Array processing and optimization techniques of beamforming and resource allocation for enhanced spectral efficiency in 5g and beyond systems
Tezin Türü: Doktora
Tezin Yürütüldüğü Kurum: İstanbul Medipol Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, ELEKTRİK-ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI, Türkiye
Tezin Onay Tarihi: 2021
Tezin Dili: İngilizce
Öğrenci: NANN WIN MOE THET NANN WIN MOE THET
Danışman: ÖZDEMİR Mehmet Kemal
Açık Arşiv Koleksiyonu: AVESİS Açık Erişim Koleksiyonu
Özet:Beşinci Nesil (5G) ve ötesi iletişim sistemleri, kablosuz veri trafiği talebinin hızla artması, daha hızlı veri iletimi ve devasa cihaz bağlantılarının bulunduğu durumlar için kullanılması muhtemel teknolojiler arasında yer almaktadır. Dizisel sinyal işleme, büyük ölçekli anten sistemlerinin 5G ve ötesinde kablosuz ağlarda kullanımı durumlarında, hüzme oluşturma ve sinyal Varış Yönünün (DoA) kestiriminde önemli bir rol oynar. Anten sayısındaki artış, yüksek veri hızı potansiyeline sahip olsa da, en nihayetinde yüksek sayıdaki anten kullanımı, maliyet ve hesaplama karmaşıklığını artırır. Bu nedenle bu tez, hesaplama karmaşıklık sorununu ve 5G ve ötesi sistemler için belirli bir bant genişliğinde yüksek bir veri hızı elde etmenin zorluklarını ele almaktadır. Esasen, bu tez 5G sistemlerinin üç ana yönüne odaklanmaktadır: DoA tahmini, hüzme oluşturma ve Ortogonal Olmayan Çoklu Erişim (NOMA), ilgili karmaşıklık ve spektral verimlilik (SE) sorunları. Bu tez ilk olarak, fazuyumlu sinyaller için Düzgün Doğrusal Dizi (ULA) şeklindeki anten yapısının bilinmeyen karşılıklı bağlaşım (MC) durumu için, DoA kestirimini bir düşük rank yöntemi ile sunar. Önerilen yöntem, Ortak Yinelemeli Alt Uzay Optimizasyonu (JIO) ve Minimum Varyans (MV) tabanlı MC otomatik kalibrasyonunu temel alır ve tutarlı sinyaller, İleri Geriye Uzamsal Düzeltme (FBSS) JIO işlemi ile entegre edilerek ilişklendirilir. Önerilen yöntemin performansı, kök ortalama kare hatası, ve başarı olasılığı açısından analiz edildi ve ayrıca karmaşıklık karşılaştırması Merkezi İşlem Birimi (CPU) çalışma süresine göre değerlendirildi. İkincil olarak, bu tezde NOMA sisteminin ulaşılabilir toplam veri oranı üzerindeki karşılıklı bağlaşım etkisi incelenmiştir. Baz istasyonunda (BS) ULA, 2 Boyutlu (2D) Doğrusal Dairesel Dizi (UCA) ve kademeli 3 Boyutlu (3D) UCA gibi farklı anten konfigürasyonları ayrı ayrı kullanılarak ışın desenleri ve sistem toplam veri hızı analiz gerçek leştirilmiştir. Farklı anten yapıları için Elektromotor Kuvvete (EMF) dayalı karşılıklı eşleşme ifadeleri de elde edilmiştir. Hem uplink (UL) hem de downlink (DL) iletimleri gerçekleştirilerek, MC kompanzasyonu olan ve olmayan ilgili toplam veri oran performansları incelenmiştir. Üçüncül olarak, hızlı sönümleme kanalına sahip Frekans Bölmeli Çift Yönlü (FDD) masif MIMO sistemlerinde kullanıcı gruplamasının ve çizelgelemesinin etkisi analiz edilmiştr. Grup içi paraziti azaltmak için sayısal ön kodlama gerçekleştirilirken, öz bazlı ön hüzme oluşturma, grup içi paraziti ortadan kaldırmak ya da etkisiz hale getirmek için kullanılmıştır. Kullanıcı gruplamasında, Ağırlıklı Olabilirlik (WLD) ile Kortalama kümeleme yaklaşımları benimsenmiştir. İki farklı çizelgeleme yöntemi ile yeniden çizel gelemenin sistem toplam hızına etkisi: Yarıortogonal Kullanıcı Seçimi (SUS) ve açgözlü/hırslı algoritmalar araştırılmış ve karşılaştırılmıştır. Simülasyon sonuçlarına dayanarak, her bir şema için yeniden zamanlama gerekliliğine ilişkin önemli bilgiler elde elde edilmiştir. Dördüncül olarak, masif bir (MISO) sisteminde Derin Öğrenmeye (DL) dayalı, düşük hesaplama karmaşıklığı olan bir analog hüzmeleme tasarımı önerilmiştir. Önerilen hüzmeleme tasarımı, Evrişimli Sinir Ağı (CNN) modeline dayanmaktadır ve amaç, denetimsiz öğrenme yoluyla toplam SE'yi maksimize etmektir. Ağın girişi, karmaşık değerli bir kanal katsayısıdır, ve bu nedenle, Hızlı Fourier Dönüşümü (FFT), Genlik ve Faz (A/Phi) ve Eş Fazlı ve Dörtlü (IQ) gibi farklı giriş veri gösterimleri gerçek değerlerin ayrıştırılması için kullanılmıştır. Önerilen ağ, geleneksel hüzmeleme yöntemleri ve Tam Bağlantılı (FC) Hüzme Oluşturan Sinir Ağı (BFNN) ile SE ve Kayan Nokta İşlemlerinin (FLOP'lar) karmaşıklığı açısından karşılaştırılmıştır. Beşincil olarak, adil kullanıcı durumunu göz önünde bulundurarak, bir kısm-NOMA (PNOMA) sisteminde güç ve örtüşme oranı (OR) için ortak tahsis algoritması önerilmiştir. PNOMA, sistem spektral verimliliğini artırabilen ve kullanıcı eşitliğini sağlayabilen geleceğin ve gelecek için ümit vadeden bir Çoklu Erişim (MA) tekniği olduğundan, pratikte verimli uygulama için mevcut ortak güç ve OR tahsisinin karmaşıklığı sorununun üstesinden gelmesi gerekmektedir. Bu nedenle, burada, Jain Endeksi ile ölçülen arzu edilen bir kullanıcı kullanım eşitliği sağlanarak, sistemin toplam veri hızının maksimize edildiği düşük karmaşıklıklı bir gradyan arama yaklaşımı benimsenmiştir. Simülasyon sonuçları, önerilen arama algoritmasının, aynı toplam oran performansına sahip kapsamlı aramaya kıyasla çok daha düşük hesaplama karmaşıklığı sağladığını ortaya koymuştur. Altıncıl olarak, bir mmWave kanalında yine gelecek için ümit vaat eden NOMA çerçevesi önerilmiştir; burada PNOMA, geliştirilmiş SE için her kullanıcı grubunda benimsenirken, yakın konumdaki kullanıcılara, örtüşen bir iletim hüzmesinden hizmet sunulması öngörülmektedir. Üst üste binen hüzme kullanıcılarını gruplamak için bulanık kümeleme kullanılmıştır. Burada, kanal kazanç farkı ve bulanık üyelik bazlı kullanıcı eşleştirme algoritması önerilmiştir. Benzetim sonuçlarından, kullanıcıların toplam veri hızı performansını etkileyen Örtüşen Işın Oranının (OBR) önemi tartışılmıştır. Önerilen çerçevenin, geleneksel NOMA'ya kıyasla üst üste binen hüzme girişimi sorununu çözmeyi sağladığı ve spektral verimliliği arttırdığı gösterilmiştir. Son olarak, Koordineli Çok Noktalı (CoMP) ağdaki NOMA'nın kusurlu kod çözme sorunu, ağda Yeniden Yapılandırılabilir Akıllı Yüzey (SIC) uygulanarak giderilmeye çalışılmıştır. İki hücre sınırındaki kullanıcının benzer bir kanal kazancına sahip olduğu ve yanlış kanal kazanç sırası ile kusurlu kod çözme nedeniyle Sinyal-Girişim-artı-Gürültü Oranlarının (SINR'ler) azalmasıyla sonuçlanan pratik bir çok hücreli senaryo düşünülmüştür. Bu nedenle, hücre ucu kullanıcılarının kanal kazancını ayırt etmek için, her hücrede daha düşük güç tahsisine sahip hücre ucu kullanıcısının yanında bir RIS kullanılır. Her kullanıcının SE'si için analitik Kesinti Olasılığı (OP) ifadeleri, ilgili kanal istatistiklerine dayalı olarak türetilir ve simülasyon sonuçlarıyla karşılaştırılarak bunların birbirleri ile uyuştuğu gösterilmiştir.