Akıllı yansıtıcı yüzey destekli telsiz haberleşme sistemi ve insansız hava aracı konumlandırma
Reconfigurable intelligent surface-assisted wireless communication system and unmanned aerial vehicles positioning
Yazar: EMİR ASLANDOĞAN
Danışman: DR. MEHMET AKİF YAZICI
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / İletişim Sistemleri Ana Bilim Dalı / Uydu Haberleşmesi ve Uzaktan Algılama Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Akıllı yansıtıcı yüzeyler (Reconfigurable Intelligent Surface, RIS) telsiz haberleşme sistemlerindeki kullanım olasılığı ve bunu destekleyen  bir çok çalışma bu teknolojinin hem endüstriyel hem de akademik anlamda dikkat çekmesini sağlamıştır. Olağan haberleşme sistemlerinin propagasyon ortamı üzerindeki kabiliyeti oldukça sınırlıydı. Meta malzemelerin geliştirilmesi ve buna bağlı olarak RIS'ler üzerine yapılan çalışmalar propagasyon ortamı üzerindeki kabiliyetimizi artırdı. Bu sebeple telsiz haberleşme sistemlerindeki kanallara ait beklenmeyen bozucu etkilerin ve uygulamalarda karşılaşılan sınırlamaların RIS teknolojisi ile birlikte oldukça azalacağı öngörülmektedir. 
RIS'ler düşük maliyetli küçük devre elemanlarından oluşmaktadır. Bu sebeple üretim maliyeti açısından günümüz teknolojilerine yükü çok fazla olmayacaktır. Ayrıca bina ve araç yüzeylerine kolaylıkla entegre edilebilir yapıdadır. Bu, RIS teknolojisinin kolaylıkla ve düşük maliyetle kurulumunun yapılacağını göstermektedir. 
Tezin amacı RIS'in İHA konumlandırma ve güzergah oluşturma sistemlerinde, sabit ve hareketli kullanıcıların bulunduğu telsiz haberleşme sistemi için optimizasyon algoritması kullanarak enerji performansı iyileşmesi sağladığını göstermektir. Bu kapsamda RIS'in İHA'ya entegre edildiği iki kullanıcılı telsiz haberleşme sistemi üzerinden RIS'in performans analizi gerçekleştirilmiştir. Tezin ikinci bölümünde ise sabit kullanıcıların bulunduğu İHA güzergah belirleme çalışmasından yararlanarak, hareketli kullanıcılar için İHA konumlandırma ve güzergah oluşturma sistemi oluşturulmuştur. Bu kapsamda iki sisteme ait performans analizleri optimizasyon algoritması üzerinden gerçekleştirilmiştir. 
İlk olarak bu tezde RIS'lerin olası kullanım senaryoları üzerine bilgi verildi. Milimetre dalga haberleşme, eş zamanlı bilgi ve güç transferi, fiziksel katman güvenliği, mobil uç hesaplama, cihaz-cihaz haberleşmesi ve insansız hava aracı haberleşmesi alanında yapılan çalışmalardan bahsedildi. 
Sonraki kısımda RIS yapısı ve çalışma prensibi incelendi. Üç farklı RIS türü hakkında bilgi verildi. Ayrıca RIS kanal modellerinden bahsedildi. Oluşturulan RIS destekli telsiz haberleşme sistemi sönümleme ve gölgeleme etkisinde olduğundan belli başlı sönümleme ve gölgeleme modellerine de değinildi.
Bu tezin diğer kısmında RIS üzerine performans analizi gerçekleştirilmiştir. Görüş hattı iletiminin olmadığı ve ortamdaki bozucu etkilerin var olduğu ortam göz önünde bulundurulmuştur. Bu sebeple görüş hattı iletiminin olmadığı senaryo için sönümleme ve gölgeleme etkisi varlığında sistem modeli oluşturulup kesinti olasılığı üzerinden sistem performansı incelenmiştir. Oluşturulan sistemde RIS'in İHA'ya entegre edildiği düşünüldü. Öncelikle iki kullanıcılı sistem için RIS üzerinde bulunan yansıtıcı eleman sayısına bağlı olarak kesinti olasılığının değişimi gözlemlenmiştir. Bu işlem gerçekleştirilirken Nakagami-m sönümleme ve ters Gamma gölgeleme etkisi altında sonuçlar elde edilmiştir. Yansıtıcı eleman sayısının kesinti olasılığına etkisini doğru gözlemlemek için sönümleme ve gölgeleme parametreleri bu inceleme esnasında sabit tutulmuştur. Elde edilen sonuçlarda yansıtıcı eleman sayısı artışının transfer için gereken verici gücünü ciddi miktarda düşürdüğü gözlemlenmiştir. Örneğin -2.5 dB verici SNR değeri için N=8 yansıtıcı eleman sayısında kesinti olasılığı değeri 3.7x10^-1 olarak hesaplanırken N=16 yansıtıcı eleman sayısında kesinti olasılığı değeri 1.6x10^-3 olarak hesaplanmıştır.
Oluşturulan sistem modelinde bir diğer gerçekleştirilen inceleme gölgeleme ve sönümleme etkisinin şiddetidir. Bu inceleme yapılırken yansıtıcı eleman sayısı ve RIS ve kullanıcılara ait mesafeler sabit tutulmuştur. Nakagami-m sönümleme ve ters Gamma gölgeleme etkisinin incelenmesi için bu modellere ait biçim parametreleri değiştirilmiştir. m=1,1.5,2 ve α=2,2.5,3 değerleri için kesinti olasılığı hesaplanmıştır. Sönümleme ve gölgeleme etkisinin kanal performansını düşürdüğü ve kesinti olasılığı üzerinde artırıcı etki yaptığı görülmüştür. Kötü kanal koşullarında belirli kesinti olasılığı değeri altında kalmak için daha fazla verici gücü harcanacağı gözlemlenmiştir. RIS üzerine yapılan bu çalışma ile telsiz haberleşme sistemlerinde RIS'in sistem performansını artıracağı gözlemlenmiştir. 
Bu bulgular doğrultusunda, RIS teknolojisinin İHA konumlandırma ve güzergah planlama uygulamalarında kullanılabilirliği vurgulanmıştır. Sabit ve hareketli kullanıcılar için, RIS'li ve RIS'siz telsiz haberleşme sistemleri üzerinde ayrı ayrı İHA güzergah optimizasyonu üzerine çalışılmıştır. Ayrıca, RIS varlığında faz optimizasyonu sağlandığında performans analizi yapılmıştır. 
İlk aşamada, sabit ve hareketli kullanıcılar için RIS+P, RIS-P ve NO-RIS senaryoları için 3-boyutlu güzergahlar oluşturulmuştur. Bu güzergahlar, sistem enerji performansını doğrudan etkilemektedir. Hareketli kullanıcıların bulunduğu senaryoda, sistem performansında düşüş gözlemlenmiştir. Ancak RIS+P ve RIS-P senaryolarının, NO-RIS senaryosuna göre enerji performansını önemli ölçüde artırdığı ve enerji verimliliğini sağladığı görülmüştür. Sonuç olarak, bu bulgular, RIS teknolojisinin kullanılmasının, İHA uygulamalarındaki enerji performansını geliştirme potansiyeline sahip olduğunu göstermektedir.
Benzer şekilde, sabit ve hareketli kullanıcılar için ayrı ayrı sistemin ortalama veri hızı ve throughput performansları incelenmiştir. RIS'in kullanıldığı senaryolarda performans iyileşmesi gözlemlenmiştir.
Bu tezde, telsiz haberleşme sistemlerinde kullanılmak üzere geliştirilen İHA ve RIS teknolojilerinin etkinliği incelenmiştir. Elde edilen sonuçlar, RIS destekli İHA konumlandırma uygulamalarının hem sabir hem de hareketli kullanıcılar için enerji performansı açısından avantajlı olduğunu göstermektedir. Bu nedenle, gelecekte İHA konumlandırma ve güzergah oluşturma uygulamalarında RIS'in kullanılacağı öngörülmektedir.

Abstract:
The potential use of Reconfigurable Intelligent Surfaces (RIS) in wireless communication systems, and numerous studies supporting this technology, have drawn significant attention in both industrial and academic fields. The propagation capability of conventional communication systems was limited by the propagation environment. The development of metamaterials and related studies on RIS have increased our propagation capability. Therefore, it is predicted that the unwanted disruptive effects on communication system channels and limitations encountered in applications will significantly decrease with the use of RIS technology in wireless communication systems.
RISs consist of low-cost small circuit elements. Therefore, in terms of production cost, it will not burden current technologies significantly. Moreover, they can be easily integrated into building and vehicle surfaces. This demonstrates the ease and low cost of installing RIS technology.
The objective of this thesis is to demonstrate the enhancement of energy performance in the wireless communication system, which includes stationary and mobile users, for the positioning and trajectory design of Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) through the utilization of optimization algorithm. In this regard, the performance analysis of the RIS is conducted through two wireless communication systems with two users, where the RIS is integrated into the UAV. The second section of the thesis involves the creation of a UAV positioning and trajectory for mobile users, utilizing the UAV trajectory determination process for stationary users. The performance analyses of the two systems are conducted using optimization algorithm.
First, this thesis provides information on potential use cases for RIS. It discusses studies conducted in the areas of millimeter-wave communication, simultaneous information and power transfer, physical layer security, mobile edge computing, device-to-device communication, and unmanned aerial vehicle communication.
In the next section, the structure and operating principle of RIS were examined. Information was provided about three different types of RIS. Additionally, RIS channel models were discussed. Since the RIS-supported wireless communication system is subject to fading and shadowing effects, some major fading and shadowing models were also addressed.
In the next part of this thesis, performance analysis was carried out on RIS. The scenario where line-of-sight transmission is not available and there are environmental impairments was taken into consideration. Therefore, a system model was created with the presence of fading and shadowing effects for the scenario where line-of-sight transmission is not available, and the system performance was examined through the outage probability. In the system created, RIS was assumed to be integrated into an unmanned aerial vehicle (UAV). Firstly, the change in outage probability was observed depending on the number of reflective elements on RIS for the two-user system. Results were obtained under Nakagami-m fading and inverse Gamma shadowing effects. During this examination, fading and shadowing parameters were kept constant to observe the effect of the number of reflective elements on outage probability accurately. It was observed that an increase in the number of reflective elements significantly reduces the required transmitter power for transmission. For example, for a transmitter SNR value of -2.5 dB, the outage probability value was calculated as 3.7x10^-1 for N=8 reflective elements and 1.6x10^-3 for N=16 reflective elements.
In the other part of this thesis, performance analysis was conducted on RIS. The scenario where line-of-sight transmission is not available and there are disruptive effects in the environment was considered. Therefore, a system model was created with the presence of attenuation and shadowing effects to examine system performance based on outage probability. In the created system, it was assumed that RIS was integrated into an unmanned aerial vehicle (UAV). Firstly, the change in outage probability depending on the number of reflective elements on RIS was observed for a two-user system. Results were obtained under Nakagami-m fading and inverse Gamma shadowing effects. The attenuation and shadowing parameters were kept constant during this examination to accurately observe the impact of the number of reflective elements on outage probability. It was observed that an increase in the number of reflective elements significantly reduced the required transmitter power for transmission. For example, for a transmitter SNR value of -2.5 dB, the outage probability value was calculated as 3.7x10^-1 for N = 8 reflective elements, while it was calculated as 1.6x10^-3 for N = 16 reflective elements.
In the system model created, another examination was conducted on the intensity of shadowing and fading effects. The number of reflective elements and the distances between RIS and users were kept constant during this examination. The shape parameters of these models were changed to investigate the Nakagami-m fading and inverse Gamma shadowing effects for m = 1, 1.5, 2, and α = 2, 2.5, 3 values. The outage probability was calculated for these values. It was observed that the fading and shadowing effects reduce the channel performance and increase the outage probability. It was also observed that in poor channel conditions, more transmitter power would be required to remain below a certain outage probability value. With this study on RIS, it was observed that RIS can improve the system performance in wireless communication systems.
In light of these findings, the usability of the RIS technology in UAV positioning and trajectory determination applications is emphasized. For stationary and mobile users, separate investigations were conducted on UAV trajectory optimization in wireless communication systems with and without the RIS. Additionally, performance analyses were conducted when phase optimization was achieved in the presence of the RIS.
In the first part, 3D trajectories were generated for RIS+P, RIS-P, and NO-RIS scenarios for both stationary and mobile users. These trajectories directly affect the energy performance of the system. In the scenario with mobile users, a decrease in system performance was observed. However, it was observed that RIS+P and RIS-P scenarios significantly increased energy performance and provided energy efficiency compared to the NO-RIS scenario. As a result, these findings demonstrate the potential of using RIS technology to improve energy performance in UAV positioning and trajectory generation applications.
Similarly, average data rate and throughput performance of the system have been analyzed separately for stationary and mobile users. Performance improvement has been observed in scenarios where RIS is used.
This thesis examines the effectiveness of UAV and RIS technologies developed for use in wireless communication systems. The results indicate that RIS-assisted UAV positioning applications are advantageous in terms of energy performance for both stationary and mobile users. Therefore, it is anticipated that RIS will be used in future UAV positioning and trajectory designing applications.