Algorithms for interference immunity and efficient radio resource utilization in wireless communications systems
Tezin Türü: Doktora
Tezin Yürütüldüğü Kurum: İstanbul Medipol Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, ELEKTRİK-ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI, Türkiye
Tezin Onay Tarihi: 2023
Tezin Dili: İngilizce
Öğrenci: ARMED TUSHA
Danışman: Hüseyin Arslan
Açık Arşiv Koleksiyonu: AVESİS Açık Erişim Koleksiyonu
Özet:Girişim, kablosuz iletişim için en yaygın engellerden birini temsil eder. Yeni nesil haberleşme sistemleri, sistem karmaşıklığını ve gecikmesini kontrol ederek yüksek veri hızı, yüksek haberleşme güvenilirligi ile beraber herkesin ve her seyin sürekli olarak bağlı olduğu bir haberlesme ortami hedefler. Bu ortamda, girişim, kablosuz iletişim sistemlerinin ilkel doğasını ortaya çıkarır; iletişim bağlantısını bozan istenmeyen fiziksel bir sinyal her zaman mevcuttur. Bu durum, iletim sinyalinin fiziksel katman mimarisinden, kablosuz kanal ile etkileşiminden, kullanılan radyo kaynaklarından (RR) ve özellikle verici/alıcı mimarisinden kaynaklanır. Geniş uygulama ve kullanım durumları arasında, ultra-güvenilir ve düşük gecikmeli (URLLC) olarak nitelendirilen talepler, katı gereksinimlere sahiptir. Bu çalışmada, tek taşıyıcılı (SC) iletim, URLLC sistemlerin gereksinimlerini karşılamak için umut vadeden bir çözüm olarak ele alınmıştır. İlk olarak, güvenilirlik ve gecikme üzerinde etkili olan RR-tabanlı parametreler ayrıntılı bir şekilde açıklanmıştır. Ek olarak, bu parametreler zaman ve frekans alanında optimize edilerek URLLC sistemlerinin gereksinimlerine ulaşılması amaçlanmıştır. Daha sonra, SC blok içinde adaptif sönümleme faktör kullanımı, girişim düzeyini kontrol ederek daha verimli kaynak kullanımı elde etmek için önerilmiştir. Optimize edilmiş parametreler ile SC sistemlerin önemli gecikme ve güvenilirlik iyileştirmesi elde edilebileceği gösterilmiştir. İndeks modülasyon (IM) ile çok taşıyıcılı iletim, yüksek veri hızları, yüksek güvenilirlik ve düşük gecikme ile uygulamaları karşılamak için esnek yapıları sayesinde umut verici bir aday olarak kabul edilmiştir. Genel olarak, mevcut IM şemaları yalnızca ideal iletişim senaryoları için değerlendirilir. Bu çalışmada, üç frekans alanı IM şemasının hata performansı araştırılmış ve taşıyıcı frekans ofseti (CFO) ve faz içi ve dördün (IQ) dengesizlik girişimi varlığında karşılaştırılmıştır. IM ile ortogonal frekans bölmeli çoğullama (OFDM-IM), genelleştirilmiş IM ile OFDM (OFDM-GIM) ve alt taşıyıcı sayı modülasyonu ile OFDM (OFDM-SNM) değerlendirilir. OFDM-GIM ve OFDM-SNM'in OFDM-IM'e göre daha yüksek spektral verim sağlamasına rağmen, RF bozulmalarına karşı daha duyarlı oldukları bilgisayar tabanlı benzetimlerle gösterilmiştir. Bunlar arasında OFDM-IM, CFO ve IQ dengesizliği altında en iyi hata performansını sağlar. Ortogonal frekans bölmeli çoğullama (OFDM) ve OFDM-IM teknolojilerinin üst üste binmesi yoluyla hibrit güç alanı non-ortogonal çoklu erişim (NOMA) şeması olan IM-NOMA sunulmuştur. Bilgisayar tabanlı simülasyonlar ve matematiksel analizler ile gösterilmiştir ki, IM-NOMA, toplam güç kısıtlaması altında bit hata oranı (BER) ve ulaşılabilir toplam veri oranı açısından klasik OFDM-NOMA'yı geride bırakmaktadır. IM-NOMA'nın sistem performansı, sadece üst üste binen müdahale eden kullanıcılar arasındaki güç farkına bağlı değil, aynı zamanda OFDM-IM sinyalinin RR kullanımının özelliklerine de bağlıdır. Bu nedenle, bu şema, birbirine benzer güç atamalarında olası kritik hat Ortogonal zaman frekans uzayı (OTFS) modülasyonu, güçlü gecikme-Doppler dayanıklılığı sayesinde bağlantı güvenilirliği konusunda önemli avantajlar sunan yeni bir teknolojidir. Klasik hücresel teknolojide, genel sistem performansı, belirli bir kullanıcı ekipmanının (UE) radyo kaynakları üzerinde deneyimlediği zayıflama ve girişimle sınırlıdır. Ayrıca, OTFS performansı, UE'lerin kanal çeşitliliğine bağlıdır. Bu nedenle, bu çalışma pratik senaryoları göz önünde bulundurarak OTFS sistemleri için çoklu kullanıcı çeşitliliğinin potansiyelini inceler. Özellikle, mevcut OTFS çerçevesinin RR'ının en fazla sayıda kanal dokunuşuna sahip UE'ye atanmasını öneren yeni bir zamanlama algoritması tanıtılmaktadır, bu da artan kanal çeşitliliğine yol açar. Hem matematiksel analiz hem de simülasyon sonuçları aracılığıyla, önerilen zamanlama tekniğinin, maksimum olasılık (ML) alıcı ile sistem BER açısından gecikme-Doppler RR'a rastgele erişim şemasını geride bıraktığı gösterilmektedir. BER sonuçları, çeşitli sistem yapılandırmalarını dikkate alan MMSE (minimum ortalama kare hatası) dedektörü ile OTFS iletimi için önerilen tekniklerin doğruluğunu doğrulamaktadır.a performansına karşı dayanıklıdır. Ortogonal zaman frekans uzayı (OTFS) modülasyonu, güçlü gecikme-Doppler dayanıklılığı sayesinde bağlantı güvenilirliği konusunda önemli avantajlar sunan yeni bir teknolojidir. Klasik hücresel teknolojide, genel sistem performansı, belirli bir kullanıcı ekipmanının (UE) radyo kaynakları üzerinde deneyimlediği sönümleme ve girişimle sınırlıdır. Ek olarak, OTFS performansı, UE'lerin kanal çeşitliliğine bağlıdır. Bu nedenle, bu çalışma pratik senaryoları göz önünde bulundurarak OTFS sistemleri için çoklu kullanıcı çeşitliliğinin potansiyelini inceler. Özellikle, mevcut OTFS çerçevesinin RR'ının en fazla sayıda kanal dokunuşuna sahip UE'ye atanmasını öneren yeni bir zamanlama algoritması tanıtılmaktadır, bu da artan kanal çeşitliliğine yol açar. Hem matematiksel analiz hem de simülasyon sonuçları aracılığıyla, önerilen zamanlama tekniğinin, maksimum olasılık (ML) alıcı ile sistem BER açısından gecikme-Doppler RR'a rastgele erişim şemasını geride bıraktığı gösterilmektedir. BER sonuçları, çeşitli sistem yapılandırmalarını dikkate alan minimum ortalama kare hatası (MMSE) dedektörü ile OTFS iletimi için önerilen tekniklerin doğruluğunu kanıtlar. Bu tezde, IQ dengesizliğinden kaynaklanan girişimin OTFS tabanlı iletimin performansı üzerindeki etkisi araştırılmıştır. OTFS, zamanla değişen kablosuz kanalın zaman ve frekans seçiciliğine karşı umut verici bir dayanıklılığa sahip yeni bir iki boyutlu iletim şemasıdır ve IQ bozulması, verici/alıcı tasarımındaki evre uyumsuzluklarından kaynaklanır. Bu çalışmada, OTFS'de evre uyuşmazlığına sahip vericinin fiziksel etkisini göstermek için matematiksel bir model sunulmuştur, bu da sadece Doppler ekseninde meydana gelen yeni bir girişim türü olan ayna-Doppler girişimi (MDI) ile sonuçlanır. Ayrıca, sabit bir zarfa sahip M-ary sembolünü ve ML alıcı dikkate alarak OTFS'in ortalama BER'i için kapalı formda matematiksel ifadesi türetilmiştir. Önemli bir şekilde, bulgularımız, IQ dengesiz vericinin, OTFS iletiminin çeşitlilik kazancında önemli bir azalmaya neden olduğunu, ancak bir boyutlu mevcut iletişim sistemlerindeki BER performansında bir hata düzeyine neden olmadığını kanıtlamaktadır. Monte Carlo tabanlı simülasyonlar, sabit zarf M-ary sembolleri altında farklı sistem yapılandırmaları için elde edilen matematiksel formüllerin doğruluğunu kanıtlamak için sunulmuştur. 5G ve ötesi (B5G) kablosuz sistemlerde düşük hesaplama karmaşıklığı, düşük güç tüketimi ve uygun maliyet sağlamak için basit verici/alıcı mimarilerinin tasarımı kaçınılmazdır, ancak bu, iletimin performans güvenilirliğini önemli ölçüde düşüren donanım bozulmalarına yol açar. Bu nedenle, bu istenmeyen donanım bozulmalarının etkisini telafi etmek için ek donanım veya sinyal işleme gereklidir, bu da spektral verimliliği azaltırken enerji tüketimini ve işleme süresini artırır. Gecikme-Doppler alanında IQ dengesizliğinin etkisini azaltmak için, sistem tasarımında çekici bir RR (radyo kaynakları) esnekliği sağlayan IM (indeks modülasyon) kavramının yardımıyla enerji ve spektral verimli bir IQ dengesizliği telafi şeması öneriyoruz. Klasik kablosuz teknolojilerde kullanılan iteratif ve pilot tabanlı çözümlerin aksine, önerilen şema, IQ dengesizliği etkisinin tahmin ve telafisi sırasında ek enerji tüketimini ve önemli spektral verim kaybını önler. Elde edilen BER sonuçları, pratik senaryolarda mükemmel/kusurlu kanal durumu bilgisini dikkate alan farklı OTFS sistem yapılandırmaları için önerilen telafi edici mekanizmanın doğruluğunu doğrulamaktadır. OTFS, çift yönlü dağılımlı kablosuz ortamın hem zaman hem de frekans seçiciliğinden faydalanır, bu, klasik kablosuz iletişim teknolojilerinde sınırlayıcı faktörlerden biri olarak kabul edilir. Öte yandan, OTFS tabanlı kablosuz sistemlerin performansı, gecikme-Doppler düzleminde her zaman tamsayı Doppler değerleri olmamasının kaçınılmaz ve doğal özelliklerinden kaynaklanan kesirli Doppler nedeniyle ciddi şekilde etkilenir. Bu durum, ciddi aralık-Doppler girişimi (IDI) ve gecikme-Doppler alanında düşük bir kanal seyrekliği ile sonuçlanır. Bu bağlamda, bu çalışma, OTFS tabanlı iletimin hata performansı üzerinde kesirli Doppler'in etkisine karşı mücadele etmek için transceiver'da pratik darbe şekillendirme filtreleri ile birlikte yeni bir alıcı pencereleme tekniği sunmaktadır. Özellikle, IDI'in etkisini azaltmak için alıcıda global çevrim önekli (CP) tabanlı yükselen kosinüs (RC) pencereleme önerilmiştir. Bu amaçla, önerilen şema, IDI düzeyini ve etkili kanalın seyrekliğini tanımlayan DD alanındaki OTFS sinyalinin darbe şeklini değiştirir. Ayrıca, önerilen alıcı pencerelemeli OTFS (RW-OTFS) şemasının çeşitli pratik iletişim senaryolarında performansını değerlendiriyoruz. Elde edilen sayısal ve simülasyon sonuçlar, önerilen IDI önleyicinin yüksek hareketlilik senaryolarında OTFS sistemleri için doğruluğunu kanıtlar.