Advanced Waveform Designs for 5G and 6G
Tezin Türü: Doktora
Tezin Yürütüldüğü Kurum: İstanbul Medipol Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, ELEKTRİK-ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI, Türkiye
Tezin Onay Tarihi: 2024
Tezin Dili: İngilizce
Öğrenci: EBUBEKİR MEMİŞOĞLU
Danışman: Hüseyin Arslan
Açık Arşiv Koleksiyonu: AVESİS Açık Erişim Koleksiyonu
Özet:Beşinci nesil (5G) kablosuz iletişim ağları, eski mobil nesillerin veri merkezli yaklaşımını, çeşitli gereksinimlere sahip kullanım durumlarını desteklemek için hizmet tabanlı bir kablosuz sisteme dönüştürdü. 5G Yeni Radyo (5G-NR), geniş bir hizmet yelpazesini kolaylaştırmak için karma numeroloji konseptine sahip esnek çerçeve yapısını tanıttı. Bu evrim, 2019'dan bu yana otonom araçlar, uzaktan cerrahi ve Nesnelerin İnterneti (IoT) gibi yenilikleri mümkün kılarak sağlık, ulaşım ve akıllı şehirler gibi endüstrilerde devrim yaratmayı vaat etmektedir. Altıncı nesil (6G) teknoloji geliştirme şu anda devam etmektedir, ve kablosuz ağların yeteneklerini ve uygulamalarını daha da geliştirmek için entegre algılama ve iletişim vizyonuna sahiptir. 5G-NR'de sunulan esnek çoklu-numeroloji çerçeve yapısının önündeki en büyük engel, nümerolojiler arası girişimin (INI) varlığıdır. Komşu nümerolojiler arasına bir koruma bandı (GB) eklemek, bu girişimi azaltmak için popüler bir tekniktir. Ancak, GB'leri uygulamaya yönelik geleneksel yaklaşım, spektrum kullanımı açısından verimli değildir. Ölçeklenebilir çoklu-numeroloji yapısındaki INI'nin içsel özelliklerini, GB'leri uygulamaya yönelik daha spektral verimli bir yöntem önermek için kullanılmaktadır. Simülasyonlarımız, bu önerilen GB ekleme tekniğinin, geleneksel olarak uygulanan GB'lerle aynı bit hata oranı performansını korurken GB kullanımını \%50'ye kadar iyileştirebileceğini göstermektedir. 5G ve gelecekteki kablosuz ağların temel bir bileşeni, çok sayıda uygulamanın ihtiyaçlarını karşılayan ortogonal frekans bölmeli çoklama (OFDM) dalga formuna sahip esnek karma numeroloji yapısıdır. Geleneksel numeroloji seçimi yalnızca zaman alanı numeroloji çoklamasında yüksek tepe-ortalama güç oranını (PAPR) düşürebilir. Hem zaman alanı hem de frekans alanı numeroloji çoklama senaryolarında PAPR'yi düşürmek için benzersiz bir numeroloji zamanlama (NS) tekniği öneriyoruz. Çeşitli NS'lere sahip bir sinyal grubundan, bu prosedür kullanılarak en düşük PAPR'ye sahip sinyal seçilir. Geleneksel numeroloji seçimiyle karşılaştırıldığında, doğrusal karmaşıklığa sahip önerilen yöntem, simülasyon sonuçlarına ve karmaşıklık analizine göre daha iyi PAPR azaltımı sağlamaktadır. 5G ve gelecekteki kablosuz iletişim sistemleri, entegre algılama ve iletişim (ISAC) gerektirir. Çok sayıda kablosuz standart, büyük spektral verimliliği ve statik çok yollu kanal koşullarına direnci nedeniyle döngüsel önek-OFDM'yi (CP-OFDM) kapsamlı bir şekilde kullanır. Öte yandan, frekans modüleli sürekli dalga (FMCW), özellikle otonom araçlar için radar algılama içeren uygulamalarda sıklıkla kullanılır. Pasif radarlar gibi algılama uygulamaları için havadaki iletişim sinyalleri kullanılsa da, bu sistemler sınırlı algılama yeteneklerine sahiptir. İletişim ve radar algılama sistemleri için zaman, frekans ve uzaysal kaynaklarını ayrı ayrı tahsis eden çeşitli birlikte varoluş şemaları tanıtılmıştır. Öte yandan, ortak radar ve iletişim (JRC) sistemlerine ortogonal birlikte varoluş sağlamak için aynı zaman ve frekans kaynaklarında örtüşen yeni bir dalga formu tasarımı önerilmiştir. Önerilen tasarımda, bit hata oranı (BER) ve kanal tahmin performansı değerlendirilmiş ve geleneksel CP-OFDM sistemleriyle karşılaştırılmıştır ve önerilen birlikte varoluşun eşdeğer performansa ulaştığı gösterilmiştir. Bu nedenle, bu örtüşen dalga formu tasarımı, ayrı kaynak paylaşım yaklaşımlarına kıyasla daha iyi spektral verimlilik elde eder. ISAC, 5G ötesi ve 6G ağlarının önemli bir bileşenidir. Ancak, ek algılama sinyalleri nedeniyle spektrumun bir arada bulunması, planlanması ve kıtlığı konusunda geçerli endişeler vardır. Hem algılayan hem de iletişim kuran bir cihaz, algılama için iletişim sinyalini kullanabilir. Öte yandan, yalnızca algılayan ve iletişim kurmayan bir cihazın ek algılama sinyalleri iletmesi gerekecektir ve bu da artan ağ trafiğine yol açacaktır. Bu nedenle, yinelemeli kanal tahmini (ISAC-ICE) ile ISAC adı verilen yeni bir yöntem önerilmiştir. Bu yaklaşımın amacı, spektrum verimliliği elde ederken iyi algılama ve iletişim performansını korumaktır. Önerilen yöntem bunu, yukarı bağlantı iletimi için ortogonal olmayan iletişim ve algılama sinyallerinden yinelemeli kanal tahminini etkinleştirerek başarır. Önerilen yaklaşım, simülasyon sonuçları ve karmaşıklık analizi ile gösterildiği gibi, doğrusal karmaşıklığa sahip ISAC'ın ortogonal olmayan çoklu erişimine (NOMA) izin vermektedir. OFDM, verimliliği ve sağlamlığı nedeniyle iletişim için yaygın olarak kullanılır. Ancak, ortaya çıkan uygulamalar algılama işlevlerini desteklemek için OFDM'de daha fazla esneklik talep etmektedir. OFDM'ye dayalı çift fonksiyonlu radar iletişimleri (DFRC) için zaman-frekans dalga formları tasarlamak, iletişim ve algılamanın gelişen gereksinimlerini karşılamak için kritik öneme sahiptir. Bu çalışma, gecikme ve Doppler tahmini için Cramér-Rao sınırlarını (CRB'ler) en aza indirerek OFDM DFRC sistemlerindeki radar performansını artırmak için yeni bir yöntem önermektedir. İleri beslemeli sinyallemeye veya alt taşıyıcı rezervasyonuna dayanan mevcut yöntemlerin aksine, önerilen yaklaşım, ek yük olmadan daha düşük CRB'ler elde etmek için karesel genlik modülasyonunun (QAM) takımyıldız uzantısından yararlanır. Bu, radar tahmin performansını iyileştirirken sorunsuz iletişimi sağlar. Önerilen yöntem, CRB ve sembol hata oranına (SER) odaklanan simülasyonlar aracılığıyla değerlendirilir. Ek olarak, CRB en aza indirmenin iletişim performansı üzerindeki etkisini değerlendirmek için teorik bir SER analizi türetilmiştir. Güç verimliliği, 6G ağlarının sürdürülebilirliğini sağlamak için hayati bir ölçüttür. ISAC hizmetlerinin uygulanması, algılama için gereken ek sinyal iletimi nedeniyle güç tüketimini artırır. ISAC hüzme oluşturma, hem iletişim kullanıcılarının (CU'lar) hem de algılama kullanıcılarının (SU'lar) ihtiyaçlarını karşılayarak mmWave çok girişli çok çıkışlı (MIMO) sistemlerde güç tüketimini azaltmak için etkili bir çözüm sunar. Ancak, bu yaklaşım yalnızca her iki kullanıcı türü de aynı hüzme kapsama alanında olduğunda etkilidir. Aksi takdirde, ayrı hüzmelere ihtiyaç duyulur ve bu da artan güç tüketimine yol açar. Bu zorluğun üstesinden gelmek için, güç verimliliğini en üst düzeye çıkaran ISAC hüzme oluşturma için yeni bir zaman alanı planlama yöntemi öneriyoruz. Farklı kullanıcı sayıları, periyodiklik değerleri ve kullanıcı dağıtım oranları dahil olmak üzere çeşitli senaryolar için geleneksel planlama yöntemlerine göre performans iyileştirmeleri gösterilmiştir. Özetle, bu tez 5G ve 6G'nin dalga formu tasarımını geliştirmeyi amaçlayan literatüre katkılarımızı tanıtmaktadır. Özellikle, katkılarımız karma numeroloji çerçeve tasarımı, karma numeroloji zamanlaması, farklı dalga formlarının bir arada bulunması, ISAC'da ortogonal olmayan çoklu erişim ve DFRC sistemlerinde takımyıldız tasarımı, ve ISAC hüzmelemede planlama gibi araştırma konularına odaklanmaktadır.