Donanım bozukluğu durumunda uzaysal modülasyonlu sistemlerde performans analizi
Performance analysis of spatial modulation schemes with hardware impairment
Yazar: UĞUR GÜRBÜZ
Danışman: PROF. DR. İBRAHİM ALTUNBAŞ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Telekomünikasyon Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Telsiz haberleşmenin her geçen gün daha fazla yaygınlaşmasıyla birlikte artan yüksek veri hızı, kapasite ve enerji verimliliği ihtiyacı bu alanda kullanılan teknolojilerin devamlı bir gelişim içerisinde olmasını gerektirmektedir. Bu bağlamda önerilen çok-girişli çok-çıkışlı (multiple-input multiple-output, MIMO) sistemler ile yüksek veri hızlarına ulaşmak ve hata performansını iyileştirmek mümkün olmuştur. Ancak MIMO sistemler ile artan verici ve alıcı anten sayısına bağlı olarak artan maliyet, kanallar arası girişim (inter-channel interference, ICI) ve antenler arası senkronizasyon (inter-antenna synchronization, IAS) ihtiyacı gibi kısıtlayıcı problemler sonucu uzaysal modülasyon yöntemi (spatial modulation, SM) önerilmiştir. SM yönteminde geleneksel modülasyon yöntemlerine ek olarak anten indisleri ile de bit taşınmakta ve bu durum sistemin band verimliliğini artırmaktadır. Ayrıca aynı anda tek antenin aktif olarak kullanılması sebebiyle ICI ve IAS problemleri ortadan kalkmıştır. Bilgi bitlerinin sadece anten indisleri ile iletilmesi ilkesine dayanan uzay kaydırmalı anahtarlama (space shift keying, SSK) yöntemi ile birlikte alıcıda karmaşıklığın azaltılması sağlanırken SM ile benzer hata performansı yakalanabilmektedir. SM ve SSK şemalarında yüksek band verimliliklerine ulaşmak için verici tarafında çok sayıda anten bulunması gerektiği için genelleştirilmiş uzaysal modülasyon (generalized spatial modulation, GSM) ve genelleştirilmiş uzay kaydırmalı anahtarlama (generalized space shift keying, GSSK) yöntemleri önerilmiştir. Bu sistemlerde aynı anda birden fazla anten aktif olarak kullanılarak SM ve SSK sistemlerine göre daha az anten ile aynı sayıda bit iletmek mümkün olmakta ve sistem maliyeti düşürülmektedir. Ayrıca antenlerden aynı işaretler iletilmesi sebebiyle, SM ve SSK sistemlerine benzer şekilde, ICI sorunu yaşanmamaktadır. 
Literatürdeki çalışmalarda rölesiz haberleşme sistemleri için uzaysal modülasyon yöntemleri detaylı olarak incelenmiş olmasına rağmen röleli sistemlerdeki performansı üzerine araştırmalar nispeten daha kısıtlıdır. Ayrıca röleli ve rölesiz senaryolar için yapılan hata analizlerinde genellikle ideal donanım kullanıldığı varsayımı yapıldığı  için verilen hata performans değerleri gerçek hayattaki değerlerle uyuşmazlık gösterebilmektedir. Bu sebeple hata performans analizleri yapılırken I/Q dengesizliği (in-phase/quadrature imbalance) ve yüksek güçlü kuvvetlendirici nonlineerliği (HPA nonlinearity) gibi kısıtlayıcı etkilerinde göz önüne alınması gerekmektedir.
Bu çalışmada, ideal olmayan donanım kullanımı durumu için donanım bozukluğu (hardware impairment, HI) ifadesi kullanılmıştır. Öncelikle literatürde var olan SM, SSK, GSM, GSSK teorik ortalama bit hata olasılığı ifadeleri tekrardan elde edilmiştir. Ardından donanım bozukluğu kavramı tanıtılmış ve donanım bozukluğu varlığında telsiz haberleşme sistemlerinin modellenmesi gösterilmiştir. Sonrasında SM, SSK, GSM ve GSSK sistemlerde ideal donanım senaryosu için hesaplanan teorik hata performans çıkarımları donanım bozukluğu senaryosu için elde edilmiştir. Son bölümde, işbirliklikli uzaysal modülasyon sistemleri incelenmiştir. Bu sistemlerde SM kullanımı için literatürde var olan teorik hata çıkarımları tekrardan elde edilmiştir. Ardından röleli sistemlerde donanım bozukluğu modellenmiş ve SM, SSK, GSM ve GSSK kullanılan işbirlikli haberleşme sistemleri için teorik bit hata çıkarımları elde edilmiştir. 
Ardından bilgisayar benzetimleri ile birlikte rölesiz ve röleli senaryolar için bu çıkarımların doğruluğu kanıtlanmıştır. Son olarak donanım bozukluğu durumunda, verici anten sayısı, aktif kullanılan verici anten sayısı, alıcı anten sayısı, modülasyon derecesi gibi değişen sistem parametreleri için hata performansının nasıl etkilendiği bilgisayar benzetimleri yardımıyla incelenmiştir. Benzetimlerde kullanılan telsiz haberleşme senaryoları ve bu senaryolardan elde edilen sonuçlar sonraki bölümlerde detaylı olarak açıklanmıştır.
Bu benzetimlerden görüldüğü üzere, rölesiz sistemlerde, SM ve SSK sistemler donanım bozukluğundan benzer şekilde etkilenmektedir. Bunun yanı sıra GSM sistemler SM sistemlere kıyasla, GSSK sistemler ise SSK sistemlere kıyasla donanım bozukluğuna karşı daha dayanıksızdır. Bu modülasyon sistemleri kendi içlerinde değerlendirilecek olursa, SSK ve GSSK modülasyon yöntemlerinde band verimliliği arttıkça bu sistemler donanım bozukluğuna karşı daha dayanıksız hale gelmektedir. Ayrıca SM ve GSM sistemlerinde modülasyon derecesi sabit iken verici anten sayısı ve kullanılan anten indis kombinasyonu sayısının arttırılması hata performansını olumsuz etkilemektedir. Buna karşın antenler ile iletilen bit sayısı sabit iken modülasyon derecesini artırmak sistemin hata performansını olumlu etkilemiştir. Kısacası, anten indisleri ile iletilen bit sayısının toplam iletilen bit sayısına oranı arttıkça sistemin donanım bozukluğuna karşı daha dayanıksız hale geldiği görülmüştür. Ek olarak, ele alınan dört modülasyon yönteminde de (SM, SSK, GSM, GSSK) alıcı anten sayısındaki artış sonucunda sistemin donanım bozukluğuna karşı daha dayanıklı hale geldiği gözlenmiştir.
SM, SSK, GSM, GSSK modülasyon yöntemleri kullanılan röleli sistemlerde benzer senaryolar incelendiğinde, sistemin donanım bozukluğundan rölesiz duruma benzer şekilde etkilendiği anlaşılmıştır. SM ve GSM kullanılan işbirlikli haberleşme sistemlerinde, donanım bozukluğunun etki ettiği anten indisleri ile iletilen bit sayısının toplam iletilen bit sayısına oranı arttıkça sistemlerin donanım bozukluğundan daha fazla etkilendiği görülmüştür. SSK ve GSSK sistemleri kullanıldığında ise artan band verimliliği sonucunda sistemler donanım bozukluğundan daha fazla etkilenmiştir. Buna karşın dört modülasyon yöntemi de alıcı anten sayısı arttıkça donanım bozukluğuna karşı daha dayanıklı hale gelmişlerdir. Donanım bozukluğundan etkilenen donanım sayısı artmasına rağmen artan çeşitleme derecesi sonucu alıcı anten sayısındaki artış sistem performansı iyileşmiştir. Ayrıca, GSM yöntemi kullanılan sistemlerin SM kullananlara kıyasla, GSSK yöntemi kullanan sistemlerin ise SSK kullananlara kıyasla donanım bozukluğundan daha fazla etkilendiği görülmüştür.

Abstract:
As a consequence of increasing usage of wireless communication systems day by day, modulation schemes that offer higher data rates and spectral efficiency comes into prominence. However, there are multiple disruptive effects such as fading that deteriorates the data transmission in wireless channels. In this manner, multiple-input multiple-output (MIMO) systems that utilize multiple antennas at the transmitter and/or the receiver sides to send information through multiple parallel data streams are proposed. The use of multiple antennas increases the capacity and reliability of the system compared to single antenna wireless systems. Nonetheless, using multiple antennas actively increases energy consumption. Furthermore, inter-channel interference (ICI), inter-antenna synchronization (IAS) and the increasing cost due to the used RF (radio frequency) chains are important disadvantages of MIMO systems. 
Due to the aforementioned drawbacks in MIMO systems, spatial modulation (SM) scheme was introduced in order to provide lower complexity and higher energy efficiency. The SM scheme utilizes transmit antenna indices in addition to conventional modulation schemes (such as M-ary quadrature amplitude modulation (M-QAM) and M-ary phase shift keying (M-PSK)). In SM, main problems of MIMO systems such as ICI and IAS are eliminated as single transmit antenna is actively used in one transmission interval. Furthermore, it is shown that SM schemes outperform conventional MIMO schemes such as Vertical-Bell Lab layered space-time (V-BLAST). Space shift keying (SSK) which is a special case of SM was also attracted a lot of interest from the academia. In SSK, information bits are transferred by only transmit antenna indices, in which, can be achieved the same bit error rate performance with SM with lower decoding complexity. However, in SM and SSK, a large number of transmit antennas are required in order to acquire higher bandwidth efficiency since it increases in proportion to the logarithm of the number of transmit antennas. At this point, generalized spatial modulation (GSM) and generalized space shift keying (GSSK) modulation schemes that can achieve the same bandwidth efficiency with less transmit antenna by conveying information bits through multiple active transmit antennas were introduced. For instance, a GSM system with 7 transmit antennas can transmit 4 bits in one transmission interval in case 2 of them are actively used while an SM scheme needs 16 transmit antennas to transfer the same amount of data bits. Besides, ICI is still eliminated by conveying exactly the same data bits from active transmit antennas although utilized antennas need to be synchronized in GSM and GSSK scenarios. 
Although wireless communication systems have been a hot research area in last years, the vast majority of works involve ideal hardware usage. However, in real applications, transceiver components suffer from various types of impairment such as phase noise, in-phase/quadrature (I/Q) imbalance and high power amplifier (HPA) nonlinearities. Even though neglecting these impairments make sense in low-rate systems, it is not appropriate for high-rate wireless systems, especially in case of inexpensive hardware usage. There are multiple compensation algorithms that aim to decrease these disruptive impairment effects, but wireless communication systems are always exposed to residual impairment. Recent works indicate that the presence of hardware impairment affects achievable performance adversely. For instance, the bit error rate of the system increases in case of nonlinear HPA utilization. Furthermore, an irreducible error floor can be observed for severe nonlinearity levels. In this manner, in order to obtain consistent results with real applications, it is important to include the idea of non-ideal hardware utilization in the performance analysis of wireless systems. 
In the literature, there are many studies about the performance of spatial modulation schemes in cooperative and non-cooperative communications systems. However, the effect of hardware impairment is not considered in most of these studies. The motivation of this work is to investigate the effect of hardware impairments on spatial modulation methods like SM, SSK, GSM and GSSK for both cooperative and non-cooperative systems. So that, it can be helpful to find the methods to improve the error performance of these systems in practice. 
In this work, firstly, non-cooperative spatial modulation techniques are examined. SM, SSK, GSM and GSSK modulation schemes are briefly described and ABEP upper bound expressions of these schemes are re-obtained. After that, a general transceiver hardware impairment model is explained. Then, in the presence of hardware impairments, theoretical ABEP upper bound expressions of SM, SSK, GSM and GSSK modulation schemes are obtained and analyzed to understand the impact of hardware impairment. Furthermore, by using Monte Carlo simulations, analytical results are validated. In order to understand how SM, SSK, GSM and GSSK systems are affected by hardware impairments, computer simulation results are presented by using different system parameters such as transmit antenna number, active transmit antenna number, receive antenna number, utilized antenna indices combination number and modulation order. In the second part of this thesis, cooperative spatial modulation systems are briefly explained. The ABEP upper bound expression for cooperative SM systems is re-obtained. After that, a hardware impairment model for cooperative communication systems is briefly described. Then, in the presence of hardware impairment, ABEP upper bound expressions of cooperative SM, SSK, GSM, GSSK systems are obtained. Lastly, simulation scenarios are repeated for cooperative SM, SSK, GSM, GSSK systems. Since the error performance and flexibility of spatial modulation systems are highly depend on the receive and transmit antenna numbers, it is considered that cooperative systems have multiple antennas at each node.
In non-cooperative spatial systems, these simulations showed that hardware impairments affect SM and SSK systems similarly. On the other hand, SM systems are more resistant to hardware impairments compared to the GSM systems. Also, alike SM-GSM relation, hardware impairments affect GSSK systems worse than SSK systems. In SSK and GSSK systems, it is shown that increasing the bandwidth efficiency makes the system more vulnerable to hardware impairments. In another words, SSK and GSSK systems that transmit fewer data bits in one unit transmission interval are more resistant to hardware impairments. In SSK, high bandwidth efficiency can be obtained by increasing the number of transmit antennas. In order to increase the bandwidth efficiency in GSSK, transmit antenna number, the active transmit antenna number and the utilized antenna indices combination number can be increased. The results have shown that, for a fixed modulation order, SM and GSM systems are more resistant to hardware impairments when bandwidth efficiency is decreased, just like SSK and GSSK systems. On the other hand, in case transmit antenna number and utilized antenna combination number are constant, SM and GSM systems become more resistant to hardware impairments with increasing bandwidth efficiency. Here, this increment can be satisfied by increasing the modulation order. It is understood that SM and GSM systems become more resistant to hardware impairments as the ratio of the number of data bits that are transmitted by transmit antenna indices to the number of total transmitted data bits decreases. In addition, the impact of the receive antenna number on the error performance of SM, SSK, GSM and GSSK systems is investigated. For these schemes, it is proved that increasing the receive antenna number makes the system more resistant to hardware impairments. Even though the number of non-ideal components increases, it affects system bit error performance positively.
In the second part, the simulation results are given for cooperative spatial modulation systems which utilize AF (amplify-forward) relaying technique. In cooperative systems, it is assumed that all nodes have multiple transmit/receive antennas. In these simulations, it is seen that previous findings about the effect of hardware impairment are also valid for relaying systems in general. 
In cooperative SSK and GSSK systems, as the bandwidth efficiency of the system increases, the effect of hardware impairment on the error performance of the system increases. In SSK and GSSK, the bandwidth efficiency increment can be provided by increasing the transmit antenna number at source node. Also, in GSSK, utilized antenna number can be increased. In cooperative SM and GSM systems, increasing the ratio of the number of data bits that are transmitted by transmit antenna indices to the number of total transmitted data bits makes the system more vulnerable to hardware impairments. This increment in the ratio can be satisfied by increasing the transmit antenna number, active transmit antenna number and utilized antenna combination number or decreasing the modulation order. Also, for both cooperative spatial modulation schemes, the system becomes more resistant as the receive antenna number increases in the destination node. Even though the number of components that suffer from hardware impairment increases, the error performance of the system is improved.