Genelleştirilmiş frekans bölmeli çoklu erişim tekniğinin akıllı yüzeylerdeki performansının incelenmesi
Investigation of the performance of generalized frequency division multiplexing access technique on large intelligent surfaces
Yazar: RAMAZAN AYDEMİR
Danışman: PROF. DR. HACI İLHAN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Haberleşme Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Bant genişliği = Band width ; Frekans bölmeli çoğullama = Frequency division multiplexing ; Hata olasılığı = Error probability

Özet:
Son yıllarda, birçok kablosuz teknoloji, dijital verileri çoklu taşıyıcı frekansları üzerinden kodlamak için popüler bir şema olarak Dikgen Frekans Bölmeli Çoğullama (OFDM) şemasını benimsemiştir. OFDM, geniş bant iletişim için mevcut ve geçmişteki kablosuz standartlarda egemenliğini sürdürürken, Genelleştirilmiş Frekans Bölmeli Çoğullama (GFDM), 5G için aday dalga biçimlerini araştıranlar arasında, iyi bilinen sınırlamaları nedeniyle OFDM'nin yerine tercih edilmeye başlanmıştır. OFDM, her veri paketinin önemli bir kısmı döngüsel önek (CP) bölümlerine tahsis edildiğinden, bant genişliği verimsizliğine sahiptir. Bununla birlikte, yeni uygulamalar ortaya çıkmakta ve OFDM tarafından çok iyi bir şekilde ele alınamayan iletişim sistemlerine yeni gereksinimler getirmektedir. Bu, iletim sinyalinin spektrumunu şekillendirebilen, frekans çevik, ölçeklenebilir bir geniş bant sistemi gerektirir. Önemi artan başka bir durum ise, önemli yönlerin enerji verimliliği, trafik, aktarım hızı, gecikme süresi, hizmet kalitesi ve mobilite için değişen gereksinimleri olan son derece büyük sayıda kullanıcıyı idare etme yeteneği olduğu makineler arası iletişimdir. Pille çalışan cihazlar için bu, eş zamansızlığa dayanıklı, küçük iletişim ek yükü olan şemalar gerektirir. Güç bir sorun olmadığında, genellikle artan bir bant genişliği verimliliği istenir. Bu yönleri ele almak için tercih edilen GFDM, filtre bankası (filter bank) yaklaşımına dayanan dijital birçok taşıyıcılı konsepttir. Planın gücü, yüksek esnekliğinde yatmaktadır. Veriler, zaman ve frekansa yayılan iki boyutlu bir blok yapısına yayılabilir. İletim sinyali, ayarlanabilir darbe şekillendirme filtreleriyle elde edilen güçlü frekans lokalizasyonu sergiler. Ayrıca, aksi takdirde filtre kuyruklarından meydana gelebilecek hız kaybını önlemek için kuyruk ısırma (tail biting) uygulanır ve veriler çok yollu bir kanaldan iletildiğinde basit bir eşitleme yolu sağlamak için döngüsel önek tekniği kullanılır. Bununla birlikte, değişken darbe şekillendirme filtrelerinin tanıtılmasıyla, alt taşıyıcılar arasındaki dikgenlik etkilenir. Sonuç olarak, kendi kendine indüklenen ara taşıyıcı ve semboller arası girişimlerin hesaba katılması gerekir.
Öte yandan, Geniş Akıllı Yüzeyler (LIS) içeren çeşitli yöntemler, spektral verimliliği artırmak ve iletim güç tüketimini en aza indirmek arasındaki soruna bir çözüm olarak önerilmiştir. LIS, sahip olduğu birden fazla düşük maliyetli reflektör dizileriyle vericiden gelen sinyalleri ayarlanabilir faz kaymalarıyla yansıtabilir. LIS donanımlı sistemler, çeşitli senaryolarının gereksinimlerini karşılayan dijital iletişim sistemlerinden ultra güvenilirlik, yüksek spektral ve güç verimliliğinden yararlanır.
Bu tezde, verici olarak bir baz istasyonu, LIS ve MMSE alıcısı olarak bir hedef arasında GFDM kablosuz iletişim dalga biçimini kullanan yeni nesil kablosuz iletişim sistemi önerilmiştir ve performansı incelenmiştir. Önerilen bu sistemde, hem kaynak ile LIS arasındaki kanalın hem de LIS ile hedef arasındaki kanalın Rayleigh sönümlü kanallar olduğu varsayılır.  LIS sayesinde sistemin performansının artırılacağı düşünülüyor. LIS, alıcıdaki sinyal kalitesini iyileştirmek için kasıtlı olarak gelen dalgaların fazlarını değiştirir. Ayrıca, önerilen LIS Destekli GFDM sisteminde yeni nesil kablosuz iletişim sistemleri düşünüldüğünde çok fazla aygıt haberleşmeye katılacak ve bununla birlikte veri akışı da çok fazla olacaktır. Yoğun veri akışının olduğu bu tarz senaryolarda enerjiden tasarruf etmek amaçlı ayrıca sistemde Zaman Anahtarlamalı Aktarım (TSR) enerji hasatlama protokolü tercih edilmiş ve enerji hasadı sonrasında sistemin performansına etkisi bilgisayar benzetimleriyle karşılaştırılmıştır. Önerilen LIS Destekli GFDM sisteminin doğruluğu bilgisayar benzetimleriyle değerlendirilmiştir.

Abstract:
In recent years, many wireless technologies have adopted Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) scheme as a popular scheme for encoding digital data over multi-carrier frequencies. While orthogonal frequency division multiplexing continues to dominate current and past wireless standards for broadband communication, Generalized Frequency Division Multiplexing (GFDM) has come to be preferred over OFDM among those researching candidate waveforms for 5G due to its well-known limitations. OFDM has bandwidth inefficiency as a significant portion of each data packet is allocated to cyclic prefix (CP) segments. However, new applications are emerging and placing new requirements on communication systems that cannot be handled very well by OFDM. This requires a frequency agile, scalable broadband system that can shape the spectrum of the transmission signal. Another increasingly important case is machine-to-machine communication, where key aspects are the ability to handle an extremely large number of users with varying requirements for energy efficiency, traffic, throughput, latency, quality of service, and mobility. For battery powered devices this requires schemes that are asynchronous resistant, with little communication overhead. When power is not an issue, increased bandwidth efficiency is often desired. To address these aspects, the preferred GFDM is a digital multi-carrier concept based on the filter bank approach. The strength of the plan lies in its high flexibility. Data can span a two-dimensional block structure spanning time and frequency. The transmit signal exhibits strong frequency localization achieved by adjustable pulse shaping filters. Also, tail biting is applied to avoid the speed loss that would otherwise occur from filter queues, and the cyclic prefix technique is used to provide a simple equalization path when data is transmitted over a multipath channel. However, with the introduction of variable pulse shaping filters, the orthogonality between subcarriers is affected. Consequently, self-induced intercarrier and intersymbol interference need to be considered.
On the other hand, various methods involving Large Intelligent Surface (LIS) have been proposed as a solution to the problem between increasing spectral efficiency and minimizing transmission power consumption. The LIS has multiple low-cost reflector arrays and can reflect signals from the transmitter with adjustable phase shifts. LIS-equipped systems benefit from ultra-reliability, high spectral and power efficiency from digital communication systems that meet the requirements of their various scenarios.
In this thesis, the performance of the system using the GFDM wireless communication waveform between a base station as a transmitter, LIS and a destination as MMSE receiver is investigated. In this proposed system, both the channel between the source and the LIS and the channel between the LIS and the target are assumed to be Rayleigh fading channels. It is thought to increase that the performance of the system thanks to LIS. LIS deliberately change the phases of incoming waves to improve the signal quality at the receiver. In addition, considering the new generation wireless communication systems in the proposed LIS Aided GFDM system, too many devices will participate in the communication and the data flow will be too high. To save energy in such scenarios with intense data flow, Time Switching-Based Relaying (TSR) energy harvesting protocol was also preferred in the system and its effect on the performance of the system after energy harvesting was compared with computer simulations. The accuracy of the proposed LIS Aided GFDM system has been evaluated by computer simulations.