Yeniden yapılandırılabilir akıllı yüzey destekli masif çok-girişli çok-çıkışlı sistemlerin milimetre dalga bandında performans analizi
Performance analysis of intelligent reconfigurable surface assisted massive multi-input multi-output systems in millimeter wave band
Yazar: BEYZA ÖNAL
Danışman: PROF. DR. NİHAT KABAOĞLU
İstanbul Medeniyet Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
İletişim teknolojilerindeki muazzam gelişmeler, yeni nesil iletişim sistemlerinin hız, güvenilirlik, maliyet, enerji tüketimi, spektral verimlilik ve sürdürülebilirlik gibi özellikler açısından en uygun şekilde tasarlanmasını gerektirmektedir. Bu bağlamda, milimetre dalga (mmDalga) masif çok-girişli çok-çıkışlı (ÇGÇÇ) sistemler umut verici alternatif bir teknik olmuştur. Ayrıca, bu sistemlere hibrit huzmeleme (HH) tekniğinin uygulanmasıyla sistemdeki yüksek güç tüketimi ve donanım maliyeti azaltılmıştır. Diğer yandan, HH'nin tamamen sayısal olana kıyasla yaşattığı performans kaybını telafi etmek ve donanım maliyetini daha da azaltmak için indis modülasyonu kullanılmıştır. Bunlarla birlikte, mmDalga bandında yüksek yol kaybından kaynaklanan performans kaybı hala büyük bir pratik sorun olmaya devam etmektedir. Yeni nesil ağların kilit teknolojisi haline gelen yeniden yapılandırılabilir akıllı yüzey (YYAY) teknolojisi, telsiz haberleşme kanalının sönümleme etkisini azaltmada etkin bir rol oynadığından bu performans kaybını iyileştirmek için cazip bir çözüm olarak görülmüştür.  
Bu tez çalışmasında, aşağı bağlantı mmDalga iletişimi için çok kullanıcılı masif ÇGÇÇ sistemlere çoklu YYAY şemasının entegre edildiği yeni bir sistem modeli tanıtılmıştır. Çoklu-YYAY-HH olarak adlandırılan bu sistemde, doğrudan iletişime yardımcı olmak için baz istasyonu ve gezgin istasyonlar arasına birden fazla YYAY yerleştirilmiştir. Yansıtılan sinyal, YYAY aracılığıyla, alıcıya doğrudan ulaşan sinyalin fazına hizalanmakta ve böylece alıcıdaki sinyal gücünde artış gerçekleşmektedir. Sistemin spektral verimliliğini artırmak için veri sembolü, anten indisi ve YYAY indisi bilgilerinin birlikte taşınmasına olanak veren uzaysal modülasyon tekniğinden yararlanılmıştır. Sonuç olarak, çoklu anten dizilerinden ve çoklu YYAY'lerden yalnızca biri aktif olduğu için, antenler ve YYAY'ler arasında eş zamanlama ihtiyacı ortadan kalkmakta ve kullanıcılar arası girişim büyük ölçüde önlenmektedir. Böylece, yüksek bit hata oranı performansı, yüksek veri hızı ve yüksek spektral verimlilik elde edilebilmektedir. Önerilen sistemin ön kodlayıcı, huzme yapılandırıcı ve birleştirici tasarımına ek olarak teorik bit hata oranı ve ulaşılabilir hız ifadeleri elde edilmiştir. Ayrıca, ulaşılabilir hız için bir üst sınır türetilmiştir. Benzetim sonuçları, önerilen sistem modelinin performansının, performans metriklerinin teorik sınırlarına yakın olduğunu ve indis modülasyonuna dayalı benzer bir modele göre üstünlüğünü açıkça göstermektedir.

Abstract:
The tremendous developments in communication technologies require next generation communication systems to be optimally designed in terms of rate, reliability, cost, energy consumption, spectral efficiency and sustainability. In this context, millimeter-wave (mmWave) massive multi-input multi-output (MIMO) systems have been a promising alternative technique. Moreover, the application of the hybrid beamforming (HB) technique to these systems has reduced the high power consumption and hardware cost. On the other hand, index modulation has been used to compensate for the performance loss of HB compared to the purely digital one and to further reduce the hardware cost. However, the performance loss due to high path loss in the mmWave band is still a major practical problem. Intelligent reconfigurable surface (IRS) technology, which has become a key technology of next generation networks, has been considered as an attractive solution to improve this performance loss since it plays an active role in reducing the fading effect of the radio communication channel.
In this thesis, a new system model for downlink mmWave communication is introduced in which a multi IRS scheme is integrated into multi-user massive MIMO system. In this system, referred as Multi-IRS-HB, multiple IRSs are deployed between the base station and mobile stations to aid direct communication. The reflected signal is aligned to the phase of the signal that reaches the receiver directly through the IRS, thereby increasing the signal strength at the receiver. In order to increase the spectral efficiency of the system, the spatial modulation technique is used, which allows the data symbol, antenna index and IRS index information to be carried together. As a result, since only one of the multiple antenna arrays is active together with only one of the multiple IRSs, the need for synchronization between antennas and IRSs is eliminated and inter-user interference is largely avoided. Thus, high bit error rate performance, high data rate and high spectral efficiency can be achieved. In addition to the precoder, beamformer and combiner design of the proposed system, theoretical bit error rate and achievable rate expressions are obtained. Furthermore, an upper limit for the achievable rate is derived. The simulation results clearly show that the performance of the proposed system model is close to the theoretical bounds of the performance metrics and is superior to a similar model based on index modulation.