Geri Dön

RIS destekli serbest uzay optik iletişim sistemlerinin performans analizi

Performance analysis of RIS aided free space optical communication systems

PDF İndir

  1. Tez No: 928392
  2. Yazar: YONCA YÜKSEKDAĞ AKTAŞ
  3. Danışmanlar: PROF. DR. İBRAHİM ALTUNBAŞ
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Mühendislik Bilimleri, Electrical and Electronics Engineering, Engineering Sciences
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2025
  8. Dil: Türkçe
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Telekomünikasyon Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 99

Özet

6G sistemlerinin, toplumun çeşitli alanlarında ve iş süreçlerinde kapsamlı bir dijital dönüşüm sağlayarak sürdürülebilir ekonomik kalkınmaya önemli katkı sunması ve sosyal refahı arttırması beklenmektedir. Bu kapsamda geliştirilen yenilikçi uygulamaların artan kapasite ihtiyacını karşılamak için farklı iletişim teknolojileri araştırılmaktadır. RF (Radio Frequency, RF) bandının sınırlı ve maliyetli olması nedeniyle, yeni teknolojilerin elektromanyetik spektrumun üst kısımlarında yer alan, aynı zamanda geniş banda sahip olan optik bölgede kullanılması arzu edilmektedir. Serbest uzay optik (Free Space Optic, FSO) iletişimi, yüksek veri hızları, geniş bant genişliği ve lisans gerektirmeyen bir spektrum sağlamasıyla modern iletişim sistemlerinde önemli bir alternatif olarak öne çıkmaktadır. Ancak, FSO iletişim sistemleri, atmosferik türbülans, hizalama hataları ve hava koşulları gibi fiziksel sınırlamalara karşı hassastır. Dahası, verici-alıcı arasında bir görüş hattının (Line-of-Sight, LOS) olması gerekmektedir. Bu sınırlamalar, işaret kalitesini ve güvenilirliğini olumsuz etkileyerek sistem performansını sınırlamaktadır. Bu sorunların üstesinden gelmek için röle, çok-girişli çok-çıkışlı (Multiple-input Multiple-output, MIMO), hibrit RF/FSO vb. sistemler önerilmektedir. Önerilen bu sistemler maliyetli veya kompleks bir çözüm sunmaktadır. Bu noktada, son zamanlarda popüler bir araştırma konusu haline gelen yeniden yapılandırılabilir akıllı yüzeyler (Reconfigurable Intelligent Surfaces, RIS), FSO iletişim sistemlerinde bu zorlukların üstesinden gelmek için yenilikçi bir çözüm olarak ortaya çıkmaktadır. FSO iletişim sistemlerinin RIS ile desteklenmesiyle birlikte işaretlerin güçlendirilmesi, yönlendirilmesi ve çevresel bozulmalara karşı dayanıklılığın arttırılması hedeflenmektedir. Tez kapsamında önerilen sistemde kaynak ile hedef arasında doğrudan görüş hattı bulunmayıp RIS aracılığıyla iletişim sağlanmaktadır. RIS'in kanal faz bilgisine sahip olduğu varsayılmaktadır. FSO iletişiminde karşılaşılan atmosferik türbülans, atmosferik zayıflama, hizalama hatası etkileri incelenmiştir. Atmosferik türbülansın etkisi, üstel Weibull dağılımı ile modellenirken, kaynak ve hedef arasındaki uçtan uca kanal etkisi Gamma dağılımına yakınsatılarak ifade edilmiştir. İdeal bir RIS'in sonsuz ve sürekli faz dizisine sahip olduğu varsayımının aksine, pratikte kullanılan RIS'lerin sonlu ve ayrık faz dizilerine sahip olması nedeniyle kuantalama hatası ortaya çıkmaktadır. Bu bağlamda kuantalama hatasının sistemin performansına etkisi analiz edilmiştir. Bu tezde, birinci bölüm FSO iletişime yönelik kapsamlı bir literatür incelemesini içermektedir. İkinci bölümde, FSO iletişim kanallarında karşılaşılan atmosferik zayıflama, atmosferik türbülans ve hizalama hatası etkileri detaylı bir şekilde incelenmiştir. Ayrıca, tez kapsamında benzetimlerde kullanılmak üzere atmosferik türbülans ve hizalama hatasını modelleyen rastgele değişkenler, ters dönüşüm örnekleme tekniği ile üretilmiştir. Üretilen rastgele değişkenlerin histogramlarından elde edilen PDF ile analitik olarak ifade edilen PDF'nin uyumlu olduğu gösterilmiş ve böylece kanal modellemesinin doğru bir şekilde gerçekleştirildiği gösterilmiştir. Tezin üçüncü bölümünde yeniden yapılandırılabilir akıllı yüzeyler incelenmiştir. Sistem bir verici, çok elemanlı RIS ve bir alıcıdan oluşmaktadır. Burada her bir kanal Rayleigh dağılımı ile modellenerek sistemin uçtan uca kanalı Gauss dağılımına yakınsatılmıştır. Sistemin ortalama BER ifadesi analitik olarak elde edilmiştir. Analitik sonuçlar ile benzetim sonuçlarının birbiriyle uyumlu olduğu görülmüştür. Ortalama BER performansının, RIS'in eleman sayısı arttıkça iyileştiği görülmüştür. Tezin dördüncü bölümünde indis modülasyonundan uzaysal modülasyon (Spatial Modulation, SM) ve uzay kaydırmalı anahtarlama (Space Shift Keying, SSK) teknikleri detaylı bir şekilde analiz edilmiştir. Sistemin ortalama BER ifadesi analitik olarak elde edilmiştir. Analitik sonuçlar ile benzetim sonuçlarının birbiriyle uyumlu olduğu görülmüştür. Beşinci bölümde, RIS destekli bir FSO sistemi ele alınmıştır. Atmosferik türbülans, atmosferik zayıflama, hizalama hatası ve kuantalama hatası varlığında sistemin uçtan uca kesinti olasılığı, ortalama BER ve ergodik kapasite ifadeleri türetilmiştir. Tüm deneyler için analitik sonuçlar ile benzetim sonuçlarının birbiriyle uyumlu olduğu görülmüştür. RIS'in eleman sayısının FSO sisteminin kesinti olasılığına, ortalama BER'e ve ergodik kapasitesine etkisi SNR'ye bağlı olarak incelenmiştir. Bu doğrultuda FSO sisteminin RIS ile desteklenmesiyle birlikte performansının iyileştiği ve dahası, RIS'in eleman sayısı arttıkça sistemin performansının önemli ölçüde iyileştiği gösterilmiştir. Bunun yanı sıra RIS'in kuantalama bit sayısının RIS destekli FSO sisteminin kesinti olasılığına, ortalama BER'e ve ergodik kapasitesine etkisi gösterilmiştir. Bu bağlamda RIS'in kuantalama bit sayısının sistemin performansını önemli ölçüde etkilediği görülmüştür. Sonuçlara bakıldığında kuantalama bit sayısı 3'ten büyük olduğu müddetçe sistemin iyi çalıştığı açıkça görülmüştür. Bölümün devamında RIS destekli FSO sistemine hem vericide hem alıcıda anten seçimi (Joint Transmitter and Receiver Antenna Selection, JTRAS) tekniği eklenerek FSO sistemlerinde karşılaşılan bozucu faktörlere karşı sistemin dayanıklılığının daha da arttırılması hedeflenmiştir. Sistemin kesinti olasılığı ve ortalama BER ifadeleri türetilmiştir. Tüm deneyler için analitik sonuçlar ile benzetim sonuçlarının birbiriyle uyumlu olduğu görülmüştür. Birinci bölümde SNR'ye bağlı olarak elde edilen kesinti olasılığı ve ortalama BER performansı ile JTRAS tekniğinin eklenmesiyle birlikte yeni sistemin performansı karşılaştırılmıştır. Elde edilen sonuçlar, JTRAS tekniğinin RIS destekli FSO sistemine eklenmesinin, sistemin kesinti olasılığını ve ortalama BER performansını belirgin şekilde iyileştirdiğini göstermiştir. Tezin altıncı bölümde RIS destekli FSO sistemlerinin kapasite ve spektral verimliliğini arttırmak amacıyla indis modülasyonu tekniğinin kullanımı önerilmiştir. İndis modülasyonu tekniği olarak SM ve SSK yöntemleri kullanılmıştır. İndis modülasyonu verici tarafında, alıcı tarafında veya RIS'in tarafında yapılmak üzere üç farklı şekilde RIS destekli FSO sistemine eklenebilmektedir. Tüm senaryolar için ortalama BER performansı benzetim ile elde edilmiştir. Sonuçlara bakıldığında sisteme indis modülasyonun eklenmesinin sistemin performansını iyileştirdiği görülmüştür. Ayrıca alıcı tarafında indis modülasyonun uygulanmasının diğer iki senaryoya göre daha iyi sonuç verdiği gözlemlenmiştir. Sonuç olarak, bu tez kapsamında, FSO iletişim sistemlerinde RIS'in kullanılmasıyla, kanal etkilerinin hafifletilebileceği ve sistem performansının önemli ölçüde arttırılabileceği gösterilmiştir. Ayrıca, önerilen SM ve SSK teknikleri ile birlikte uygulanan JTRAS yaklaşımının, FSO sistemlerinin zorlu kanal koşullarında daha dayanıklı hale gelmesini sağladığı görülmüştür. Elde edilen bulgular, RIS teknolojisinin FSO iletişim sistemlerine entegrasyonunun, bu sistemlerin yeni nesil iletişim ağlarında daha verimli, dayanıklı ve uygulanabilir bir seçenek olmasını mümkün kıldığını ortaya koymaktadır.

Özet (Çeviri)

6G systems are expected to be crucial in promoting sustainable economic development and enhancing social welfare by extensively digitizing societal and business processes. In this context, various communication technologies are being explored to meet the increasing capacity demands of innovative applications developed within this scope. Due to the limited and costly nature of the radio frequency (RF) band, it is desirable to use new technologies in the optical region, which occupies the upper parts of the electromagnetic spectrum and offers a wide bandwidth. Free space optic (FSO) communication stands out as a significant alternative in modern communication systems, offering high data rates, wide bandwidth, and license-free spectrum. However, FSO communication systems are sensitive to physical limitations such as atmospheric turbulence, alignment errors, and weather conditions. Moreover, a line-of-sight (LOS) between the transmitter and receiver is required. These limitations negatively affect signal quality and reliability, thus constraining system performance. To overcome these issues, solutions such as relay systems, multiple-input multiple-output (MIMO), hybrid RF/FSO and diversity techniques have been proposed. The proposed systems often present costly or complex solutions. At this point, reconfigurable intelligent surfaces (RIS), which have recently become a popular research topic, emerge as an innovative solution to overcome these challenges in FSO communication systems. Due to their low cost, the absence of a need for a transmitter-receiver chain, and passive and energy-efficient structure, supporting FSO communication with a RIS system offers a superior alternative to the previously proposed methods for addressing these issues. In RIS-assisted FSO systems, the aim is to enhance signal strength, improve directionality, and increase resilience against environmental impairments. Additionally, to enhance the performance of the RIS-aided FSO communication system, joint transmitter and receiver antenna selection (JTRAS) technique has been proposed. In the system design, the number of both receivers and transmitters has been increased. On the receiver side, the channel that provides the highest SNR is dynamically selected, improving the overall performance of the communication system. By integrating the JTRAS technique into the RIS-assisted FSO system, the goal is to enhance the resilience against atmospheric turbulence and environmental disruptive factors encountered in FSO systems. Furthermore, index modulation techniques such as SM and SSK modulation have been investigated to improve the capacity and spectral efficiency of these systems. In the system proposed within the thesis, communication is established through RIS, and there is no direct line of sight between the source and the destination. It is assumed that the RIS has knowledge of the channel phase information. The effects of atmospheric turbulence, atmospheric attenuation, and alignment errors encountered in FSO communication have been examined. The impact of atmospheric turbulence is modeled using an exponential Weibull distribution, while the end-to-end channel effect between the source and the destination is expressed by approximating it to a Gamma distribution. Contrary to the assumption of an ideal RIS with an infinite and continuous phase array, practical RIS systems have finite and discrete phase arrays, leading to quantization errors. In this context, the impact of the quantization error on the system's performance has been analyzed. In this thesis, the first chapter includes a comprehensive literature review on FSO communication, while the Chapter 2 examines in detail the effects of atmospheric attenuation, atmospheric turbulence, and alignment errors encountered in FSO communication channels. The effect of atmospheric turbulence has been modeled using the Exponentiated Weibull distribution. Additionally, random variables modeling atmospheric turbulence and alignment errors for use in simulations were generated using the inverse transform sampling technique. The probability density function (PDF) obtained from the histograms of the generated random variables has been shown to be consistent with the analytically expressed PDF, thus confirming the accurate modeling of the channel. In Chapter 3, RIS are investigated. The system consists of a transmitter, an $N$-element RIS, and a receiver. The channel envelopes between the transmitter and RIS, as well as between the RIS and receiver, are modeled using the Rayleigh distribution, and the end-to-end system channel is approximated to a Gaussian distribution. The average bit error rate (BER) expression for the system is derived analytically. The analytical approach is accurate when the number of RIS elements, $N$, is sufficiently large, particularly when $N \geq32$. Additionally, it has been observed that the average BER performance improves as the number of elements in the RIS increases. In Chapter 4, index modulation techniques, specifically spatial modulation (SM) and space shift keying (SSK), are analyzed in detail. The average BER expression for the system is derived analytically. It has been observed that the analytical results are consistent with the simulation results. It has been observed that the average BER performance of the SSK system enhances as the number of receiver antennas increases. Additionally, a comparison of SM and SSK systems revealed that, while having the same spectral efficiency, both systems exhibit the same average BER performance. Furthermore, as the spectral efficiency increases, the average BER performance of the SM system deteriorates, indicating an inverse relationship between average BER and spectral efficiency. In Chapter 5, an RIS-assisted FSO communication system is examined. The system consists of a light source, an \emph{N}-element RIS, and a photo-detector. In the presence of atmospheric turbulence, atmospheric attenuation, alignment errors, and quantization errors, the end-to-end outage probability, average BER, and ergodic capacity expressions of the system are derived. The Monte Carlo simulation is carried out in MATLAB. It has been observed that the analytical results are consistent with the simulation results for all experiments. The effect of the number of RIS elements on the FSO system's outage probability, average BER, and ergodic capacity is examined as a function of signal-to-noise ratio (SNR). It is shown that the performance of the FSO system improves when supported by RIS, and furthermore, as the number of RIS elements increases, the system's performance significantly improves. Additionally, the impact of the quantization bit count of the RIS on the outage probability, average BER, and ergodic capacity of the RIS-assisted FSO system is demonstrated. In this context, it is observed that the quantization bit count significantly affects the system performance. The results indicate that the system performs well as long as the quantization bit count is greater than or equal to 3. In the following section of the chapter, the JTRAS technique is added to the RIS-assisted FSO system to further enhance the system's resilience against atmospheric turbulence and environmental impairments encountered in FSO systems. In the new system, the number of transmitters and receivers is increased, with $N_t$ light sources, one $N$-element RIS and $N_r$ receiver detectors. On the receiver side, the channel that provides the maximum SNR is selected. The expressions for the system's outage probability and average BER are derived. It has been observed that the analytical results are consistent with the simulation results for all experiments. The outage probability and average BER performance, obtained as a function of SNR in the first section, are compared with the performance of the new system after adding the JTRAS technique. The results show that the inclusion of the JTRAS technique in the RIS-assisted FSO system significantly improves both the system's outage probability and average BER performance. In Chapter 6, index modulation is proposed to enhance the capacity and spectral efficiency of RIS-assisted FSO systems. In this context, SM and SSK methods are used as index modulation techniques. IM can be incorporated into the RIS-assisted FSO system in three different ways: at the transmitter side, the receiver side, and the RIS side. The performance of the RIS-assisted FSO system has been analyzed for three scenarios. In the scenario where index modulation is applied at the transmitter side, the system consists of $N_t$ light sources, an $N$-element RIS, and a single photodetector. In this scenario, the RIS is positioned in the far-field of both the light source and the receiver detector. Antenna selection is performed at the transmitter side. In this scenario, the RIS functions as part of the transmitter, and the photodetector is positioned in the far-field of the RIS. In the scenario where index modulation is applied at the RIS side, the system includes $N_t$ light sources, an $N$-element RIS, and a single photodetector. In this scenario, the elements of the RIS are divided into $N_t$ groups, and antenna selection is performed by selecting the groups on the RIS. For all scenarios, the outage probability and average BER performance have been obtained through simulations. The results show that adding index modulation improves the system's performance. Additionally, it is observed that applying index modulation at the receiver side leads to superior performance compared to the other two scenarios. In conclusion, it has been shown that supporting a communication system with RIS significantly enhances its performance, and this improvement becomes more pronounced as the number of elements on the RIS increases. Additionally, the integration of innovative techniques such as JTRAS, SM, and SSK in RIS-assisted FSO systems ensures superior performance in terms of capacity, error rate, energy efficiency, and reliability. This study highlights that the combination of RIS and FSO in these next-generation communication systems will play a pivotal role in the advancement of communication technologies, particularly in 6G.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    752355

    Yuvarlatılmış burunlu geniş başlıklı savakların debi katsayılarının deneysel, sayısal ve makine öğrenmesi destekli belirlenmesi

    Determination of discharge coefficient for the rounded-nose broad-crested weirs by experimental, numerical and machine learning approaches

    HÜSEYİN YABAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    İnşaat MühendisliğiEskişehir Osmangazi Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ENDER DEMİREL

  2. Tez No

    439528

    Rüzgar tarlası verisi kullanılarak analitik rüzgar türbin izi modellerinin performanslarının değerlendirilmesi

    Evaluation of performances of analytical wind turbine wake models using wind farm data

    TARIK KAYTANCI

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2016

    Enerjiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Meteoroloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ŞÜKRAN SİBEL MENTEŞ

  3. Tez No

    743377

    Parafac channel estimation in RIS and UAV aided MISO systems and its sum rate performance

    RIS ve İHA destekli MISO sistemlerde parafac kanal kestirimi ve onun toplam iletim hız performasına etkisi

    AHMED MOALLIM HASHI MOHAMMED AHMED MOALLIM HASHI MOHAMMED

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKocaeli Üniversitesi

    Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. SULTAN ALDIRMAZ ÇOLAK

  4. Tez No

    894256

    Sum rate maximization for hybrid relay-RIS-assisted MU-MISOsystems: Multiple access techniques

    Hibrit röle-RIS destekli MU-MISO sistemleri için toplam veri oranı maksimizasyonu: Çoklu erişim teknikleri

    AYDA NODEL HOKMABADI

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. EZHAN KARAŞAN

  5. Tez No

    816764

    Practical implementation and real-world validation of reconfigurable intelligent surfaces

    Yeniden yapılandırılabilir akıllı yüzeylerin pratik uygulaması ve gerçek dünya doğrulaması

    SEFA KAYRAKLIK

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKoç Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ERTUĞRUL BAŞAR

Geri Dön