Gelecek nesil kablosuz haberleşme sistemleri için gelişmiş indis modülasyon sistemlerinin performans analizi
Performance analysis of advanced index modulation systems for next generation wireless communication systems
Yazar: BURAK AHMET ÖZDEN
Danışman: DOÇ. DR. ERDOĞAN AYDIN
İstanbul Medeniyet Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Elektronik haberleşme = Electronic communication ; Modülasyon = Modulation ; Uzaysal modülasyon = Spatial modulation

Özet:
Kablosuz haberleşmede, daha hızlı ve daha kaliteli veri iletimi, düşük gecikmeli haberleşme, yüksek spektral verimlilik ve düşük enerji tüketimi gibi önemli parametrelere olan bireysel ve endüstriyel talepler her geçen gün hızla artmaya devam etmektedir. Bu nedenle bu talepleri karşılamayı hedefleyen haberleşme sistemleri daha da önem kazanmaktadır.
İndis modülasyon (index modulation, IM) tekniği, haberleşmede rol oynayan parametrelerin indisleri aracılığıyla veri bitlerinin iletilmesini mümkün kılmaktadır. IM tabanlı haberleşme sistemleri yüksek spektral verimlilik, yüksek enerji verimliliği, yüksek veri hızı ve yüksek hata başarımı sağlamaktadır. Ancak yukarıda sıralanan talepleri karşılamada mevcut IM tabanlı sistemler yetersiz kalmakta ve yeni yüksek başarımlı kablosuz haberleşme sistemlerine ihtiyaç duyulmaktadır. 
Bu tezde yer alan ilk çalışmada, yüksek veri hızı, yüksek spektral verimlilik, yüksek hata başarımı ve düşük enerji tüketimi sağlanması için kod indis modülasyonu (code index modulation, CIM), uzaysal modülasyon (spatial modulation, SM) ve ortam-tabanlı modülasyon (media-based modulation, MBM) tekniklerinin birleştirildiği ve kısaca CIM-SMBM olarak adlandırılan yeni yüksek başarımlı bir kablosuz haberleşme sistemi önerilmiştir. Önerilen CIM-SMBM sisteminde, veri bitleri üç indiste ve iletilen sembollerde taşınır. Bu üç indis; SM tarafından seçilen aktif anten indisi, MBM ile belirlenen yayılma modeline bağlı olarak değişen farklı kanal durum indisi ve CIM tarafından belirlenen yayıcı kod indisleridir. CIM-SMBM sistemi için üç farklı dedektör sunulmuştur. İlk olarak CIM-SMBM sistemi için ML dedektör önerilmiştir. Sonrasında, ML dedektörün karmaşıklığını azaltmak için yayıcı kod indislerini geri yayma prensibine göre kestiren geri yayma tabanlı ML (despreading-based ML, DB-ML) dedektör önerilmiştir. Son olarak DB-ML dedektörünün karmaşıklığını daha da azaltmak için ML dedektöre yakın hata performansı sağlayan gelişmiş düşük karmaşıklı (enhanced low complexity, ELC) dedektör önerilmiştir. Önerilen CIM-SMBM sisteminin ortalama bit hata oranı (average bit error rate, ABER), çıktı (throughput, TP), enerji verimliliği ve hesaplamalı karmaşıklık analizleri, M seviyeli dikgen genlik modülasyonu (M-ary quadrature amplitude modulation, M-QAM) ve Rayleigh sönümlemeli kanallar için sunulmuştur. Ayrıca CIM-SMBM sistemi için elde edilen sonuçlar literatürdeki önemli IM teknikleriyle karşılaştırılmış ve önerilen CIM-SMBM sisteminin karşılaştırılan sistemlere göre daha yüksek veri hızı, daha yüksek enerji verimliliği ve daha iyi hata başarımı sağladığı görülmüştür.
Son zamanlarda oldukça popüler hâle gelen ve kablosuz haberleşme kanalının bozucu sönümleme etkisini azaltabilen ayarlanabilir akıllı yüzey (reconfigurable intelligent surface, RIS) teknolojisi önemli haberleşme sistemleri arasında yerini almıştır. RIS teknolojisi, entegre edildiği haberleşme sistemlerinin performansını artırmaktadır. Bu bağlamda bu tezde yer alan ikinci çalışmada, geleneksel SM tekniğinin veri hızını ikiye katlayan çift SM (double SM, DSM) sistemi ile RIS teknolojisinin bir haberleşme sistemi bünyesinde birleştirildiği kısaca DSM-RIS olarak adlandırılan yeni bir sistem önerilmiştir. Önerilen DSM-RIS sisteminin performans analizleri, Rayleigh sönümlemeli kanallar üzerinde M-QAM modülasyonu için elde edilmiştir. Önerilen DSM-RIS sisteminin veri hızı ve performans analizi sonuçları, RIS tabanlı SM (RIS based SM, SM-RIS),  RIS ile güçlendirilmiş ortam-tabanlı modülasyon (RIS-empowered media-based modulation, MBM-RIS) ve dikgen SM tabanlı RIS (quadrature SM-RIS, QSM-RIS)  gibi önemli emsal sistemler ile karşılaştırılmıştır. Elde edilen sonuçlara göre önerilen DSM-RIS sisteminin karşılaştırılan sistemlerden daha iyi hata başarımı ve daha yüksek spektral verimlilik sağladığı görülmüştür.

Abstract:
In wireless communication, individual and industrial demands on essential parameters such as faster and better quality data transmission, low-latency communication, high spectral efficiency, and low energy consumption continue to increase rapidly day by day. Therefore, communication systems aiming to meet these demands are becoming more important.
The index modulation (IM) technique makes it possible to transmit data bits through indices of parameters that play a role in communication. IM-based communication systems provide high spectral efficiency, high energy efficiency, high data rate, and high error performance. However, existing IM-based systems are insufficient to meet the demands listed above, and new high-performance wireless communication systems are needed.
In the first study in this thesis, a new high-performance wireless communication system called CIM-SMBM, which combines code index modulation (CIM), spatial modulation (SM), and media-based modulation (MBM) techniques, is proposed to provide high data rate, high spectral efficiency, high error performance, and low energy consumption. In the proposed CIM-SMBM system, data bits are carried in three indices and transmitted symbols. These three indices are; the active antenna index selected by the SM, the different channel state index that changes depending on the propagation pattern determined by the MBM, and the spreading code indices determined by the CIM. Three different detectors have been proposed for the CIM-SMBM system. First, the ML detector is proposed for the CIM-SMBM system. Afterward, to reduce the ML detector complexity, a despreading-based ML (DB-ML) detector which estimates the spreading code indices according to the despreading principle is proposed. Finally, to further reduce the complexity of the DB-ML detector, an enhanced low complexity (ELC) detector providing error performance close to the ML detector is proposed. Average bit error rate (ABER), throughput (TP), energy efficiency, and computational complexity analyzes of the proposed CIM-SMBM system are presented for M-ary quadrature amplitude modulation (M-QAM) and Rayleigh fading channels. Also, the results obtained for the CIM-SMBM system are compared with the important IM systems in the literature and it has been seen that the proposed CIM-SMBM system provides a higher data rate, higher energy efficiency, and better error performance than the compared systems.
Reconfigurable intelligent surface (RIS) technology, which has become very popular recently and can reduce the disruptive fading effect of the wireless communication channel, has taken its place among the important communication systems. RIS technology increases the performance of the communication systems into which it is integrated. In this context, in the second study in this thesis, a new system called DSM-RIS, in which a double SM (double SM, DSM) system, which doubles the data rate of the traditional SM technique, and RIS technology is combined within a communication system is proposed. Performance analyzes of the proposed DSM-RIS system are obtained for M-QAM modulation on the Rayleigh fading channels. The data rate and performance analysis results of the proposed DSM-RIS system are compared with important counterpart systems such as RIS-based SM (SM-RIS), RIS-empowered media-based modulation (MBM-RIS), and quadrature SM-RIS (QSM-RIS). According to the results obtained, it has been seen that the proposed DSM-RIS system provides better error performance and higher spectral efficiency than the compared systems.