Noise-driven communication fornext-generation wireless networks and iotsystems
Yeni nesil kablosuz ağlar ve nesnelerin ınterneti sistemleri için gürültü tabanlı iletişim
- Tez No: 974272
- Danışmanlar: PROF. DR. ERTUĞRUL BAŞAR
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Koç Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Elektrik Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Kablosuz iletişimdeki mevcut gelişmeler, düşük veri hızlı Nesnelerin İnterneti (IoT) sistemleri için yeni fırsatlar açmıştır. Yüksek karmaşıklıkta işlemler üzerine kurulu sinyal işleme ve katı senkronizasyon gereksinimlerine dayanan eski iletişim çerçeveleri, modern ve gelecekteki IoT ağlarının temel gereksinimleri olan düşük bit hata oranı (BER), enerji toplama kabiliyeti ve düşük veri hızlarında güvenilir şekilde çalışabilme yeteneğini sıklıkla karşılayamamaktadır. Bu sınırlamaları gidermek için, veriyi deterministik olan frekans veya faz gibi parametreler yerine yapay olarak üretilen Gauss gürültüsünün istatistiksel özellikler olan, ortalama, varyans ve korelasyon parametrelerine kodlayan gürültü-temelli modülasyon teknikleri ortaya çıkmıştır. Bu yaklaşımlar güç tahsisi ihtiyacını ve ayrıca ardışık girişim iptalini (SIC) ortadan kaldırır, bu da karmaşıklığı ve enerji tüketimini azaltır. Daha açık ifade etmek gerekirse, senkronizasyon ve denkleştirme gereksinimini ortadan kaldırarak bu teknikler dinamik ve öngörülemeyen kablosuz ortamlarda uygun iletişim sağlar. Bölüm, gelişmekte olan gürültü modülasyonu (Noise-Mod) tekniğinden yararlanarak gelecekteki Nesnelerin İnterneti (IoT) cihazları için yenilikçi bir birleşik enerji toplama (EH) ve iletişim şeması sunmaktadır. Önerilen yaklaşım, bilgiyi gerçek Gauss gürültüsü örneklerinin ortalama değerine gömerek kablosuz enerji ve bilgi toplama imkanı sağlar. Bilgiyi çözmek için ortalama-temelli bir algılayıcı öneriyoruz ve önerilen şemanın Rician solma kanallarındaki analitik bit hata olasılığını (BEP) türetiyoruz. Ayrıca, önerilen şemanın enerji toplama kabiliyeti açısından uygulanabilirliğini göstermek için doğrusal olmayan bir rektanna modeli kullanıyoruz. Simülasyon sonuçları, önerilen yöntemin çeşitli kanal koşullarında geleneksel modülasyon tekniklerine kıyasla enerji toplama performansını üstün şekilde gerçekleştirdiğini ve gelecek nesil IoT ağları için güvenilir iletişim performansını koruduğunu göstermektedir. Bölümde, bilgiyi ortalama ve varyansın modülasyonu ile aktaran yenilikçi bir iletişim şeması olan gürültü-temelli ortogonal olmayan çoklu erişim (ND-NOMA) sunulmaktadır. Gücün farklı seviyelerine dayanan ve büyük ölçüde ardışık girişim iptaline (SIC) bağımlı geleneksel güç-temelli ortogonal olmayan çoklu erişim (PD-NOMA) yöntemlerinden farklı olarak, ND-NOMA gürültü alanını kullanır ve böylece güç tüketimini ve sistem karmaşıklığını önemli ölçüde azaltır. Gürültü modülasyonundan ilham alan ND-NOMA enerji verimliliğini artırır ve daha düşük bit hata oranları sağlar, bu da onu yeni nesil IoT ağları için son derece uygun hale getirir. Teorik analizlerimiz ve bilgisayar simülasyonlarımız, ND-NOMA'nın Rician solma kanallarında hem yükselen bağlantı hem de düşen bağlantı senaryolarında son derece düşük bit hata oranlarına ulaşabildiğini göstermektedir. Önerilen çok kullanıcılı sistem, ortalama tespiti için minimum mesafe algılayıcı ve varyans tespiti için eşik temelli algılayıcı ile desteklenmekte olup düşük güçlü ortamlarda sağlam iletişim sağlar. Gürültünün doğasında bulunan özelliklerden yararlanarak ND-NOMA, düşük maliyetli ve düşük karmaşıklıklı cihazların uzun vadeli konuşlanmaları için umut verici bir platform sunmaktadır. Son olarak, 5. Bölümde, iki kullanıcılı ND-NOMA'da kullanılan ortalama ve varyans boyutlarına ek olarak korelasyonu yeni bir boyut olarak tanıtan yenilikçi bir üç kullanıcılı gürültü-temelli ortogonal olmayan çoklu erişim ND-NOMA şeması önerilmektedir. Yeni üç kullanıcılı ND-NOMA şeması, hem yükselen bağlantı hem de düşen bağlantı senaryolarını kapsamakta ve bilgiyi ortalama, varyans ve korelasyona gömerek kodlayan algılayıcılar tasarlamaktadır. Rician solma kanallarındaki teorik analizimiz ve simülasyon sonuçlarımız, önerilen sistemin umut verici bit hata oranı performansına ulaştığını ve ND-NOMA'nın düşük güç ve düşük karmaşıklık avantajlarını koruduğunu göstermektedir. Bu yeni ND-NOMA tasarımı, üç kullanıcının farklı boyutları kullanarak eşzamanlı iletişim kurmasını sağlamakta ve gürültü-temelli sistemlerde ölçeklenebilir çok kullanıcılı iletişimin önünü açarak IoT ortamlarında yeni bir dönemin kapılarını aralamaktadır.
Özet (Çeviri)
Current advancements in the wireless communications have opened new opportunities for low-data-rate Internet-of-Things (IoT) systems. Legacy communication frameworks which rely on high-complexity operations on signal processing and strict synchronization requirements, often fail to meet the low bit error rate (BER), energy harvesting capability, and ability to operate reliably at low data rates, key requirements of modern and future IoT networks. To address these limitations, noise-domain modulation techniques have emerged, encoding data not into the deterministic parameters like frequency or phase, but into the statistical properties such as mean, variance and the correlation of the artificially generated Gaussian noise. These schemes eliminate the need for power allocation and also the successive interference cancellation (SIC), which reduces the complexity and energy consumption. To clarify, by eliminating the need for synchronization and equalization, these techniques enable suitable communication for dynamic and unpredictable wireless environments. Chapter 3, presents an innovative joint energy harvesting (EH) and communication scheme for IoT devices by leveraging the emerging noise modulation (Noise-Mod) technique. The proposed approach embeds information into the mean value of real Gaussian noise samples to enable wireless energy and information harvesting. We propose a mean-based detector to decode the information and derive the analytical bit error probability (BEP) of the proposed scheme under Rician fading channels. We utilize a nonlinear rectenna model to demonstrate the feasibility of the proposed scheme in terms of energy harvesting capability. Simulation results demonstrate that the proposed method outperforms conventional modulation techniques in terms of EH performance across various channel conditions while maintaining reliable communication performance for next-generation IoT networks. In Chapter 4, noise-domain non-orthogonal multiple access (ND-NOMA), an innovative communication scheme that utilizes the modulation of artificial noise mean and variance to convey information, is presented. Distinct from traditional methods such as power-domain non-orthogonal multiple access (PD-NOMA) that heavily rely on SIC, ND-NOMA utilizes the noise domain, considerably reducing power consumption and system complexity. Inspired by noise modulation, ND-NOMA enhances energy efficiency and provides lower BEP, making it highly suitable for next-generation IoT networks. Our theoretical analyses and computer simulations reveal that ND-NOMA can achieve exceptionally low bit error rates in both uplink and downlink scenarios, in the presence of Rician fading channels. The proposed multi-user system is supported by a minimum distance detector for mean detection and a threshold-based detector for variance detection, ensuring robust communication in low-power environments. By leveraging the inherent properties of noise, ND-NOMA offers a promising platform for long-term deployments of low-cost and low-complexity devices. Ultimately, in the Chapter 5, a novel three-user noise-domain non-orthogonal multiple access ND-NOMA scheme by introducing the correlation as a new dimension besides mean and variance quantities used in two-user ND-NOMA is proposed. The new three-user ND-NOMA scheme includes both uplink and downlink scenarios, with detectors designed to decode the information embedded in mean, variance, and correlation. Our theoretical analysis and simulation results under Rician fading channels show that the proposed system is capable of achieving promising BER performance while preserving the low power and low complexity advantages of ND-NOMA. This new ND-NOMA design enables simultaneous communication among three users using different dimensions, paving the way for scalable multi-user communication in noise-domain systems and in the IoT environments.
Benzer Tezler
- 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
- Geliştirilmiş noma ve OQAM modülasyonlu 5G ağları için aı destekli sınr tahmini
Ai driven sinr prediction for enhanced noma and OQAM modulated 5G networks
ALABBAS MOHANAD
Yüksek Lisans
İngilizce
2025
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolBahçeşehir ÜniversitesiBilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ SELİN NACAKLI
- OFDM-based received waveform design and processing techniques to detect and classify radar targets for next generation integrated sensing and communication systems
Gelecek nesil bütünleşik algılama ve haberleşme sistemleri için radar hedeflerinin tespit ve sınıflandırmasına yönelik OFDM tabanlı dalgabiçimi tasarımı ve sinyal işleme teknikleri
SEYFETTİN MUHİBBULLAH ULUOCAK
Doktora
İngilizce
2026
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MESUT KARTAL
- Secure and coordinated beamforming in 5G and beyond systems using deep neural networks
5G ve ötesi sistemlerde derin sinir ağları kullanarak güvenli ve koordineli hüzmeleme
UTKU ÖZMAT
Doktora
İngilizce
2024
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik ÜniversitesiBilişim Uygulamaları Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ MEHMET AKİF YAZICI
DR. ÖĞR. ÜYESİ MEHMET FATİH DEMİRKOL
- Data-driven design and analysis of next generation mobile networks for anomaly detection and signal classification with fast, robust and light machine learning
Hızlı, Sağlam ve Hafif Makine Öğrenmesi ile Anormallik Algılaması ve Sinyal Sınıflandırması için Yeni Nesil Mobil Ağların Veriye Dayalı Tasarımı ve Analizi
MUHAMMED FURKAN KUCUK
Doktora
İngilizce
2022
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiUnıversıty Of South FlorıdaHaberleşme Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. İSMAİL UYSAL