Geri Dön

Advanced waveform designs for 5G and 6G

5G ve 6G için gelişmiş dalga formu tasarımları

PDF İndir

  1. Tez No: 917469
  2. Yazar: EBUBEKİR MEMİŞOĞLU
  3. Danışmanlar: PROF. DR. HÜSEYİN ARSLAN
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2024
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Medipol Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Elektrik-Elektronik Mühendisliği ve Fiber Sistemler Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 112

Özet

Beşinci nesil (5G) kablosuz iletişim ağları, eski mobil nesillerin veri merkezli yaklaşımını, çeşitli gereksinimlere sahip kullanım durumlarını desteklemek için hizmet tabanlı bir kablosuz sisteme dönüştürdü. 5G Yeni Radyo (5G-NR), geniş bir hizmet yelpazesini kolaylaştırmak için karma numeroloji konseptine sahip esnek çerçeve yapısını tanıttı. Bu evrim, 2019'dan bu yana otonom araçlar, uzaktan cerrahi ve Nesnelerin İnterneti (IoT) gibi yenilikleri mümkün kılarak sağlık, ulaşım ve akıllı şehirler gibi endüstrilerde devrim yaratmayı vaat etmektedir. Altıncı nesil (6G) teknoloji geliştirme şu anda devam etmektedir, ve kablosuz ağların yeteneklerini ve uygulamalarını daha da geliştirmek için entegre algılama ve iletişim vizyonuna sahiptir. 5G-NR'de sunulan esnek çoklu-numeroloji çerçeve yapısının önündeki en büyük engel, nümerolojiler arası girişimin (INI) varlığıdır. Komşu nümerolojiler arasına bir koruma bandı (GB) eklemek, bu girişimi azaltmak için popüler bir tekniktir. Ancak, GB'leri uygulamaya yönelik geleneksel yaklaşım, spektrum kullanımı açısından verimli değildir. Ölçeklenebilir çoklu-numeroloji yapısındaki INI'nin içsel özelliklerini, GB'leri uygulamaya yönelik daha spektral verimli bir yöntem önermek için kullanılmaktadır. Simülasyonlarımız, bu önerilen GB ekleme tekniğinin, geleneksel olarak uygulanan GB'lerle aynı bit hata oranı performansını korurken GB kullanımını \%50'ye kadar iyileştirebileceğini göstermektedir. 5G ve gelecekteki kablosuz ağların temel bir bileşeni, çok sayıda uygulamanın ihtiyaçlarını karşılayan ortogonal frekans bölmeli çoklama (OFDM) dalga formuna sahip esnek karma numeroloji yapısıdır. Geleneksel numeroloji seçimi yalnızca zaman alanı numeroloji çoklamasında yüksek tepe-ortalama güç oranını (PAPR) düşürebilir. Hem zaman alanı hem de frekans alanı numeroloji çoklama senaryolarında PAPR'yi düşürmek için benzersiz bir numeroloji zamanlama (NS) tekniği öneriyoruz. Çeşitli NS'lere sahip bir sinyal grubundan, bu prosedür kullanılarak en düşük PAPR'ye sahip sinyal seçilir. Geleneksel numeroloji seçimiyle karşılaştırıldığında, doğrusal karmaşıklığa sahip önerilen yöntem, simülasyon sonuçlarına ve karmaşıklık analizine göre daha iyi PAPR azaltımı sağlamaktadır. 5G ve gelecekteki kablosuz iletişim sistemleri, entegre algılama ve iletişim (ISAC) gerektirir. Çok sayıda kablosuz standart, büyük spektral verimliliği ve statik çok yollu kanal koşullarına direnci nedeniyle döngüsel önek-OFDM'yi (CP-OFDM) kapsamlı bir şekilde kullanır. Öte yandan, frekans modüleli sürekli dalga (FMCW), özellikle otonom araçlar için radar algılama içeren uygulamalarda sıklıkla kullanılır. Pasif radarlar gibi algılama uygulamaları için havadaki iletişim sinyalleri kullanılsa da, bu sistemler sınırlı algılama yeteneklerine sahiptir. İletişim ve radar algılama sistemleri için zaman, frekans ve uzaysal kaynaklarını ayrı ayrı tahsis eden çeşitli birlikte varoluş şemaları tanıtılmıştır. Öte yandan, ortak radar ve iletişim (JRC) sistemlerine ortogonal birlikte varoluş sağlamak için aynı zaman ve frekans kaynaklarında örtüşen yeni bir dalga formu tasarımı önerilmiştir. Önerilen tasarımda, bit hata oranı (BER) ve kanal tahmin performansı değerlendirilmiş ve geleneksel CP-OFDM sistemleriyle karşılaştırılmıştır ve önerilen birlikte varoluşun eşdeğer performansa ulaştığı gösterilmiştir. Bu nedenle, bu örtüşen dalga formu tasarımı, ayrı kaynak paylaşım yaklaşımlarına kıyasla daha iyi spektral verimlilik elde eder. ISAC, 5G ötesi ve 6G ağlarının önemli bir bileşenidir. Ancak, ek algılama sinyalleri nedeniyle spektrumun bir arada bulunması, planlanması ve kıtlığı konusunda geçerli endişeler vardır. Hem algılayan hem de iletişim kuran bir cihaz, algılama için iletişim sinyalini kullanabilir. Öte yandan, yalnızca algılayan ve iletişim kurmayan bir cihazın ek algılama sinyalleri iletmesi gerekecektir ve bu da artan ağ trafiğine yol açacaktır. Bu nedenle, yinelemeli kanal tahmini (ISAC-ICE) ile ISAC adı verilen yeni bir yöntem önerilmiştir. Bu yaklaşımın amacı, spektrum verimliliği elde ederken iyi algılama ve iletişim performansını korumaktır. Önerilen yöntem bunu, yukarı bağlantı iletimi için ortogonal olmayan iletişim ve algılama sinyallerinden yinelemeli kanal tahminini etkinleştirerek başarır. Önerilen yaklaşım, simülasyon sonuçları ve karmaşıklık analizi ile gösterildiği gibi, doğrusal karmaşıklığa sahip ISAC'ın ortogonal olmayan çoklu erişimine (NOMA) izin vermektedir. OFDM, verimliliği ve sağlamlığı nedeniyle iletişim için yaygın olarak kullanılır. Ancak, ortaya çıkan uygulamalar algılama işlevlerini desteklemek için OFDM'de daha fazla esneklik talep etmektedir. OFDM'ye dayalı çift fonksiyonlu radar iletişimleri (DFRC) için zaman-frekans dalga formları tasarlamak, iletişim ve algılamanın gelişen gereksinimlerini karşılamak için kritik öneme sahiptir. Bu çalışma, gecikme ve Doppler tahmini için Cramér-Rao sınırlarını (CRB'ler) en aza indirerek OFDM DFRC sistemlerindeki radar performansını artırmak için yeni bir yöntem önermektedir. İleri beslemeli sinyallemeye veya alt taşıyıcı rezervasyonuna dayanan mevcut yöntemlerin aksine, önerilen yaklaşım, ek yük olmadan daha düşük CRB'ler elde etmek için karesel genlik modülasyonunun (QAM) takımyıldız uzantısından yararlanır. Bu, radar tahmin performansını iyileştirirken sorunsuz iletişimi sağlar. Önerilen yöntem, CRB ve sembol hata oranına (SER) odaklanan simülasyonlar aracılığıyla değerlendirilir. Ek olarak, CRB en aza indirmenin iletişim performansı üzerindeki etkisini değerlendirmek için teorik bir SER analizi türetilmiştir. Güç verimliliği, 6G ağlarının sürdürülebilirliğini sağlamak için hayati bir ölçüttür. ISAC hizmetlerinin uygulanması, algılama için gereken ek sinyal iletimi nedeniyle güç tüketimini artırır. ISAC hüzme oluşturma, hem iletişim kullanıcılarının (CU'lar) hem de algılama kullanıcılarının (SU'lar) ihtiyaçlarını karşılayarak mmWave çok girişli çok çıkışlı (MIMO) sistemlerde güç tüketimini azaltmak için etkili bir çözüm sunar. Ancak, bu yaklaşım yalnızca her iki kullanıcı türü de aynı hüzme kapsama alanında olduğunda etkilidir. Aksi takdirde, ayrı hüzmelere ihtiyaç duyulur ve bu da artan güç tüketimine yol açar. Bu zorluğun üstesinden gelmek için, güç verimliliğini en üst düzeye çıkaran ISAC hüzme oluşturma için yeni bir zaman alanı planlama yöntemi öneriyoruz. Farklı kullanıcı sayıları, periyodiklik değerleri ve kullanıcı dağıtım oranları dahil olmak üzere çeşitli senaryolar için geleneksel planlama yöntemlerine göre performans iyileştirmeleri gösterilmiştir. Özetle, bu tez 5G ve 6G'nin dalga formu tasarımını geliştirmeyi amaçlayan literatüre katkılarımızı tanıtmaktadır. Özellikle, katkılarımız karma numeroloji çerçeve tasarımı, karma numeroloji zamanlaması, farklı dalga formlarının bir arada bulunması, ISAC'da ortogonal olmayan çoklu erişim ve DFRC sistemlerinde takımyıldız tasarımı, ve ISAC hüzmelemede planlama gibi araştırma konularına odaklanmaktadır.

Özet (Çeviri)

Fifth-generation (5G) of wireless communication networks has transformed the data-centric approach of the legacy mobile generations to a service-based wireless system to support the use-cases with diverse requirements. 5G New Radio (5G-NR) has introduced the flexible frame structure with mixed-numerology concept to facilitate a broad range of services. This evolution promises to revolutionize industries such as healthcare, transportation, and smart cities by enabling innovations like autonomous vehicles, remote surgery, and the Internet of Things (IoT) since 2019. Sixth-generation (6G) technology development is currently under way, with a vision of integrated sensing and communication to further enhancing the capabilities and applications of wireless networks. A major obstacle to the flexible multi-numerology frame structure presented in 5G-NR is the existence of inter-numerology interference (INI). Inserting a guard band (GB) between neighboring numerologies is a popular technique for reducing this interference. However, the conventional approach to implementing GBs is not efficient in terms of spectrum usage. We leverage the inherent characteristics of INI in the scalable multi-numerology structure to propose a more spectral efficient method of implementing GBs. Our simulations demonstrate that this proposed GB insertion technique can improve GB utilization by up to 50\% while maintaining the same bit error rate performance as conventionally implemented GBs. An essential component of 5G and future wireless networks is the flexible mixed-numerology structure with orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) waveform, which satisfies the needs of numerous applications. Conventional numerology selection can only lower the high peak-to-average power ratio (PAPR) in time-domain numerology multiplexing. In order to lower PAPR in both time-domain and frequency-domain numerology multiplexing scenarios, we propose a unique numerology scheduling (NS) technique. From a group of signals with various NS, the signal with the lowest PAPR is chosen using this procedure. In comparison to traditional numerology selection, the proposed method with linearithmic complexity delivers better PAPR reduction according to simulation results and complexity analysis. 5G and future wireless communication systems require integrated sensing and communication (ISAC). Numerous wireless standards make extensive use of the cyclic prefix-OFDM (CP-OFDM) because of its great spectral efficiency and resistance to static multipath channel conditions. On the other hand, frequency modulated continuous-wave (FMCW) is often used in applications involving radar sensing, especially for autonomous vehicles. Even though communication signals over the air are used for sensing applications, such as passive radars, these systems have limited sensing capabilities. Several coexistence schemes are introduced for communication and radar-sensing systems, allocating time, frequency, and space resources separately. On the other hand, a new waveform design that overlaps on the same time and frequency resources is proposed to give joint radar and communication (JRC) systems orthogonal coexistence. In the proposed design, the bit-error rate (BER) and channel estimation performance are evaluated and compared with traditional CP-OFDM systems, demonstrating that the proposed coexistence achieves equivalent performance. Therefore, this overlapping waveform design achieves better spectral efficiency compared to separate resource sharing approaches. ISAC is a crucial component of networks of 5G beyond and 6G. However, there are valid concerns about the coexistence, scheduling, and scarcity of spectrum due to additional sensing signals. A device that both senses and communicates can use its communication signal for sensing. On the other hand, a device that only senses and does not communicate will need to transmit additional sensing signals, leading to increased network traffic. Therefore, a new method called ISAC with iterative channel estimation (ISAC-ICE) is proposed. The goal of this approach is to retain good sensing and communication performance while achieving spectrum efficiency. The proposed method accomplishes this by enabling the iterative channel estimation from non-orthogonal communication and sensing signals for uplink transmission. The proposed approach permits non-orthogonal multiple access (NOMA) of ISAC with a linearithmic complexity, as shown by simulation results and complexity analysis. OFDM is widely used for communication due to its efficiency and robustness. However, emerging applications demand greater flexibility in OFDM to support sensing functionalities. Designing time-frequency waveforms for dual-functional radar-communications (DFRC) based on OFDM is critical to meet the evolving requirements of communication and sensing. This work proposes a novel method to enhance radar performance in OFDM DFRC systems by minimizing the Cramér-Rao bounds (CRBs) for delay and Doppler estimation. Unlike existing methods that rely on feedforward signaling or subcarrier reservation, the proposed approach leverages the constellation extension of quadrature amplitude modulation (QAM) to achieve lower CRBs without additional overhead. This ensures seamless communication while improving radar estimation performance. The proposed method is evaluated through simulations focusing on CRB and symbol error rate (SER). Additionally, a theoretical SER analysis is derived to assess the impact of CRB minimization on communication performance. Power efficiency is a vital metric for ensuring the sustainability of 6G networks. The implementation of ISAC services increases power consumption due to the additional signal transmission required for sensing. ISAC beamforming offers an effective solution to reduce power consumption in mmWave multi-input multi-output (MIMO) systems while satisfying the needs of both communication users (CUs) and sensing users (SUs). However, this approach is only effective when both user types are within the coverage of the same beam. Otherwise, separate beams are needed, leading to increased power consumption. To address this challenge, we propose a novel time-domain scheduling method for ISAC beamforming that maximizes power efficiency. Performance improvements over conventional scheduling methods are demonstrated for various scenarios, including differing user numbers, periodicity values, and user distribution ratios. In summary, this thesis introduces our contributions to the literature aimed at enhancing the waveform design of 5G and 6G. Specifically, our contributions focus on research topics including mixed-numerology frame design, mixed-numerology scheduling, coexistence of different waveforms, non-orthogonal multiple access in ISAC, constellation design in DFRC systems, and scheduling for ISAC beamforming.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    966065

    Multiple access for 5G and beyond networks

    5G ve ötesi kablosuz iletişim ağları için çoklu erişim

    BADR EDDINE OUAKOUAK

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2025

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Medipol Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği ve Siber Sistemler Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HÜSEYİN ARSLAN

  2. Tez No

    940956

    Energy efficiency and security of rıs-aided communication networks

    Ris-tabanli haberleşme ağlarinda enerji verimliliği ve güvenlik

    HAKAN ALAKOCA

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2025

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Bilişim Uygulamaları Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. LÜTFİYE DURAK ATA

  3. Tez No

    519408

    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

    İngilizce

    2018

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Medipol Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HÜSEYİN ARSLAN

  4. Tez No

    893101

    Physical layer techniques for 5G and beyond wireless systems

    5G ve ötesi kablosuz sistemler için fiziksel katman teknikleri

    ABUU BAKARI KIHERO

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    İletişim Bilimleriİstanbul Medipol Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği ve Siber Sistemler Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HÜSEYİN ARSLAN

  5. Tez No

    949473

    Performance analysis of FMCW radars in ISAC systems

    ISAC sistemlerinde FMCW radarların performans analizi

    MUHTEREM ULUSOY

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2025

    Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MEHMET NURİ AKINCI

Geri Dön