Geri Dön

Energy efficiency and security of rıs-aided communication networks

Ris-tabanli haberleşme ağlarinda enerji verimliliği ve güvenlik

  1. Tez No: 940956
  2. Yazar: HAKAN ALAKOCA
  3. Danışmanlar: PROF. DR. LÜTFİYE DURAK ATA
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2025
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Bilişim Uygulamaları Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Bilgi ve Haberleşme Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 134

Özet

Telsiz iletişim teknolojilerinde dikkate değer bir gelişme olarak, iletim kalitesi ve bağlantı alanında iyileştirmeler gözlemlenmiştir. Telsiz cihazlar ve uygulamalara yönelik artan talepleri karşılamak için birçok yenilik, spektrum ve enerji verimliliğini optimize etmeye odaklanmıştır. 2024 yılında, 5G teknolojisinin dünya genelindeki toplam mobil veri trafiğinin yaklaşık %25'ini oluşturacağı ve önceki yıllara kıyasla önemli bir artış göstereceği tahmin edilmektedir. Bu büyüme, küresel nüfusun 8,08 milyar olduğu bir ortamda 18,8 milyar telsiz bağlantılı cihazla birlikte gerçekleşmektedir. Akıllı telefon trafiğindeki sürekli artış, öncelikle bant genişliği yoğun uygulamalar ve hizmetlerden kaynaklanmaktadır. Bu eğilimler, telsiz iletişim teknolojilerindeki hızlı inovasyon temposunu ve bu teknolojilerin bağlı cihazlar ve uygulamalardan oluşan genişleyen ekosistemi desteklemedeki kritik rolünü vurgulamaktadır. Enerji verimliliği, çoğu telsiz iletişim uygulaması ve kullanım durumu için belirleyici bir unsurdur ve bu durum kullanıcı ekipmanının enerji kapasitesi, maliyetlerin azaltılması gerekliliği ve verimli termal yönetimle ilişkilidir. Enerji verimliliği yalnızca cihaz performansını artırmak için önemli olmakla kalmaz, aynı zamanda küresel enerjiyle ilgili zorlukları ele almak için de hayati öneme sahiptir. Enerji açısından verimli ve düşük karbon ayak izine sahip uygulamalar, çevresel etkileri azaltmada giderek daha önemli hale gelmektedir. Ayrıca, yeniden yapılandırılabilir akıllı yüzeylerin (RIS) kullanımı, telsiz iletişim düğümlerinde enerji verimliliğini artırmak için umut verici çözümler sunarak sürdürülebilir ve verimli iletişim teknolojilerini ileriye taşımaktadır. Elektromanyetik enerjiyi elektrik enerjisine dönüştüren RF enerji hasatlama (EH), telsiz iletişim sistemlerinin operasyonel ömrünü uzatmak ve sürdürülebilirliği artırmak için önemli bir faktör haline gelmiştir. Bu teknoloji, insan müdahalesi olmadan sistemlerin daha uzun süre çalışmasını sağlayarak sistem dayanıklılığını ve verimliliğini artırır. Propagasyon ortamını optimize eden ve kontrol eden RIS'ın EH sistemleriyle entegrasyonu, enerji açısından verimli ve sürdürülebilir iletişim teknolojilerinin gerçekleştirilmesi yönünde önemli bir adımı temsil etmektedir. Modern telsiz ağlarda enerjiyle ilgili zorlukları ele almak ve uzun vadeli sürdürülebilirliği sağlamak için RIS ve EH'nin birlikte uygulanmasının araştırılması büyük önem taşımaktadır. Fiziksel katman güvenlik (PLS) çözümleri, düşük hesaplama gücü gereksinimleri, kuantum hesaplama tehditlerine karşı dayanıklılık ve minimum yük gibi umut verici avantajları nedeniyle yeni nesil haberleşme sistemlerinde kullanılması uygunluk göstermektedir. Bu özellikler, genellikle geleneksel güvenlik protokolleri için gerekli hesaplama kaynaklarından yoksun olan güç kısıtlamalı cihazlar için özellikle uygundur. Örneğin, son derece sınırlı enerji bütçeleriyle çalışan sıfır enerjili IoT cihazları, PLS'in hafif yapısından büyük ölçüde faydalanarak güçlü koruma sağlar ve performans veya verimlilikten ödün vermez. Bağlı cihazların sayısı artmaya devam ettikçe, araştırmacılar, fiziksel katmanda güvenli telsiz iletişimde ultra bağlantı zorluklarını ele almaya odaklanmaktadır. 6G ve ötesi ağlarda yüksek veri hızları ve yaygın bağlantının sağlanması, özellikle PLS açısından zorluklar sunmaktadır. Araştırmacılar, ultra bağlantı sağlayan ve propagasyon ortamının öngörülemezliğini aşan yenilikçi telsiz iletişim paradigmaları geliştirmektedir. RIS, dalga formlarını genlik, faz ve polarizasyon gibi yazılım kontrollü parametreler aracılığıyla aktif olarak manipüle ederek telsiz iletişimi geliştirir ve karmaşık kod çözmeyi gerektirmez. Maliyet açısından verimli pasif elemanlar kullanan RIS, enerji verimliliğini, bağlantıyı ve işaret performansını iyileştirir; penetrasyon kayıplarını azaltır ve görüş hattı olmayan iletişimi mümkün kılar. Bununla birlikte, 5G ve sonrası teknolojiler, botnet saldırıları, DDoS saldırıları, ortadaki adam saldırıları gibi önemli güvenlik tehditleriyle ve telsiz kanalların açık yapısından kaynaklanan konum izleme ve dinleme gibi risklerle karşı karşıyadır. Bu tehditler, pasif bilgi dinleme saldırılarından, pilot işareti girişimi gibi aktif müdahale yöntemlerine kadar uzanır ve güvenli iletişim sistemleri için ileri düzey güvenlik zaafiyetlerine açık hale getirir. Bu tezin ilk bölümü, RIS destekli iletişim ağlarının enerji verimliliğini ve bağlantıyı nasıl artırabileceğini incelemektedir. Hem teorik hem de pratik yönleri tartışılmış ve enerji verimliliğini artırmak için EH odaklı geleneksel röle sistemleriyle karşılaştırmalı bir analiz sunulmuştur. IoT cihazları için RF EH modellerinin ayrıntılı bir incelemesi, ortam enerji kaynaklarının pille çalışan cihazları ve telsiz ağları güçlendirmek için nasıl kullanılabileceğini göstermektedir. RIS destekli EH çerçevesinde 6G iletişimi için hüzmeleme, IoT entegrasyonu, insansız hava aracı (UAV) iletişimi, dikgen olmayan çoklu erişim (NOMA), çok kullanıcılı iletişim, çok antenli sistemler ve güç tüketim modelleri gibi temel unsurlar ele alınmıştır. 6G için ortaya çıkan eğilimler ve araştırma yönleri, RIS yapılandırması, ideal olmayan modellemeler, gerçek zamanlı deneysel testler ve güvenlik ile gizlilik konularına odaklanmaktadır. Bölüm ayrıca, sürdürülebilir ve enerji verimli iletişimi desteklemek amacıyla mobil uç hesaplama (MEC), tam çift yönlü iletişim ve bilişsel radyo ağları gibi teknolojileri ele almaktadır. Doğrusal olmayan modeller, test ortamı değerlendirmeleri ve sağlam güvenlik mekanizmalarının önemi vurgulanırken, zorluklar tanımlanmakta ve gelecekteki araştırma alanları belirlenmektedir. Ayrıca, RIS ağlarının optimizasyonu için yapay zeka/makine öğrenimi, dijital ikizler ve ortak algılama ile iletişim (JCAS) entegrasyonu da ele alınmaktadır. Tezin ikinci bölümü, Nakagami-m sönümleme kanallarında hem doğrusal hem de doğrusal olmayan EH modellerini içeren RIS kullanan yenilikçi EH sistemlerini sunmaktadır. RIS-EH sistemlerinin (enerji toplama artırımı için) ve RIS-IP sistemlerinin (bilgi işleme artırımı için) karşılaştırması, RIS yerleşiminin etkisine odaklanarak gerçekleştirilmiştir. Verim, kesinti olasılığı ve ortalama toplanan güç için kapalı form ifadeleri türetilmiş ve benzetim sonuçlarıyla doğrulanmıştır. Tezin üçüncü bölümü, 6G ağlarında RIS'in PLS'sindeki zayıflıkları kötü niyetli sinyal işleme (SP) saldırıları açısından tartışmaktadır. RIS destekli ağlarda potansiyel güvenlik tehditlerini değerlendirerek PLS'ye odaklanmıştır. Çalışma, meta yüzey elemanlarının kötü amaçlarla değiştirildiği meta yüzey manipülasyon saldırılarını (MSMA) tanıtmaktadır. Analiz, elektromanyetik özellikleri ve zaman-frekans etkilerini ele alarak iki özel PLS saldırısını incelemiştir: girişim tabanlı MSMA ve dinleme güçlendirici tabanlı MSMA (EaB-MSMA). Saldırgan girişim tabanlı MSMA nedeniyle performans düşüşü ile ilgili riskler vurgulanırken, EaB-MSMA'nın gizlilik kapasitesi üzerindeki etkisinin önemli olduğu gösterilmiştir. Bu bulgular, daha güvenli 6G sistemlerinin geliştirilmesine rehberlik etmektedir. Tezin dördüncü bölümü, bir gizli dinleyici altında ile bir çok kullanıcılı MU-MIMO sisteminde doğrusal girişim hizalama (IA) tekniğinin kullanımını araştırmaktadır. Yasal kullanıcılar için girişimi azaltmak ve iletişimi güvence altına almak amacıyla değiştirilmiş ön kodlayıcı ve arka kodlayıcı matris tasarımları uygulanmıştır. Sonuçlar, IA tabanlı RIS özellikli MU-MIMO sisteminin gizlilik toplam oranının, özellikle yüksek girişim senaryolarında, IA kullanılmayan yapılandırmalardan daha üstün olduğunu göstermektedir. Bu iyileştirme, RIS'in sinyalleri seçici olarak yansıtma ve faz kaydırma yeteneğine bağlanmıştır. Bu bulgular, RIS kullanımının girişimi azaltabileceğini ve PLS'yi güçlendirebileceğini göstererek daha güvenli ve verimli telsiz iletişim teknolojilerine katkıda bulunmaktadır.

Özet (Çeviri)

In a remarkable development for wireless communication technologies, improvements have been observed in the field of transmission quality and connectivity. To meet the growing demands related to wireless devices and their applications, several innovations have focused on optimizing spectrum and energy efficiency. In 2024, 5G technology is predicted to account for about 25% of the total mobile data traffic worldwide, marking a notable increase compared to previous years. This growth accompanies an estimated 18.8 billion mobile-connected devices compared to a global population of 8.08 billion. The continued rise in smartphone traffic is primarily fueled by bandwidth-intensive applications and services. These trends underscore the rapid pace of innovation in wireless communication technologies and their crucial role in supporting the expanding ecosystem of connected devices and applications. Energy efficiency is crucial for most mobile communication applications and use cases, determined by the energy capacity of user equipment, the need for cost reduction, and efficient thermal management. Not only is energy efficiency important for improving device performance, but it is also vital in addressing global energy challenges. Energy-efficient and low-carbon-footprint applications are increasingly important for reducing environmental impact. Additionally, the utilization of reconfigurable intelligent surfaces (RIS) offers promising solutions for enhancing energy efficiency in mobile communication nodes, advancing sustainable and efficient communication technologies. RF energy harvesting (RF EH), which converts electromagnetic energy into electrical energy, has become a key factor in enhancing sustainability and prolonging the operational lifetime of wireless communication systems. It improves system resilience and efficiency by enabling extended operation without human intervention. The integration of RIS, which optimizes and controls the propagation environment, with RF EH systems represents a significant step toward realizing energy-efficient and sustainable communication technologies. Investigating the combined application of RIS and RF EH is of paramount importance to addressing energy-related challenges in modern wireless networks and ensuring their long-term sustainability. Physical Layer Security (PLS) solutions are well-suited for next-generation communication systems due to their promising advantages such as low computational power requirements, resilience against quantum computing threats, and minimal overhead. These characteristics make them particularly suitable for power-constrained devices, which often lack the computational resources necessary for traditional security protocols. For example, zero-energy IoT devices, which operate with extremely limited energy budgets, benefit significantly from the lightweight nature of physical layer security, ensuring robust protection without compromising performance or efficiency. As the number of connected devices continues to grow, researchers are focusing on addressing ultra-connectivity challenges in secure wireless communications, particularly at the physical layer. Ensuring high data speeds and widespread connectivity in upcoming 6G and beyond networks presents challenges, especially regarding PLS. Researchers are developing innovative wireless communication paradigms that provide ultra-connectivity while overcoming the unpredictability of the propagation environment. RIS enhances wireless communication by actively manipulating waveforms through software-controlled parameters such as amplitude, phase, and polarization, without requiring complex decoding. Utilizing cost-efficient passive elements, RIS improves energy efficiency, connectivity, and signal performance, reduces penetration losses, and enables non-line-of-sight communication. However, 5G and beyond technologies face significant security threats, including botnet attacks, DDoS attacks, and man-in-the-middle attacks, as well as risks like location tracking and eavesdropping due to the open nature of wireless channels. These threats range from passive eavesdropping attacks to active interference methods such as pilot signal jamming, exposing advanced security vulnerabilities in secure communication systems. The first part of this thesis explores how RIS-aided communication networks can enhance energy efficiency and connectivity. It discusses both theoretical and practical aspects of RIS and provides a comparative analysis with conventional relaying systems, focusing on energy harvesting (EH) for improved energy efficiency. A detailed review of radio frequency (RF) EH models for IoT devices illustrates how ambient energy sources can be harnessed to power battery-free devices and wireless networks. Key enablers for 6G communications within the RIS-aided EH framework, such as beamforming, IoT integration, UAV communications, NOMA, multi-user communications, multi-antenna systems, and power consumption models, are also discussed. Emerging trends and research directions for 6G, including RIS configuration, non-ideality models, real-time experimental testing, and security and privacy considerations, are highlighted. The chapter further addresses technologies like mobile edge computing, full-duplex communications, and cognitive radio networks to support sustainable and energy-efficient communication. Emphasis is placed on non-linear models, testbed evaluations, and robust security mechanisms, identifying challenges and future research avenues. The integration of AI/ML, digital twins, and joint sensing and communication for RIS network optimization is also covered. The second part of the thesis presents innovative EH systems using RIS in Nakagami-m fading channels, incorporating both linear and non-linear EH models. A comparison of RIS-EH systems (to boost energy harvesting) and RIS-IP systems (to enhance information processing) is conducted, focusing on the effect of RIS placement. Closed-form expressions for throughput, outage probability, and average harvested power are derived and validated through simulations. The third part of the thesis discusses vulnerabilities in the PLS of RIS due to malicious signal processing (SP) attacks in 6G networks. It assesses potential security threats in RIS-supported networks, focusing on PLS. The study introduces metasurface manipulation attacks (MSMA), where metasurface units are modified for malicious purposes. The analysis considers electromagnetic properties and time-frequency impacts, examining two specific PLS attacks: interference-based MSMA and eavesdropping booster-based MSMA (EaB-MSMA). The risks associated with performance degradation due to hostile interference-based MSMA are highlighted, while EaB-MSMA's impact on secrecy capacity is shown to be significant. These insights help guide the development of more secure 6G systems. The fourth part investigates the use of a linear interference alignment (IA) technique in a multi-user MU-MIMO system with an eavesdropper. Modified precoder and postcoder matrix designs are applied to reduce interference for legitimate users and secure communications. The results show that the secrecy sum rate of the IA-based RIS-enabled MU-MIMO system surpasses that of non-IA configurations, especially in high-interference scenarios. This improvement is attributed to the ability of RIS to selectively reflect and phase-shift signals. These findings demonstrate that leveraging RIS can mitigate interference and strengthen PLS, contributing to more secure and efficient wireless communication technologies.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    944097

    Novel over-the-air methods and practical approaches for reconfigurable intelligent surfaces system designs and analyses

    Yeniden yapılandırılabilir akıllı yüzey sistemleri için yenilikçi hava üzeri yöntemler ve pratik yaklaşımların tasarımı ve analizi

    EMRE ARSLAN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2025

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKoç Üniversitesi

    Mühendislik Bilimleri Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ERTUĞRUL BAŞAR

  2. 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

  3. Tez No

    485346

    Sürekli mıknatıslı senkron motorda algılayıcısız kontrol yöntemini geliştirmeye katkılar

    Contributions to improve the method of sensorless control of PMSM

    GÖKHAN ALTINTAŞ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2017

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. DERYA AHMET KOCABAŞ

  4. Tez No

    800519

    Akıllı yansıtıcı yüzey destekli telsiz haberleşme sistemi ve insansız hava aracı konumlandırma

    Reconfigurable intelligent surface-assisted wireless communication system and unmanned aerial vehicles positioning

    EMİR ASLANDOĞAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    İletişim Sistemleri Ana Bilim Dalı

    DR. MEHMET AKİF YAZICI

  5. 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

Geri Dön