Uyarlanabilir akıllı yüzeyler kullanan indis modülasyon tekniklerinin performans analizi
Performance analysis of index modulation techniques using reconfigurable intelligent surfaces
Yazar: ONUR SALAN
Danışman: PROF. DR. HACI İLHAN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Haberleşme Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Kullanıcıların daha yüksek veri hızı ve daha iyi hizmet kalitesi gibi artan beklentilerini karşılamak için 4. Nesil (4G) çözümlerinin ötesinde yeni sistem modelleri önerilmiştir. Bu kapsamda, geleneksel haberleşme sistemlerine kıyasla donanım basitliğinin yanı sıra spektral ve enerji verimliliği açısından avantajlar sunan İndis Modülasyon(Index Modulation, IM) teknikleri önerilmiştir. IM şemaları, etkin olmayan iletim elemanlarının enerjisini aktif iletim elemanlarında kullanarak enerji verimli bir sistem sunmaktadır. Ayrıca, bilgi iletiminde yeni bir boyut kullanıldığı için donanımsal karmaşıklık artırılmadan sistemin spektral verimliliği artırılabilir. Literatürde çok fazla IM tekniği bulunmakla birlikte, bu tez kapsamında Uzaysal Modülasyon (Spatial Modulation, SM) ve Uzay Kaydırmalı Anahtarlama (Space Shift Keying, SSK) Modülasyonu incelenmektedir. 5. Nesil (5G) haberleşme sistemlerinin artan kullanıcı sayısı ve yeni iletişim modellerinin getirdiği zorlu haberleşme problemleri karşısında yetersiz kalacağı görüşünden dolayı araştırmacılar yayılma ortamının da kontrol edildiği çalışmalara yönelmişlerdir. Bu kapsamda, Uyarlanabilir Akıllı Yüzeyler (Reconfigurable Intelligent Surface, RIS) fikri önerilmiştir. RIS, çok sayıda küçük, düşük bütçeli ve pasif elemanlar yardımıyla herhangi bir enerji ihtiyacı olmadan gelen işareti uygun fazla yansıtır. Bu çalışmada, literatürdeki iki atlamalı iletişimde RIS ve erişim noktası olarak RIS şeklinde önerilen iki farklı RIS-tabanlı haberleşme sistemi teorik hata analiziyle birlikte sunulmaktadır. Hem IM şemalarının hem de RIS tabanlı haberleşme şemalarının sağladığı yüksek spektral verimlilik ve enerji verimliliğini elde etmek için RIS-tabanlı IM sistem modelleri önerilmektedir.

Bu tezde, literatüre katkı olarak RIS-tabanlı SSK ve RIS-tabanlı SM şemalarının düşük karmaşıklıklı Greedy alıcı yapısı kullanılarak Weibull sönümlemeli kanal üzerindeki ortalama bit hata olasılığı (Average Bit Error Probability, ABEP) analitik olarak elde edilmektedir. Dahası, literatürde bulunmayan ve pratik uygulamalar için önemli olarak gördüğümüz Gauss dağılımlı hatalı kanal faz kestirimi durumunda önerilen sistemin hata performans analizi teorik olarak elde edilmektedir. Ayrıca, alıcıdaki işlem yükünü azaltacak derin sinir ağları kullanılarak her iki şema için de bit hata olasılıkları elde edilmektedir. Elde edilen analitik sonuçlar farklı sistem parametreleri kullanılarak düşük sinyal gürültü oranında (Signal-to-Noise Ratio, SNR) Monte-Carlo simülasyon sonuçları ile doğrulanmaktadır.

Abstract:
Researchers have suggested the new system model beyond 4G wireless systems to meet the increasing demand for high data rates and better quality of service. Due to the appealing advantages, they offer in terms of spectral and energy efficiency, as well as hardware simplicity, compared to traditional communication systems, Index Modulation (IM) system has been proposed. IM schemes provide an energy-efficient system by transmitting the energy from the inactive transmit elements to active ones. Also, IM schemes can considerably boost spectral efficiency without increasing hardware complexity because of using the additional dimension for transmitting the information. Although there are many IM techniques in the literature, Spatial Modulation (SM) and Space Shift Keying (SSK) Modulation have been examined within the scope of this thesis. Due to the consensus that 5G will be insufficient the meet the more challenging problems that new user requirements and new networking models may bring, researchers have focused on controlling the propagation environment. Within this context, the researcher proposed the reconfigurable intelligent surface (RIS) based transmission concept. RIS reflects the incident signal with an appropriate phase without any energy consumption using the large number of low-cost and passive elements on the surface. In this study, two conceptual RIS-based transmission systems in the literature, RIS in double-hop communication and RIS as an access point, were examined together with theoretical analysis. Moreover, to achieve the high spectral efficiency and energy efficiency provided by both IM schemes and RIS-based communication schemes, RIS-based Index Modulation schemes are proposed. 

In this thesis, we bring out a novel contribution by examining the theoretical bit average bit error probability of the RIS-based SSK and SM schemes using a low-complexity sub-optimal Greedy detector through Weibull fading channels. For the first time in literature, we present the analytical performance analysis of the proposed system models in the presence of Gaussian distributed erroneous channel phase estimation considered critical for practical applications. Furthermore, deep neural networks are used to obtain bit error probabilities for both schemes, which will reduce the processing load on the receiver. Lastly, we verified the analytical results obtained with Monte-Carlo simulations using different system parameters at low signal-to-noise ratio (SNR).