Çok-girişli  çok-çıkışlı telsiz iletişim sistemleri için özgün dik uzaysal modülasyon teknikleri
Novel quadrature spatial modulation techniques for multiple input multiple-output wireless communication systems
Yazar: ZEHRA YİĞİT
Danışman: DOÇ. DR. ERTUĞRUL BAŞAR
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Telekomünikasyon Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Uzaysal modülasyon (spatial modulation (SM)), ilk kez bilgi simgelerinin yanı sıra,
anten indislerini de bilgi taşımada kullanarak, literatürdeki geleneksel çok-girişli
çok-çıkışlı (multiple-input multiple-output (MIMO)) iletim tekniklerine farklı bir
boyut kazandırmıştır. Geleneksel MIMO iletim tekniklerine kıyasla SM'in enerji
verimliliği sağlayan düşük karmaşıklıklı yapısı, araştırmacıların dikkatini çekmiş ve bu
sayede, SM alanında yapılan birçok araştırma literatüre kazandırılmıştır. Bu çalışmada
ilk olarak, yüksek hızlı genelleştirilmiş uzaysal modülasyon (high-rate generalised
spatial modulation (HR-GSM)) sistemi önerilmiştir. HR-GSM tekniğinde, iki bilgi
simgesi, birbirinden bağımsız olarak belirlenen etkin antenler üzerinden iletilmektedir.
HR-GSM sisteminde, alıcıda simgelerin ayırt edilebilmesi için simgelerden biri,
belirlenen etkin anteni üzerinden doğrudan iletilirken, diğer simge, ait olduğu M'li
faz kaydırmalı anahtarlama (phase shift keying (PSK)) veya dik genlik modülasyonlu
(quadrature amplitude modulation (QAM)) işaret kümesi için belirlenen optimum
döndürme açısı kadar döndürülerek, kendisi için belirlenen etkin verici anteni
üzerinden iletilmektedir. HR-GSM sisteminin, ikili PSK (BPSK), 4-QAM ve 8-QAM
işaret kümeleri için optimum döndürme açıları belirlenerek, bu modülasyonlar için
ortalama bit hata olasılığı (average bit error probability (ABEP)) kuramsal olarak
elde edilmiş ve bu sonuçların bilgisayar benzetim sonuçları ile uyum içerisinde
olduğu gösterilmiştir. Ayrıca, HR-GSM sisteminin BER başarımı, farklı işaret
kümeleri ve MIMO yapıları için aynı bant verimliliği altında, klasik SM, dik uzaysal
modülasyon (quadrature spatial modulation (QSM)), genelleştirilmişSM (generalised
spatial modulation (GSM)) ve gelişmiş SM (enhanced spatial modulation (ESM))
teknikleri ile karşılaştırılmıştır. Bu bilgisayar benzetimleri sonucunda, HR-GSM
sisteminin, literatürde var olan referans yapılara göre daha iyi hata başarımı sergilediği
gösterilmektedir.
İkinci olarak, M-QAM işaret kümesine ait karmaşık bilgi simgesinin gerçek ve sanal
kısımlarını, birbirinden bağımsız olarak belirlenen etkin antenler üzerinden ileten
QSM sistemi için, alıcıda optimum hata ba¸sarımı sağlayan, en büyük olabilirlikli
(maximum likelihood (ML)) kod çözme tekniğinin sezim karmaşıklığını düşüren,
seyrek vektörlerin kestiriminde sıkça kullanılan, sıkıştırılmış algılama (compressive
sensing (CS)) tabanlı düşük karmaşıklıklı optimum olmayan bir alıcı tasarlanmıştır.
Buna göre, alınan QSM işaret vektörü bir karesel eniyileme problemi şekline
dönüştürülmekte ve iletilen karmaşık bilgi simgesinin gerçek ve sanal kısımlarına ilişkin
en olası etkin anten indisleri belirlenmektedir.


 Daha sonra, bu olası etkin antenlere
ilişkin oluşturulan QSM iletim vektörleri üzerinden, bir ML benzeri sezim algoritması
yardımı ile karmaşık bilgi simgesi ve bu simgenin gerçek ve sanal kısımlarına ilişkin
etkin anten indislerine karar verilmektedir. Önerilen bu alıcı yapısının, özellikle büyük
ölçekli QSM sistemleri için, alıcıdaki sezim karma¸sıklığını önemli oranda düşürerek,  optimuma yakın bir hata başarımı sergilediği kapsamlı bilgisayar benzetimleri ile
gösterilmiştir.
Üçüncü olarak, uzay-zaman blok kodlama (space-time blok coding (STBC)) ve QSM
teknikleri bir araya getirilerek, QSM sistemine ikinci dereceden çe¸sitleme (diversity)
kazancı sağlayan uzay-zaman kodlu QSM (space-time coded QSM (ST-QSM))
sistemi önerilmiştir. ST-QSM sisteminde, toplam verici anten kümesi, iki alt gruba
ayrılmakta ve iki bağımsız M-QAM bilgi simgesinin gerçek ve sanal kısımları,
QSM yaklaşımı ile bu anten gruplarına ait birbirinden bağımsız etkin antenler
üzerinden iletilmektedir. ST-QSM sisteminde, alt grupların anten sayıları göz önünde
bulundurularak, her bir gruba ayrı ayrı, Alamouti, ABBA veya 8-antenli STBC
teknikleri uygulanmaktadır. ST-QSM sisteminin, hata analizi yapılarak kuramsal
olarak elde edilen ABEP ba¸sarımı, bilgisayar benzetimleri ile de desteklenmiştir.
Ayrıca, farklı bant verimlilikleri ve MIMO yapıları için ST-QSM sistemi, uzay-zaman
kodlu SM (space-time coded spatial modulation (STBC-SM)), Alamouti STBC ve
QSM sistemleri ile karşılaştırılmıştır. ST-QSM sisteminin referans yapılara oranla
daha iyi hata başarımı sergilediği kapsamlı bilgisayar benzetimleri ile gösterilmiştir.
Bu tez kapsamında son olarak, iki kullanıcının QSM iletim tekniği kullanarak, yarı
çift-yönlü (half-duplex) bir röle yardımı ile haberleşmesini sağlayan iki-yönlü QSM
(two-way QSM) sistemi önerilmiştir. Buna göre, birinci zaman diliminde, e¸sit hızlı iki
kullanıcı, bilgilerini, QSM iletim tekniği ile yarı çift-yönlü bir röleye iletmektedir.
İkinci zaman diliminde ise iki kullanıcıdan röleye gelen bilgiler ortak olarak
çözüldükten sonra bit düzeyinde XOR (ayrıcalıklı veya) işlemi uygulanarak, QSM
iletim tekniği ile kullanıcılara gönderilmektedir. Her kullanıcı, röleden gönderilen bilgi
ile kendi bilgisine XOR işlemi uygulayarak diğer kullanıcının bilgisine ulaşmaktadır.
QSM sistemi için tasarlanan sistem, aynı şekilde referans bir yapı olabilmesi açısından
SM sistemi için de gerçeklenmiştir. İki-yönlü QSM ve SM sistemlerinin kuramsal
hata analizi yapılarak ABEP başarımı elde edilmiştir. Ayrıca farklı bant verimlilikleri
ve MIMO yapıları için iki-yönlü QSM ve iki-yönlü SM sistemlerinin hata başarımları
karşılaştırılmıştır.

Abstract:
Compared with single-input single-output (SISO) transmission, multiple-input
multiple-output (MIMO) techniques have made a breakthrough in terms of the capacity
and reliability of the wireless communication systems. The growing demand for
high data rates has led researchers to develop new transmission techniques such as
spatial multiplexing (SMX) and space-time block coding (STBC) in order to obtain
multiplexing and diversity gains, respectively. In traditional SMX techniques, as all
antennas are used for transmission at the same time, the increase in the number of
transmit antennas, linearly increases the spectral efficiency of the system; however
this also exponentially increases the complexity of the optimum decoder. In order
to reduce the receiver complexity, suboptimal decoders have been widely considered
at the receiver of the SMX systems, which exhibit significant reduction in the error
performance of the system. Spatial modulation (SM), has become one of the most
popular transmission techniques in the past decade. In SM technique, unlike traditional
SMX techniques, only one of the transmit antennas is activated and the information
is transmitted through this active antenna to avoid inter-channel interference (ICI)
at the receiver. Its attractive advantages such as low cost and energy efficiency,
make SM an alternative transmission technique for 5G and beyond wireless networks.
Quadrature spatial modulation (QSM) is one of the most recent SM-based schemes, in
which a complexM-ary quadrature amplitude modulation (QAM) symbol is expanded
into its real and imaginary components and independently transmitted through their
corresponding active antennas.
In this study, first, high-rate generalised spatial modulation (HR-GSM) scheme is
proposed. In HR-GSM, two M-QAM data symbols are independently transmitted
through their corresponding active transmit antennas using classical SM transmission
approach. In the proposed system, while one of the data symbols is directly transmitted
through its corresponding active transmit antenna, the other one is rotated with an
angle, which is optimized for the correspondingM-QAM signal constellation, in order
to distinguish the transmitted signals at the receiver. In the HR-GSM scheme, the
rotation angle for the second M-QAM data symbol is determined by performing an
exhaustive search between 0o 􀀀180o at a certain signal to noise ratio (SNR) value.
The angle, which provides the best error performance, is determined as the optimum
rotation angle of its corresponding M-QAM signal constellations. Through computer
simulations, the optimum rotation angle  for BPSK, 4-QAM and 8-QAM signal
constellations, is determined as 90o, 45o and 60o, respectively. In this study, the
error performance of the HR-GSM system is analysed as well as the average bit
error probability (ABEP) of the system is obtained theoretically and supported via
Monte Carlo simulations for differentM-QAM constellations. Moreover, for different
spectral efficiencies and MIMO configurations, the HR-GSM scheme is compared with classical SM, QSM, generalised SM (GSM) and enhanced SM (ESM) transmission
schemes. Simulation results show the superior error performance of the HR-GSM
scheme over the reference transmission structures in the literature.
Second, since the receiver complexity of the optimum QSM detector grows
quadratically as the number of transmit antennas is increased, to reduce the optimum
detection complexity of the large scale QSM systems, a compressive sensing (CS)
based, low complexity detector is proposed. In the proposed detector, CS technique
has been used for the signal reconstruction of the QSM transmission vector due to
its sparsity property, which has one or two non-zero elements. In this work, for
large scale QSM systems, the reconstruction of received signals has been regarded
as a quadratic optimization problem and resolved by using computer software. Then,
the most probable active antenna set and their corresponding transmission patterns
are determined. After all, a maximum likelihood (ML) type detector determines the
complexM-ary constellation symbol and the corresponding active antennas of the real
and imaginary parts of the data symbol by performing a search over these transmission
patterns and M-ary constellation. This algorithm has been also applied to zero forcing
(ZF) detector. For different MIMO configurations, spectral efficiency values and active
antenna sets, the BER performance of the ML, QP and ZF detectors are compared. The
computer simulation results show that the low-complexity QP algorithm has achieved
a near-ML performance by significantly reducing receiver complexity.
Third, a system called space-time QSM (ST-QSM), which achieves a second
order transmit diversity gain by combining the QSM system with different STBC
transmission principles, is proposed. In ST-QSM system, the total group of transmit
antennas is subdivided into two groups each of which has a number of transmit
antennas that is an integer power of two. In the first time slot, using QSM
approach, two complex M-QAM data symbols are decomposed into their in-phase
and quadrature components and independently transmitted through their corresponding
active antennas belonging to these two antenna groups. In the second time slot,
Alamouti, ABBA or 8-antenna STBC principle is applied to each group depending
on the number of transmit antennas in each of them. In this work, ST-QSM system is
designed for MIMO schemes with 4, 6, 8 and 16 transmit antennas. As an upper bound,
the ABEP of the ST-QSM system, for different MIMO configurations and spectral
efficiency values, is theoretically derived and supported via Monte Carlo simulations.
Furthermore, at the same spectral efficiency values, the ST-QSM scheme is compared
with the space-time block coded SM (STBC-SM), Alamouti STBC and QSM schemes.
It is observed that ST-QSM scheme shows better BER performance than the reference
MIMO transmission structures.
Finally, a new cooperative relaying protocol for the QSM scheme, which is called
two-way QSM, is proposed. In the proposed system, two users exchange their data
with each other via a half-duplex relay that receives or transmits data at one time slot.
In the first time slot, using QSM transmission principle, the users at the same rate
transmit their-own data to the relay. In the second time slot, by applying bit-wise
exclusive OR (XOR) operation to the detected transmission vectors of the users, a new
QSM transmission vector is constructed and retransmitted to the users. After detection
processes, by applying bit-wise XOR operation to its own data and the detected data
transmitted by the relay, each user extracts the data of the other user. Also, the proposed
system has been applied for the classical SM transmission principle, as two-way SM scheme. The pairwise error probability of the proposed two-way QSM and SM
systems are determined, then the upper bound on the ABEP of the systems derived
analytically and through computer simulations. Also, via Monte Carlo simulations,
BER performance of two-way QSM and two-way SM schemes have been obtained for
different MIMO schemes and spectral efficiency values.