Çoklu anten iletim tekniklerinden indis modülasyonları ve uygulamaları
Index modulations from multiple antenna transmission techniques and their applications
Yazar: FERHAT BAYAR
Danışman: DOÇ. DR. HACI İLHAN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Haberleşme Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
5. nesil (fifth generation, 5G) ve sonrası gibi gelecek nesil kablosuz iletişim teknolojileri; artan kullanıcı, servis ve uygulama sayıları sebebi ile yüksek veri hızları, enerji verimli˘gine sahip protokoller ve düşük sistem karmaşıklığına ulaşmayı hedeflemektedir. Bu noktada araştırmacılar çoklu anten iletim tekniklerinden olan Uzaysal Modülasyon (Spatial Modulation, SM), Dik Uzaysal Modülasyon (Quadrature Spatial Modulation, QSM) ve Uzay Kaydırmalı Anahtarlama (Space Shift Keying Modulation, SSK) teknikleri üzerine yoğunlaşmışlardır. Geleneksel tek girişli - tek çıkışlı (single-input single-output, SISO) anten tekniklerine karşın çoklu anten iletim teknolojisi yüksek veri oranları, bant verimliliği ve daha iyi hata başarımı sağlamaktadır. Çoklu anten teknolojisi Uzaysal Çoğullama (Vertical-Bell Laboratories Layered Space-Time, V-BLAST) ve Uzay-Zaman Blok Kodlar (Space-Time Block Codes, STBC) gibi iki temel iletim tekniği üzerinden önerilmiştir. Ancak geleneksel bu yöntemlerde kanallar-arası girişim (inter-channel interference, ICI) etkisi, verici antenleri arasındaki senkronizasyon (inter-antenna sychronization, IAS) ve çoklu radyo frekans zincir devrelerine ihtiyaç gibi karmaşıklık ve sistem maliyetini arttıran problemler bulunmaktadır. Dolayısıyla bu etkenler araştırmacıları yeni yöntemlerin incelenmesine yönlendirmiştir. SM iletim tekniği var olan MIMO iletim tekniklerine seçenek olarak önerilmiş umut vaad edici bir yöntem olarak ortaya
çıkmaktadır. SM iletim tekniği, bilgi aktarmak için aktif verici anten indisleri ve sinyal sembol kümesini (constellation) birlikte kullanan düşük karmaşıklı MIMO sistemidir. Bu iletim tekniğinde, verici tarafında yalnızca bir anten aktif olarak görev yapmaktadır. Böylelikle antenler arası senkronizasyon, ICI etkisi ortadan kaldırılmaktadır. Her iletim zamanında, tek anten görev yaptı˘gı için fazladan enerji tüketiminin önüne geçilmektedir. Çe¸sitli modülasyon dereceleri ve anten sayıları altında yüksek bant verimlilikleri ve veri hızları elde edilebilmektedir. Bu tezde; Uzaysal Modülasyon, Dik Uzaysal Modülasyon, Uzay Kaydırmalı Anahtarlama Modülasyon tekniklerinin çeşitli sönümleme kanalları altında sistem modelleri ve hata başarım performansları incelenmektedir. İlaveten, alıcıda hatalı kanal kestirimi durumunda, hata performansının değişimi analitik ve benzetim sonuçları ile karşılaştırmalı olarak verilmektedir. Karmaşık biçimde üretilen kanalın, faz bileşeninin önerilen sistem modellerinin hata performansı üzerindeki etkisi tartışılmakta ve benzetim sonuçları ile ortaya konulmaktadır. QSM, SM ve SSK sitemlerinin çeşitli sönümlemeli kanallar üzerindeki ortalama bit hata oranı (avarage bit error rate, ABER), kapalı formda çiftsel hata olasılığı ( eror probabilty, PEP) ve birleşim sınır (unioun bound) tanımı ile analitik olarak elde edilmekte ve yapılan analitik çıkarımların doğruluğu benzetim sonuçları ile karşılaştırılarak gösterilmektedir. Dahası, QSM iletim tekniğinin çift Nakagami- m sönümlemeli kanallar üzerindeki ABER performansı benzetimsel ve analitik olarak ortaya konulmaktadır. Son olarak, SM iletim tekniği kanal kodlama tekniklerinden olan düşük yoğunluklu eşlik denetim kod (low density parity check code, LDPC) yapısı ile birleştirilmekte ve bit hata oranı performansı bilgisayar benzetimleri ile elde edilmektedir.

Abstract:
Future wireless technologies, such as 5G and beyond, aim to achieve much bigger data rate, energy efficient protocols and hardware simplicity due to huge growth in user, application and service numbers. At this point, researchers focused on multiple antenna transmission techniques, such as spatial modulation (SM), space shift keying (SSK) and quadrature spatial modulation (QSM) which are multiple antenna transmission techniques.
In contrast to conventional single-input single-output (SISO) antenna techniques, multiple antenna technologies provide better high speed data rates, spectral efficiency and better error rate performance. Multiple antenna technology is proposed by two main transmission technique such as Vertical-Bell Laboratories Layered Space-Time (V-BLAST) and Space-Time Block Codes (STBC). However, there are several problems such as inter-channel interference (ICI) effect, inter-antenna sychronization (IAS) and multiple radio frequency (RF) chain requierements which increase the system complexity and costs in this traditional techniques. Therefore, these factors pushed the researchers to seek new methods. The SM transmission technique is proposed for emerging as a promising method in existing MIMO transmission techniques . The SM is a low-complexity MIMO transmition scheme which exploits the active antenna indexes and the transmitted signal constellation to convey information. In the SM transmission technique, one to one mapping is established between the active antenna index and symbol from the signal constellation diagram. Thus, transmitter antennas are utilized to carry additional information bits. In addition, only one antenna is active at each transmission time instant. Therefore, using only one RF chain is enough, also ICI is entirely avoided and there is no need to antenna synchronization at the transmitter. The SM transmission technique uses an active transmitter antenna index and a symbol from constellation signal to transmit information. In the SM transmission technique, only one antenna is active on the transmitter side. Thus, the inter-antenna synchronization ve ICI effect are eliminated. For the reason the only one transmitter antenna, additional energy consumption is avoided. High spectral efficiencies and data rates can be achieved under the various modulation order and transmitter antenna numbers. In this thesis; system concepts and error performance of SM, QSM, SSK Modulation techniques under the different fading channels such as Rayleigh, Nakagami-m,Weibull are investigated. In addition, variation of error peformance is presented by comparing analytical and simulation results in case of channel estimation error at the receiver side. Phase component effect of generated in complex form channel on error performance of proposed schemes are discussed and demonstrated with simulation results. The avarage bit error rate (ABER) of QSM, SM, SSK over different fading channels is analytically obtained by definition of upper bound Chernoff expression and in closed form pairwise eror probability (PEP). In addition, analytical results are proven with the presented simulation results. Plus, the error performance of QSM system over double Nakagami-m fading channels are presented as both analytically and simulation results. Finally, the SM transmission technique is combined with the low density parity check code (LDPC) which is channel coding techniques, and the bit error rate performance is obtained by Monte Carlo simulations results.