Geri Dön

Emerging novel index modulation solutions for reconfigurable intelligent surface-assisted communication systems

Yeniden yapılandırılabilir akıllı yüzey destekli iletişim sistemleri için özgün indis modülasyon çözümleri

PDF İndir

  1. Tez No: 936613
  2. Yazar: ELVAN KUZUCU HIDIR
  3. Danışmanlar: PROF. DR. HAKAN ALİ ÇIRPAN, PROF. DR. ERTUĞRUL BAŞAR
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Mühendislik Bilimleri, Engineering Sciences
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2025
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 106

Özet

Kablosuz iletişim teknolojilerindeki hızlı ilerlemeler, yüksek hızlı, enerji verimli ve güvenilir iletişim sistemlerine olan talebi büyük ölçüde artırmıştır. Bu talep, ultra güvenilir düşük gecikmeli iletişim (URLLC), geniş bağlantı kapasitesi ve gelişmiş spektral ve enerji verimliliği gibi özellikleri içeren 5G ve 6G gereksinimleriyle daha da artmaktadır. Geleneksel iletişim yaklaşımları, örneğin çoklu giriş çoklu çıkış (MIMO) ve röle tabanlı sistemler, bu gereksinimleri karşılamak için yaygın olarak kullanılmıştır. Ancak, bu teknikler genellikle donanım karmaşıklığı, enerji verimsizliği ve frekans seçici sönümleme ile görüş hattı olmayan (NLOS) ortamlarındaki yetersiz performans gibi sınırlamalarla karşı karşıya kalmaktadır. Bu zorlukların üstesinden gelmek için, pasif, programlanabilir yüzeyler aracılığıyla kablosuz yayılım ortamını dinamik olarak kontrol etme imkanı sunan yeniden yapılandırılabilir akıllı yüzeyler (reconfigurable intelligent surfaces, RIS) umut verici bir teknoloji olarak ortaya çıkmıştır. Bu tez, özellikle indis modülasyonu (index modulation, IM) ile RIS teknolojisini entegre ederek kablosuz iletişim sistemlerini geliştirmek için yenilikçi çözümler keşfetme ihtiyacından ilham almıştır. Yapılandırılmış yüzeyleri kullanarak kablosuz ortamı kontrol etme konsepti, 2000'lerin başında metamalzemelerin geliştirilmesine kadar uzanmaktadır. Metamalzemeler, elektromanyetik dalgaları doğal malzemelerin ötesinde manipüle etme potansiyelini göstermiş ve iki boyutlu bir form olan metayüzeylerin geliştirilmesine yol açmıştır. İlk metayüzeyler genellikle statik ve dinamik kablosuz ortamlarda sınırlı bir uyarlanabilirlik sağlamaktaydı. 2010'ların ortasında programlanabilir metayüzeylerin tanıtımı, dalga özelliklerini gerçek zamanlı olarak kontrol etme imkanı sağlayarak önemli bir dönüm noktası oluşturmuştur. Metayüzeylerin bir evrimi olan RIS, kablosuz iletişimi optimize etmek için dinamik programlanabilirliği ortaya koymuştur. Aynı dönemde, IM; antenler, alt taşıyıcılar veya zaman dilimleri gibi kaynak indislerine bilgi kodlayarak spektral verimliliği artırmak için bir teknik olarak ortaya çıkmıştır. RIS ile IM'in birleştirilmesi, gelecek nesil ağların hedeflerine ulaşmak için çığır açıcı bir yaklaşım sunarken aynı zamanda bu tezin temel odak noktasını oluşturmaktadır. Bu tezin birincil amacı, geleneksel kablosuz iletişim sistemlerinin sınırlamalarını ele alarak gelişmiş spektral verimlilik, enerji verimliliği ve sistem dayanıklılığı sunan özgün RIS destekli IM sistem tasarımlarını tanıtmaktır. Tez üç önemli katkıda bulunmaktadır. İlk katkı, pratik bir RIS destekli OFDM-IM (ortogonal frekans bölmeli çoğullama ile indis modülasyonu) sisteminin geliştirilmesine odaklanmaktadır. RIS destekli iletişim, yayılım ortamını kontrol etme ve uçtan uca iletişim bağlantılarının kalitesini artırma açısından gelecekteki kablosuz ağlar için umut verici teknolojilerden biri olarak görülmektedir. İlk çalışmada, 6G ağlarında IM ve RIS destekli sistemlerin önemi dikkate alınarak, öncelikle RIS destekli bir OFDM-IM sistem tasarımı önerilmektedir. RIS destekli OFDM sistemlerine odaklanan önceki çalışmalar, RIS'in sabit genlik ve değişken faz kaymasının gelen sinyalin frekansından bağımsız olduğu ideal bir yansıma modeline dayanmaktadır. Ancak, gerçekçi uygulamalarda, bu ideal RIS modeli her zaman doğru olmamaktadır, çünkü RIS elemanlarının hem faz kayması hem de genliği frekansa bağlıdır. Bu durum, özellikle geniş bant sistemleri için önemli hale gelmektedir. Bu nedenle, ilk çalışma, OFDM-IM sistemleri için RIS yansıma katsayılarını tasarlayarak pratik bir RIS modelini ele almaktadır. Ayrıca, RIS destekli OFDM-IM sisteminin BER performansını daha da artırmak amacıyla, alt bloklar içinde ortalama minimum Öklid mesafesini (AMED) maksimize eden kapsamlı bir arama tabanlı optimizasyon algoritması önerilmektedir. Bunun yanı sıra, önerilen algoritmanın literatürdeki referans algoritmalara göre performans iyileştirmesini göstermek amacıyla kapsamlı bilgisayar simülasyon sonuçları üretilmiştir. Önerilen AMED tabanlı yansıma katsayısı tasarımı algoritması, sunulan algoritmalara kıyasla RIS destekli OFDM-IM sistemleri için daha iyi BER performansı sağlamaktadır. Bu katkı, geniş bant iletişim senaryolarında RIS destekli IM sistemlerinin uygulanması için bir temel oluşturmuştur. İkinci katkı, RIS'in frekans değiştirme ve modülasyon yeteneklerini kullanan yenilikçi bir“havadan”OFDM-IM sistem tasarımını tanıtmaktadır. Metamalzemeler ve metayüzeylerdeki ilerlemeler, elektromanyetik dalgaları dalga boyundan daha küçük ölçeklerde kontrol etmede olağanüstü bir esneklik sağlamıştır. Programlanabilir metayüzeylerin avantajları göz önüne alındığında, frekans değiştirici RIS (FMx-RIS) yöntemi geliştirilmiştir. Bu yöntem, orijinal sinyale ek frekanslar ekleyerek iletişim ortamını doğrusal olmayan bir hale getirir. Çok taşıyıcılı iletim yöntemleri arasında, OFDM, kablosuz kanalların frekans seçiciliğinden kaynaklanan semboller arası girişimi azaltması nedeniyle kablosuz iletişimde en yaygın kullanılan yöntem haline gelmiştir. FMx-RIS yapısı incelendiğinde, alıcıda OFDM'ye benzer sinyallerin elde edilebildiği gözlemlenmiştir. Bu durum, bir RIS kullanılarak havada OFDM'ye benzer bir sinyal oluşturulma olasılığını işaret etmektedir. Bu nedenle, bu çalışmada, gelen dalganın genliğini ve frekansını manipüle etme yeteneğinden yararlanmak amacıyla frekans değiştirici ve modüle edici RIS (FMMx-RIS) entegre edilerek yenilikçi bir havadan OFDM sistem tasarımı önerilmiştir. Bu yenilikçi sistemin en dikkat çekici yönü, OFDM'nin karmaşık sistem tasarımına ihtiyaç duymadan basit bir verici yapısıyla çok taşıyıcılı iletim sunabilmesidir. Ardından, sistem modeli, frekans değiştiren RIS'i açıp kapatarak havadan OFDM-IM sistemine genişletilmiştir. Ayrıca, önerilen havadan OFDM-IM sisteminin ortalama bit hata olasılığı (ABEP) maksimum olasılık (ML) kod çözücü kullanarak analitik olarak değerlendirilmiştir. Son olarak, önerilen havadan OFDM-IM sisteminin bit hata oranı (BER) performansında, RIS destekli OFDM kullanan referans sistemlere kıyasla önemli bir iyileşme sağladığını gösteren kapsamlı bilgisayar simülasyon sonuçları sunulmuştur. Üçüncü katkı, Orbital Açısal Momentum (OAM) ile IM'in çift RIS destekli bir iletişim çerçevesinde entegrasyonunu araştırmaktadır. OAM, ortogonalitesi ve yüksek çoğullama kapasitesi ile bilinirken, modlar arası girişim ve faz uyuşmazlığı gibi zorluklarla karşılaşmaktadır. Son çalışmada, kablosuz iletişimde görüş hattı olmayan (NLOS) yayılım ve faz uyumsuzluğu gibi temel zorlukları ele almak için yenilikçi bir çift RIS destekli OAM-IM iletişim sistemi önerilmiştir. İki adet stratejik olarak yerleştirilmiş RIS kullanılarak, sistem, verici ve alıcı arasında alternatif bir görüş hattı (LOS) yolu oluşturarak modlar arası girişimi en aza indirmek için de diyagonal bir kanal matrisi sağlamaktadır. Tasarım, faz kaymalarını telafi etmek için RIS yansıma katsayısı optimizasyonundan yararlanırken spektral verimliliği artırmak için IM entegre edilmiştir. Simülasyon sonuçları, karmaşık yayılım ortamlarında önerilen sistemin dayanıklılığını ve ölçeklenebilirliğini doğrulayarak, BER ve spektral verimlilikte önemli iyileşmeler göstermektedir. Bu çalışma, RIS ve OAM teknolojilerini entegre etmek için kapsamlı bir çerçeve sunarak, yeni nesil ağlarda yüksek performanslı iletişim sistemlerinin yolunu açmıştır. Sonuç olarak, bu tez, yeni nesil iletişim sistemleri için RIS ve IM teknolojilerinin potansiyelini gerçekleştirmede önemli bir adım atmaktadır. Kritik sınırlamaları ele alarak ve yenilikçi tasarımlar sunarak, verimli, ölçeklenebilir ve yüksek performanslı kablosuz iletişim çerçevelerinin geliştirilmesi için sağlam bir temel oluşturmaktadır. Bu katkıların, modern iletişim sistemlerinin artan taleplerini karşılamak için kablosuz ağların geleceğini şekillendirmede önemli bir rol oynaması beklenmektedir.

Özet (Çeviri)

The rapid advancements in wireless communication technologies have led to an exponential increase in the demand for high-speed, energy-efficient, and reliable communication systems. This demand is further driven by the emergence of 5G and the envisioned requirements of 6G, which include ultra-reliable low-latency communication (URLLC), massive connectivity, and enhanced spectral and energy efficiency. Traditional communication paradigms, such as multiple-input multiple-output (MIMO) and relay-based systems, have been widely employed to meet these requirements. However, these techniques often face limitations, such as high hardware complexity, energy inefficiency, and suboptimal performance in frequency-selective and non-line-of-sight (NLOS) environments. To address these challenges, Reconfigurable Intelligent Surfaces (RIS) have been introduced as a breakthrough technology, enabling adaptive management of the wireless propagation environment using passive and programmable metasurfaces. This thesis is motivated by the need to explore novel solutions that leverage RIS technology to enhance wireless communication systems, particularly through the integration of Index Modulation (IM). The concept of controlling the wireless environment using engineered surfaces dates back to the development of metamaterials in the early 2000s. Metamaterials demonstrated the potential for manipulating electromagnetic waves beyond the capabilities of natural materials, leading to the development of metasurfaces—a two-dimensional form of metamaterials. The early metasurfaces were primarily static, offering limited applicability in dynamic wireless environments. The introduction of programmable metasurfaces in the mid-2010s marked a significant milestone, enabling real-time control of wave properties. RIS, a further evolution of metasurfaces, introduced dynamic programmability to optimize wireless communication. Concurrently, IM emerged as a technique to enhance spectral efficiency by encoding information into resource indices such as antennas, subcarriers, or time slots. Combining RIS with IM presents a groundbreaking approach to realize the objectives of future communication systems, making it a central focus of this thesis. The primary objective of this thesis is to address the limitations of traditional wireless communication systems by introducing innovative RIS-assisted IM frameworks that offer enhanced spectral efficiency, energy efficiency, and system robustness. The thesis makes three key contributions: The first contribution focuses on developing a practical RIS-assisted OFDM-IM system. Traditional OFDM systems face challenges in wideband communication due to frequency-selective fading and inter-carrier interference. The proposed system incorporates realistic RIS reflection models that account for frequency-dependent variations in phase and amplitude, bridging the gap between idealized theoretical models and practical implementations. An optimization algorithm based on maximizing the Average Minimum Euclidean Distance (AMED) is introduced, significantly improving BER and spectral efficiency compared to conventional systems. This contribution establishes a foundation for deploying RIS-assisted IM systems in wideband communication scenarios. The second contribution introduces a novel over-the-air OFDM-IM system leveraging frequency-mixing and modulating RIS (FMMx-RIS) technology. This design eliminates the reliance on complex transmitter components, such as oscillators and amplifiers, reducing hardware complexity and energy consumption. The system achieves efficient frequency mixing directly through RIS, enabling cost-effective and energy-efficient implementations. Comprehensive theoretical analyses and simulation results demonstrate the robustness and practicality of this framework, highlighting its suitability for low-power and dense communication environments, such as IoT networks. The third contribution investigates the integration of orbital angular momentum (OAM) with IM in a double RIS-aided communication framework. OAM, known for its orthogonality and high multiplexing capabilities, faces challenges such as inter-mode interference and phase misalignment. The proposed dual RIS architecture addresses these issues by introducing an alternative propagation path that ensures diagonal channel matrices. This design compensates for phase misalignment and enhances spectral efficiency, achieving significant BER improvements. This contribution underscores the potential of combining RIS, IM, and OAM to develop scalable and high-capacity communication solutions. The methodologies employed in this thesis include theoretical modeling, optimization algorithm design, and extensive simulation-based validation. Each proposed system is modeled to reflect practical constraints, such as frequency-dependent phase shifts and hardware limitations. Optimization algorithms, such as AMED-based approaches, are developed to enhance system performance metrics, including BER and spectral efficiency. Simulations are conducted to validate the theoretical findings under various channel conditions and system configurations, ensuring the practicality and scalability of the proposed solutions. In this thesis, we highlight the transformative potential of RIS-aided IM systems in addressing the limitations of traditional wireless communication technologies. Key conclusions derived from the research include enhanced performance in wideband systems. The RIS-assisted OFDM-IM system demonstrates significant performance improvements in wideband scenarios, addressing challenges such as frequency-selective fading and inter-carrier interference. The integration of realistic reflection models ensures practical applicability, bridging the gap between theory and implementation. Also, it provides cost and energy efficiency. The FMMx-RIS framework eliminates the requirement for complex transmitter components, reducing hardware complexity and energy consumption. This design is particularly beneficial for low-power applications, such as IoT and dense urban networks. Additionally, the double RIS-aided OAM-IM system achieves high spectral efficiency and robust BER performance, making it a viable solution for high-capacity communication scenarios, including dense urban environments and next-generation wireless networks. Finally, the proposed systems are scalable to various network sizes and adaptable to diverse channel conditions, ensuring their relevance for future wireless communication technologies. This thesis marks substantial progress in harnessing the capabilities of RIS and IM technologies for future wireless communication networks. By addressing critical limitations and introducing innovative designs, it establishes a robust foundation for the development of efficient, scalable, and high-performance wireless communication frameworks. These contributions are expected to be instrumental in defining the path of wireless networks and addressing the growing needs of contemporary communication systems.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    795009

    Reconfigurable intelligent surface-based novel transceiver architectures and multiple access

    Başlık çevirisi yok

    AYMEN KHALEEL

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKoç Üniversitesi

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ERTUĞRUL BAŞAR

  2. Tez No

    802692

    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

    İngilizce

    2022

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ERTUĞRUL BAŞAR

    PROF. DR. İBRAHİM ALTUNBAŞ

  3. Tez No

    887618

    Index modulation based designs, error performance and physical layer security analyses for unmanned aerial vehicle networks

    İnsansız hava aracı ağları için indis modülasyonu tabanlı tasarımlar, hata performansı ve fiziksel katman güvenlik analizleri

    AYŞE BETÜL BÜYÜKŞAR

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektronik-Haberleşme Eğitimi Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. İBRAHİM ALTUNBAŞ

  4. Tez No

    554338

    Ortam-tabanlı modülasyonlu özgün sistem tasarımları

    Novel system design with media-based modulation

    İBRAHİM YILDIRIM

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. İBRAHİM ALTUNBAŞ

    DOÇ. ERTUĞRUL BAŞAR

  5. Tez No

    735835

    Next-generation MIMO systems: From index modulation to deep learning

    Yeni nesil çok-girişli çok-çıkışlı sistemler: İndis modülasyonundan derin öğrenmeye

    BURAK ÖZPOYRAZ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKoç Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ERTUĞRUL BAŞAR

Geri Dön