrulama sisteminin depolanan benzersiz imzayı sürekli olarak izlemesini ve güncellemesini sağlayarak genel kimlik doğrulama performansını artırmaktadır. Kapsamlı simülasyonlar ve analizlerle doğrulanan çözümlerimiz, enerji verimliliği, spektral verimlilik, sistem kapasitesi ve güvenlikte önemli iyileştirmeler göstermektedir. Bu ilerlemeler toplu olarak kritik zorlukları ele alarak, yeni nesil kablosuz iletişim sistemleri için sağlam, verimli ve güvenli çerçeveler sunmaktadır. Önerilen yöntemler potansiyel olarak genelleştirilebilir olup, alanda daha fazla araştırma ve geliştirme için sağlam bir temel sağlamaktadır.
Özet (Çeviri)
Our research is driven by the need for improved energy efficiency, spectral efficiency, and security in future wireless networks. Current hybrid multiple-input multiple-output (MIMO) systems face significant challenges, including high cost and complexity, spatial wideband effect (known as beam squint), inter-beam interference, initial access delays, and vulnerability to spoofing attacks. This thesis addresses these problems through innovative solutions tailored for next-generation communication systems. First, we propose a sub-grouped lens antenna subarray (LAS-MIMO) architecture coupled with a hybrid precoding algorithm to efficiently manage large antenna arrays and multiple users. This design reduces hardware overhead and maximizes the sum rate while minimizing inter-user interference. For ultra-wideband signaling (UWB) with massive MIMO implementation, we introduce a transceiver design integrating LAS design and analog subband filters to mitigate the spatial wideband effect, enhancing beam gain and system capacity. Specifically, the proposed design chunks the wideband signal from the phase shifters into groups of narrowband signals and controls their squints through an exhaustive search-based switching/precoding mechanism under the lenses. Furthermore, a simplified, thresholded search-based precoding algorithm is proposed, demonstrating good performance while significantly minimizing complexity. Then, we tackle inter-beam interference (IBI) in the UWB massive MIMO systems affected by beam squint in both far-field and near-field propagation, where the impact of the IBI model on system capacity is evaluated. The IBI effect is alleviated with a sub-grouped beam-based scheduling scheme, significantly improving system performance. For security, utilizing properties of the beamspace MIMO channel in both narrowband and wideband transmissions, we present a novel physical layer authentication (PLA) scheme where a unique distance signature vector is extracted from the positions of the principal components within the beamspace MIMO channel representation. A tracking filter has been introduced to address mobility concerns in dynamic settings. This filter allows the authentication system to continuously track and update the stored unique signature, enhancing overall authentication performance. Our solutions also incorporate advanced optimization techniques to further enhance the scalability and adaptability of the proposed systems under varying network conditions. By considering realistic environmental factors such as mobility, channel fluctuations, and network topology, the proposed designs can dynamically adjust, ensuring consistent performance and robustness in diverse operational scenarios. Our solutions, validated through extensive simulations and analysis, demonstrate substantial improvements in energy efficiency, spectral efficiency, system capacity, and security. These advancements collectively address critical challenges, offering robust, efficient, and secure frameworks for next-generation wireless communication systems. The proposed methods are potentially generalizable, providing a solid foundation for further research and development in the field.
Benzer Tezler
- Signal processing and beamforming techniques for cell free MM-wave massive MIMO systems
Hücresel olmayan milimetrik dalga masif MIMO sistemler için sinyal işleme ve hüzmeleme
METEHAN KARATAŞ
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ GÖKHAN MUZAFFER GÜVENSEN
- 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
- Çok kullanıcılı milimetre dalga mımo sistemlerde kapasite analizi
Capacity analysis in multi-user millimeter wave mimo systems
MEHMET HÖKELEK
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiNuh Naci Yazgan ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ ASUMAN SAVAŞCIHABEŞ
- 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
- Yeniden yapılandırılabilir akıllı yüzey destekli masif çok-girişli çok-çıkışlı sistemlerin milimetre dalga bandında performans analizi
Performance analysis of intelligent reconfigurable surface assisted massive multi-input multi-output systems in millimeter wave band
BEYZA ÖNAL
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Medeniyet ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NİHAT KABAOĞLU