RIS-röle donanımlı İHA ağları: Yeni tasarımlar ve performans analizleri
RIS-relay equipped UAV networks: New designs and performance analyses
Yazar: AHMET MUAZ AKTAŞ
Danışman: PROF. DR. İBRAHİM ALTUNBAŞ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Telekomünikasyon Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Gelecek nesil haberleşme sistemleri için artan veri ve kapasite ihtiyacını karşılamak açısından yüksek veri hızı ve enerji verimliliği sağlayan teknolojilerin kullanılması önemlidir. Sistemin uçtan uca işaret gürültü oranı (SNR) değerine göre daha yüksek performans elde edebilmek için bu teknolojiler birbiriyle entegre biçimde çalışmalıdır. Karasal olmayan haberleşme ağları (non-terrestrial networks, NTN) gelecek nesil haberleşme sistemlerinde küresel boyutlara ulaşabilen kapsama alanı ve hareket kabiliyeti sunarak, acil durum senaryoları vb. kritik durumlarda haberleşme altyapısını tekrar ayağa kaldıracak potansiyele sahiptir. Yeni nesil haberleşme sistemlerinde karasal baz istasyonları, yüksek frekanslarda öngörülen veri ihtiyacını karşılamak için destekleyici sistemlere ihtiyaç duymaktadır. Karada bulunan engeller ve bozucu etkenler, performansı azaltmaktadır. Ayrıca haberleşme kapsama alanının artırılması karasal baz istasyonları ile daha maliyetlidir. Özellikle haberleşme verisini ulaştırmanın daha zor olduğu uzak kırsal bölgelerde ve yoğun, yüksek katlı şehir ortamlarında karasal olmayan ağlar ile birlikte kullanım düşünülebilir. Günümüzde Starlink gibi alçak dünya yörüngesi (low earth orbit, LEO) üzerindeki haberleşme uyduları küresel çapta haberleşme hizmeti sunmaktadır. Ancak LEO uydu sistemlerinin, fırlatma ve yörüngeye yerleştirilmesi açısından yüksek maliyetli olması ve sabit hedeflere uzun süreli hizmet verememesi gibi dezavantajlı yanları bulunmaktadır. Karasal olmayan ağlarda bir diğer katmanı oluşturan HAPS (yüksek irtifa platform sistemleri, high-altitude platform systems) kullanılarak stratosfer tabakasından kullanıcılara kesintisiz haberleşme hizmeti sağlanabilir. Günümüzde daha alçak yörüngede, maliyet açısından çok daha uygun insansız hava aracı (İHA) sistemleri öne çıkmaktadır. İHA'lar havasal baz istasyonu, röle gibi teknolojilerle bütünleşik kullanılabilmektedir. Ayrıca sabit karasal sistemlere hareket kabiliyeti ekleyebilmektedir. Gerek yüksek katlı ve yoğun şehir ortamlarındaki binalar arasında, gerekse kırsal alanlarda uzun mesafelerde kapsama alanının artırılabilmesi için İHA'lar, karasal ağlara nazaran kuvvetli bir alternatiftir. Diğer yandan, malesef ülkemizde çok sık meydana gelen deprem gibi büyük felaketler ve acil durumlarda haberleşme altyapısının çökmesi halinde, karasal olmayan ağlar, bu felaketler esnasında tahrip olan haberleşme sistemlerine alternatif olabilmektedir. Yeniden ayarlanabilir akıllı yüzeyler (reconfigurable intelligent surfaces, RIS) yeni nesil haberleşme sistemlerinde veri iletimi, kapasite artışı gibi ihtiyaçların karşılanması için bir diğer destekleyici çözüm olarak önerilmektedir. RIS'ler verici ve alıcı arasındaki haberleşme performansını iyileştirmek için vericiden gelen elektromanyetik dalganın çoklu anten yapısı ile fazını değiştirerek yönlendirilmesiyle sistem performansına hüzme biçimlendirme kazancı sağlamaktadır. Ayrıca aktif kuvvetlendirici devrelerin kullanıldığı aktif RIS yapısında gelen işaretin hem fazını hem de genliğini değiştirerek çok daha yüksek performans artışı sağlayabilir. Kapsama alanının ve hata performansının artırılması adına bu tez kapsamında kaskat ve çok hatlı kaskat RIS sistemleri önerilmektedir. Kaskat yapıda, birden fazla İHA-RIS düğümü üzerinden mesaj işareti alıcıya ulaştırılır. Her bir İHA-RIS düğümünün arasındaki yol kayıpları çarpımsal yol kaybı etkisini ortaya çıkarmaktadır. Kaskat sistemlerde çarpımsal yol kaybı etkisini azaltmak için aktif RIS'ler kullanılarak hem hüzme biçimlendirme hem de kuvvetlendirici devre eleman kazançlarından yararlanılarak sistem performansı artırılabilir. Yüksek katlı yoğun şehir ortamlarında, engeller nedeniyle haberleşme kalitesi düşebilmektedir. Bu ortamlarda LOS (Açık Görüş Hattı, Line of Sight) alanını artırmak ve bütün noktalara veri transferi sağlayabilmek için kaskat İHA'larla birlikte bu İHA'lara monte edilmiş RIS yapıları bahsettiğimiz problemlere çözüm sunabilir. Bu bağlamda, öncelikle senaryoya uygun büyük ölçekli ve küçük ölçekli kanal modelleri araştırılmıştır. Büyük ölçekli kanal modeli için, İHA teknolojileri içeren sistemlerin maruz kalabileceği çevresel faktörlere uygun bir benzetim ortamı oluşturulmuştur. Böylece İHA'nın üç boyutlu ortam üzerinde büyük ölçekli yol kaybı parametreleri incelenmiştir. İşaret gürültü oranı (signal to noise ratio, SNR) değeri üzerinden  sistem performansı  analiz edilmiştir. Bilinen boş uzay yol kaybı parametrelerinin yanı sıra havasal yol kaybı değeri hesaplanmıştır. İHA veya İHA'ya monte edilmiş RIS sistemlerinin boş uzay yol kaybı etkisi ve havasal yol kaybı etkisine maruz kaldığı durumlar birbiri ile karşılaştırılmıştır. Oluşturulan büyük ölçekli yol kaybı benzetim ortamında, görünür olma olasılığı esas alınmaktadır. Görünür olma olasılığı değerine bağlı olarak farklı katsayı değerleri büyük ölçekli yol kaybı için uygulanmış ve gerçek bir üç boyutlu İHA sistem modeli oluşturulmuştur. Büyük ölçekli yol kaybı parametrelerinin elde edilmesinin ardından küçük ölçekli yol kaybı parametreleri belirlenmiştir. Sistem modeli oluşturulurken her bir RIS elemanına gelen ve yansıyan kanalın genlik katsayısı Nakagami-$m$ dağılımlı rastgele değişkenler ile modellenmiştir. Kanalların fazları ele alındığında, literatürde tek bir RIS ile oluşturulan sistem modellerinde verici ile RIS ve RIS ile alıcı arasındaki kanallarda ortaya çıkan faz değerleri RIS elemanlarının faz konfigürasyonu ile kompanze edilmektedir. Ancak kaskat RIS yapısında ortaya çıkan kanalların faz değerleri, düzgün dağılımlı rastlantı değişkeni olarak modellenmiştir. Kaskat pasif RIS sistem modeli aktif RIS teknolojisi ile güçlendirilmiştir. Aktif RIS'te kullanılan kuvvetlendirici devre elemanları sayesinde her bir kanal için genlik katsayısı değeri artırılmıştır. Aktif kuvvetlendirici devre elemanından kaynaklı dinamik gürültü nedeniyle oluşan faz gürültüsü, pasif RIS durumunda ele alınan faz değerleri ile birlikte düzgün dağılımlı rastlantı değişkeni ile modellenir. Aktif RIS yapısında, kuvvetlendirici elemandan kaynaklı olarak harcanan güç miktarı artacaktır. Bu çalışma kapsamında sistem modeli oluşturulduktan sonra aktif RIS sisteminin enerji verimliliği hesabı yapılmaktadır. Kullanılan kuvvetlendirme katsayılarına rağmen aktif RIS yapısının enerji verimliliğinin pasif RIS sistemlerine göre daha yüksek olduğu analiz edilmiştir. Her iki durumda toplam harcanan gücün eşit dağıtıldığı farklı senaryolar ele alınmış, SNR performansı bakımından karşılaştırma yapıldığında aktif RIS durumunda çok daha avantajlı bir sistem modeli oluştuğu ortaya çıkmıştır. Küçük ölçekli kanal modellemesi için Nakagami-$m$ dağılımlı rastgele değişkenlerin toplamları gamma dağılımlı rastgele değişkenli bir kanal modeline yakınsatılmış ve bu yakınsama, teorik ve benzetim sonuçları ile doğrulanmıştır. Kaskat pasif ve aktif RIS kullanılması durumunda kesinti olasılığı ve bit hata olasılığı denklemleri kapalı formda gösterilmiş ve teorik performans eğrileri benzetim sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Bu çalışmada kaskat aktif RIS yapısının yanı sıra RIS seçimi algoritması kullanılmıştır. İlk durumda kaskat RIS sisteminde tek hatlı yapı bulunmaktadır. Yeni sistem modelinde her bir atlamada birden fazla RIS donanımlı İHA birinci fazla kaynaktan gelen işareti almaktadır. Her bir RIS donanımlı İHA üzerine gelen işaretin SNR bilgisi vericiye geri bildirim olarak gönderilir. Birinci fazda elde edilen SNR'ler arasında karşılaştırma yapılarak en yüksek SNR değerine sahip kanal belirlenir. Sonraki fazda iletim, en güçlü anlık SNR'ye sahip olan kanal üzerinden devam etmiştir. Bu işlem birinci fazda seçilen RIS donanımlı kaskat İHA-RIS kanalı üzerinden devam ederek alıcıya ulaşır. Bu senaryoda elde edilen sistem performansı incelenmiş ve RIS seçimi algoritmasının sağladığı iyileştirme gözlemlenmiştir. 
Havasal haberleşme bakımından İHA'lara entegre RIS sistemlerinin yanında İHA'lara entegre röle sistemleri hakkında literatür incelenmiştir. Karasal haberleşme için kullanılan röle sistemlerine alternatif olarak, havasal haberleşmenin avantajlarından yararlanan sistemler geleneksel sistemlere nazaran daha üstün konumdadır. Tasarlanan kaskat çok hatlı İHA-RIS sistem modelinin ardından çok atlamalı çok hatlı hibrit İHA-RIS/röle sistem modeli önerilmiştir. Çalışma kapsamında İHA-RIS sistem modelinde çıkarımları yapılmış olan kanal modellemeleri, röle sistem modeliyle hibrit çalışacak şekilde tasarlanmıştır. Çok atlamalı çok hatlı İHA-RIS/röle sisteminde ilk atlama sırasında İHA-RIS üzerinden geçirilen işaret alıcı röleye ulaşır. Bir sonraki atlamalarda işaret, İHA-RIS ve İHA-röle sistemi üzerinden iletilerek devam eder. Her bir atlama esnasında İHA-RIS'ler üzerinden geçirilen işaret İHA-röle alıcılara iletilen işaretin maksimum SNR değerlerine göre seçim algoritması uygulanır. İHA-RIS sistemleri üzerinden iletilen işaretler birden fazla İHA-RIS sistemi üzerinden de röle sisteminde alınabilmektedir. Yeni sistem modeli sayesinde hem RIS hem de röle sistemlerinin sağlayacağı avantajlardan faydalanmak amaçlanmıştır. 
Bahsi geçen sistem modellerinde yapılan benzetimler ve teorik analizler neticesinde önemli ölçüde performans artışı gözlemlenmiştir. Bu çalışma 6G ve ötesi gelecek nesil haberleşme ağlarında etkili bir çözüm sunmaktadır. Aynı zamanda sunulan çözümün etkisi teorik olarak ve benzetimler ile kanıtlanmıştır. İleride ihtiyaç duyulacak veri hızlarına ve kapasite değerlerine katkı sağlayacak bir çalışma olarak değerlendirilebilir.

Abstract:
Today's conventional communication systems will inevitably face challenges in meeting high data rate and low delay requirements of 6G and beyond networks. For example, it is a challenging task to establish and maintain wireless communication in the absence of a line of sight (LOS) in densely populated urban settings. Furthermore, it is highly desirable to provide low cost communication services for had to reach environments such as rural areas and oceans. In this context, non-terrestrial networks (NTN)s represent a new emerging trend. In particular, the number of satellites placed in low earth orbit (LEO) has been increasing on a daily basis, eventually it is expected to reach a sufficient quantity for providing the global coverage. Satellite systems such as Starlink are able to provide communication services in LEO, thereby covering all orbits on Earth. This service facilitates communication at every point on the globe. However, due to the high cost and orbital movement of LEO satellite systems, it is not feasible to achieve uninterrupted communication from the same satellite. As a consequence of the satellite's movement along its orbit, communication is possible for a limited time only, after which it must be handed over to the next satellite. To overcome these limitations, an additional layer of Non-Terrestrial Networks, namely high-altitude platform systems (HAPS) can also be deployed in the stratosphere. HAPS technology offers a cost-effective solution, capable of serving the same region for extended periods with minimal loss of travel time from lower orbits. In addition, the use of unmanned aerial vehicle (UAV) systems becomes increasingly prevalent, largely due to their higher technology readiness levels and cost-effectiveness. UAVs can be used as either a supplementary or alternative solution to traditional terrestrial communication networks. In order to circumvent the issue of poor communication caused by the presence of obstacles in dense urban environments, mobile UAVs can be deployed in appropriate positions. Furthermore, they can also provide alternative access mechanisms, particularly in rural areas or disaster scenarios where terrestrial communication infrastructure are not available.
In a separate context, reconfigurable intelligent surfaces (RIS)s have been proposed as a solution in next-generation communication systems with the objective of meeting the needs of data transmission and capacity increase. In essence, RIS enhances the efficiency of transmission between transmitter and receiver by changing the phase of the electromagnetic wave through the use of a multi antenna structure, which enables the signal to be steered in the desired direction, thereby providing beamforming gain. The integration of RIS with drones holds significant promise in enhancing the performance of communication networks. However, passive RISs only change the phase of the incoming signal and do not affect its amplitude. In aerial communication systems large path loss effects may occur between multi-hop node. To reduce the effect of large path loss, this study uses active RISs rather than passive RISs, which amplify the signal at each RIS element. In the case of an active RIS structure, the achievable performance improvement by the RIS is significantly enhanced, as it is capable of modifying both the phase and magnitude of the incoming signal.
It is recommended to employ multi-hop relay systems to provide communication in high dense urban environments or over long distances. In this cascaded system, UAV equipped RIS solution is proposed as an alternative to traditional relay systems. In multi-hop communication systems, there is a cumulative path loss over multiple UAV-RIS nodes. The path loss at each node increases exponentially as a result of the multiplication process. The deployment of RIS to mitigate path loss at each node in cascaded system improves performance by leveraging the beamforming gain. Moreover, the deployment of active RIS in cascaded networks has the effect of reducing the overall path loss. This is achieved not only by amplifying and directing the signals from each node, but also by adjusting their phase. In high dense urban environments, the absence of LOS connections and high path loss due to obstacles can result in a reduction in communication performance. To enhance LOS for high-speed data transfer to all locations, the utilization of cascaded UAVs with RIS structures represents a potential solution. This study proposes a cascaded RIS structure, in combination with active RIS, as a means of improving communication performance. In this context, a channel model was initially designed and adapted to the scenario. Two channel models were developed: a large-scale model and a small-scale model. The large-scale channel model was designed with the specific purpose of providing a communication system environment for aerial and drone communication. The aforementioned environment considers the movement of the drone at a specific altitude and horizontal plane, while also considering the large-scale parameters on a three-dimensional plane. In addition to the aforementioned considerations, the probability of LOS or non-line-of-sight (NLOS) zones is also considered. This is achieved in conjunction with the known free space path loss parameters, taking into account the altitude of the UAV and its distance from the transmitter-receiver points. It has been observed that the performance of UAVs or UAV equipped RIS systems improves as they approach the receiver or transmitter when only free space path loss is considered. However, at intermediate points between the receiver and transmitter, the cumulative path loss increases, leading to a decrease in performance. In the large-scale path loss environment that has been developed, the elevation angle between the UAV and the receiver or transmitter at the UAV's altitude indicates the probability of the UAV being in the visible or invisible area. If the probability of being in the LOS area is higher, the path loss is modelled with lower coefficients. Conversely, if the UAV is in the NLOS area, the path loss is multiplied by higher coefficients, resulting in a real 3D UAV path loss model. Subsequently, the small-scale path loss parameters were identified, following the determination of the large-scale path loss parameters. In the system model, the amplitudes and phases of the signals received by each RIS element between the receiver and transmitter are modelled separately. Initially, when considering a passive RIS structure, the amplitude coefficients of each channel between RIS elements are modeled via the Nakagami-$m$ distribution.  In standard RIS system models with a single RIS scenario, the phases of the channels from the transmitter to the RIS and from the RIS to the receiver are compensated by configuring the RIS elements. However, in cascaded RIS structures, this compensation is not applicable for all RIS elements in the cascaded system model. Consequently, the channels between cascaded RIS structures cannot be compensated for all elements. Therefore, when modelling the phase values for the small-scale channel, a uniform random probability distribution is utilized. The sum of the phases of all channels formed between the transmitter and RIS, receiver and RIS, and between RIS elements is modelled with uniform random distribution. The integration of active RIS structure into the cascaded passive RIS modelling improves the overall performance of the system model. For each channel, the amplitude coefficients are increased by utilizing amplifier technology within the active RIS structure. In addition to the amplification effect of the active RIS, dynamic noise is produced by the amplifier. When the entire cascaded active RIS system is considered, the amplification factor is applied to all amplitude coefficients. The dynamic noise phase effect is managed by summing the relevant phases, with a uniform random distribution parameter employed. In order to investigate the basic system performance, the impact of the large-scale channel parameter was initially observed with the free space path loss formula for a single UAV scenario. The effect of standard path loss on outage probability was examined. Subsequently, the UAV achieves optimal performance when placed close to the receiver or transmitter, based on 3D analysis. When the probability of LOS parameter used in UAVs and non-terrestrial networks is employed with large-scale path loss. The maximum outage probability performance is observed at the midpoints of the environment in the 3D analysis. This is because the vertical elevation angle is optimal for total receiver and transmitter sight. These analyses were performed in four different scenarios: dense urban environment, urban environment, dense rural environment, and rural environment. A small-scale channel model of a single UAV equipped RIS scenario was developed, in which Nakagami-$m$ distributed amplitude coefficients were employed. The performance of this model was analyzed in terms of outage probability and bit error rate, with results presented for different values of m parameter. Subsequently, the summation of Nakagami-$m$ distributed RIS channels was approximated to gamma distribution, and this approximation was validated through a combination of theoretical and simulation results. The single UAV equipped RIS system model was modified to the passive cascaded RIS system model, and the simulation and theoretical results were obtained once more. This was followed by the integration of an active RIS to the system. The closed theoretical forms for outage probability and bit error rate performance were then verified by making a comparison with the simulation results.
In addition to the cascaded multi-link UAV-RIS system model, multi-hop multi-link relay systems are recommended in the literature as systems that support aerial communication.  The advantages of aerial communication can be beneficial in relay communication, which is more advantageous than conventional terrestrial systems. This thesis proposes a hybrid UAV-RIS/relay system model, in addition to the existing UAV-RIS systems. In the context of this system model, the channel modelling derived from the UAV equipped RIS system model has been integrated with the relay system model to ensure compatibility. In the multi-hop multi-link UAV-RIS/relay system, the transmitted base station signal is passed by the UAV-RIS and then reaches the first relay as a receiver. In the following hops, the process continues by hopping over the UAV-RIS and then UAV-relay system. Multi-hop single-link UAV-RIS/relays are selected according to the maximum received signal SNR link values at the receiver. The signals passed through the UAV-RISs can also reach the relay system through more than one UAV-RIS system.  UAV-RIS random channel distribution can be converged to gamma random variable channels with different channel parameters according to the number of UAV equipped RIS hops. Therefore, a flexible system model with different UAV-RIS and UAV-relay combinations has been designed. The new system model aims to utilize the advantages of both RIS and relay systems. Furthermore, this study integrates a cascaded active RIS configuration with a RIS selection algorithm. The proposed cascaded RIS structure develops novel advancement in the field, effectively transforming the previously documented single-path cascaded link structure. The objective of the new system model is to enhance the system's performance by employing a cascaded UAV equipped RIS structure. The receiver provide feedback to the SNR information of the received signal. Comparisons are made between the SNRs obtained in order to identify the link with the strongest SNR.  The system performance obtained in this scenario is analyzed in terms of outage probability and bit error rate analyses. Following the execution of simulations for single active and passive RIS scenarios, energy efficiency was analyzed. In particular, the enhancement of the system performance in active RIS scenario, resulted in increased energy efficiency outcome. When a transition was made from a passive RIS structure to an active RIS structure, power transfer to the base station was achieved in an energy efficient manner at the RIS elements. The simulations and analyses executed within the system model illustrate a significant improvement in performance. The results of this study demonstrate the potential for an effective solution to be implemented in 6G and beyond communication networks. Moreover, the theoretical and simulation analyses demonstrate the efficiency of the proposed solution in enhancing performance. This advancement represents a significant step forward in the field of next generation communication technology, as it will contribute to the development of future data rates and capacity values.