Uzaysal modülasyon kullanılarak işbirlikli haberleşme tabanlı insansız hava araç ağlarının hata performans analizi
Error performance analysis of spatial modulation for cooperative unmanned aerial vehicles network
Yazar: MUSTAFA CİHAN TAŞTAN
Danışman: PROF. DR. HACI İLHAN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Haberleşme Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Anahtarlama = Switching ; Faz kayması = Phase shift ; Sihirli kare = Magic squar ; Uzaysal modülasyon = Spatial modulation ; İnsansız hava aracı = Unmanned aerial vehicle

Özet:
İnsansız hava araçları (İHA) günümüzde oldukça yaygın kullanılmaktadır ve bu araçların popülerliği gün geçtikçe artmaktadır. Bu ilginin sebebi ise bu araçların kullanım alanlarının oldukça fazla olması ve birçok farklı ihtiyaç için etkin bir çözüm sunmalarıdır. Başta görüntüleme uygulamaları ve hayat kurtarma operasyonları olmak üzere akıllı tarım, ulaşım, ürün teslimatı gibi birçok kullanım alanı vardır. Bunlara ek olarak eğlence amaçlı olarak insanlar çeşitli büyüklüklerde drone kullanmaktadır. Belirtilen bu kullanım senaryoları için İHA'ların bazı özellikleri sağlaması hayati önem taşımaktadır. Öncelikle kullanımının yaygınlaşması için uçuş süresinin uzatılması ve kısa sürede şarj olduktan sonra uzun süreler uçarak servis verebilmesi çok önemlidir. Kapsama alanını geniş olması ve uzun mesafelerde, alanlarda servis verebilmesi yine bir başka önemli gereksinimdir. Tüm bunlara ek olarak güvenilir haberleşme de en önemli ihtiyaçlardan biridir. Belirttiğimiz bu ihtiyaçların karşılanması için literatürde farklı çözümler yer almaktadır. Tüm bu çözümlerin faydaları ile birlikte zorlayıcı etmenleri de içerdiği göz önünde bulundurulmalıdır. Çok-giriş çok-çıkışlı (MIMO) sistemler sinyal kazancı ya da veri akışı çoklama gibi farklı amaçlarla kullanılmaktadır. Bu teknik 5G gibi yüksek miktarda veri akışı gerektiren erişim teknolojileri için olmazsa olmaz bir yöntemdir. Ancak semboller arası girişim, anten senkronizasyonu gibi zorlayıcı etkileri mevcuttur. Ayrıca işlem karmaşıklığı gibi etkileri sebebiyle veri işleme için harcanan güç tüketimini ve veri işleme zorluğunu da göz önünde bulundurmak gerekmektedir. İşte bu noktada hem yukarıda bahsedilen zorlayıcı etkilere çözüm olabilecek hem de İHA haberleşme ihtiyaçlarını karşılayabilecek bir modülasyon biçimi olan uzaysal modülasyon (SM) ve bu modülasyon ailesinin diğer teknikleri olan genelleştirilmiş uzaysal modülasyon (GSM) ve uzay kaydırmalı anahtarlama modülasyonu (SSK) bu çalışmada İHA haberleşmesi için kullanılmıştır. Belirtilen modülasyon biçimleri MIMO sistemlerde görülen semboller arası girişim ve anten senkronizasyonu gibi zorlayıcı etkileri ortadan kaldırmaktadır. Çalışmada belirtilen modülasyon teknikleri için hata performans analizi yapılarak farklı modülasyon tiplerinde İHA bit hata oranı (BER) değerleri verilmiş olup detaylı karşılaştırılması farklı yükseklikteki İHA konumları için ayrıca incelenmiştir. Bunlara ek olarak İHA ile yer birimi arasında gerçekleşebilecek yer-hava haberleşmesi (G2A) ve her iki İHA arasında gerçekleşebilecek haberleşme için hava-hava (A2A) durumuna özgü olarak farklı İHA yükseklik değerleri için performans analizi verilmiştir. 
Çalışmanın ilk kısmında bu analiz SSK modülasyonu için gerçekleştirilmiş olup verilen kuramsal çıkarım sonuçları Monte-Carlo simülasyon sonuçları ile desteklenmiştir. Kuramsal türetimlerin sonuçları ve Monte-Carlo simülasyon sonuçlarının örtüştüğü, elde edilen kuramsal sonuçların farklı iletim ve alıcı anten için doğru sonuçlar verdiği gösterilmiştir. Çok atlamalı ağ modeli kullanımı için gerekli çalışmalar yapılmıştır ve daha geniş kapsama alanı elde edilmesi için verilen analiz çok atlamalı ağlar için de elde edilmiştir. Elde edilen bu analizin türetilen kuramsal değerler ile jenerik bir biçimde n-atlamalı hali için verildiği ve verilen bu değerin Monte-Carlo simülasyonları ile de örtüştüğü gösterilmiştir. 
Çalışmamızın ikinci kısmında işbirlikli ağlarda İHA haberleşmesi ele alınmıştır. İşbirlikli ağlar kaynak birim ile hedef birim arasında röle birimi kullanılarak hedef birimde sinyal kazancı sağlamayı hedefleyen bir haberleşme biçimidir. Bu kazanç sayesinde daha güvenilir haberleşme, yani bit hata oranı daha düşük bir uçtan-uca veri akışı sağlanmaktadır. Çalışmamızda işbirlikli haberleşme yöntemini İHA'lar için kullanarak kaynak, röle ve hedef birimimizin İHA olduğu durum ve de ayrıca kaynağın yer birimi, röle ve hedefin İHA olduğu senaryolarda performans analizi yapılmıştır. Yine bu analiz İHA'ların farklı yüksekliklerde olduğu durum için ilgili referans kanal değerleri ile tekrarlanarak farklı yüksekliklerde oluşan performans değişimi gösterilmiştir. İşbirlikli haberleşme ile elde edilen sonuçlar işbirliksiz haberleşme sonuçları ile karşılaştırılarak işbirlikli haberleşmenin İHA haberleşmesindeki performans iyileştirmesi gösterilmiştir. Çalışmamızda önerilen yüksek başarımlı işbirlikli haberleşme modelinin çeşitlilik derecesinin alıcı anten sayısının yaklaşık 2 katı mertebesine eriştiği gösterilmiştir. Monte-Carlo simülasyonları ile bu değerin alıcı anten sayısına bağlı olmaksızın sağlandığı aktarılmıştır. Farklı alıcı ve verici anten sayıları için simülasyonlar tekrar edilmiştir. Yapılan çalışmaların devamında işbirlikli çok atlamalı ağlar biçiminde bir haberleşme senaryosu gerçekleştirilerek hem güvenilir haberleşme hem de geniş kapsama alanının sağlandığı bir sistem modeli sağlanmıştır. Elde edilen sistem modeli için farklı atlama sayısına bağlı olarak bit hata olasılığı simülasyonları da verilmiştir. 
Çalışmamızın üçüncü kısmında ise sihirli kareler fenomeni İHA haberleşmesinde uzaysal modülasyon yöntemi ile birleştirilerek kullanılmıştır. Bu birlikte kullanım ile bit hata olasılığı standart uzaysal modülasyona göre çok daha düşük değerlerde elde edilmiş ve yüksek başarım sağlanmıştır. Sihirli kareler rekreasyonel matematikte yer alan ve tarihi yüzyıllar öncesine dayanan bir matristir. Bu matrisin elemanlarının her birinin değeri bir diğerinden farklıdır. Sihirli kelimesinin kullanımı ise her bir satırın, sütunun ve ana diyagonalin toplamlarının aynı değeri vermesinden gelmektedir. Sihirli karelerde kenar uzunlukları en az 3 olarak kullanılmaktadır. Bu çalışmada sihirli kare yapısı farklı mertebeden (16QAM - 64QAM) genlik faz modülasyonu ile birlikte kullanılmıştır. Belirtilen farklı mertebeden modülasyonlara uyumlu olması için kenar uzunluğu 4 olan sihirli kare seçilmiştir. Önerilen yöntemde kareler farklı modülasyon mertebeleri ile de kullanılabilecek şekilde ergonomik yapıdadırlar. Sihirli karelerin haberleşme sistemlerinde kullanımı ilk kez bu çalışma ile önerilmiştir. Sihirli karelerin kullanımının ana amacı ve faydası bu matristeki her bir değerin ikili gösteriminde ortaya çıkmaktadır. İkili olarak bu değerlerin yazıldığı durumda her bir hücredeki değerin komşuları ile maksimum diklik düzeyinde olması sayesinde bu matris uzaysal modülasyon yöntemine uygulanabilmektedir. Bu uygulamada antenlerin birim iletim zamanındaki iletimi sihirli kare ile haritalanarak kontrol edilmektedir. Bu sayede de komşu semboller arasında zamanda diklik sağlanarak sistemin başarımı çok dikkat çekici düzeyde arttırılmaktadır. Önerilen yöntem farklı modülasyon mertebelerine uygun olduğu gibi aynı zamanda farklı iletim anten sayıları içinde uygundur. Artan anten sayısı ile birlikte komşu işaretler arasında diklik miktarı arttığından sistemin performansı daha da iyileşmektedir. Bu yöntem hem GSM hem de SM'e uygulanarak her iki modülasyon tipinde de klasik yönteme göre çok daha düşük bit hata oranı sağlanmaktadır. Ayrıca çalışmalarımız sırasında simülasyonlar ile de göstermiş olduğumuz üzere bu yöntemin performansı SNR değeri ciddi ölçüde düşük halde iken dahi klasik GSM ve SM'e göre daha iyi durumdadır. Bu da önerilen sihirli kare temelli GSM ve SM yöntemlerinin daha güvenilir haberleşme sağlaması, daha düşük güç tüketmesi ve daha geniş kapsama alanı sağlaması gibi avantajları sağlayabilecek özelliklere olduğunu göstermektedir. Tüm bu faydalara ek olarak önerilen yöntemin sonuçlarının artan İHA yüksekliği ile birlikte daha da iyiye gittiği ve klasik yöntemlere göre performans farkının açıldığı gösterilmiştir. Dolayısıyla da örnek olarak verilen üç farklı İHA yüksekliğine ek olarak önerilen yöntemin artan İHA yüksekliği ile birlikte daha da iyi performans vereceği simülasyon sonuçları ve kuramsal sonuçlar ile birlikte açıkça görülmektedir. 
Tez çalışması sırasında yapılan üç farklı çalışma ile birlikte İHA haberleşmesi için farklı uçuş yüksekliklerinde farklı haberleşme senaryolarında ve farklı sayıda İHA biriminden oluşan klasik ya da işbirlikli haberleşme senaryoları için yeni yöntemler önerilmiş ve sonuçlar elde edilmiştir. Yapılan her bir çalışmalar uluslararası dergilerde ve konferansta yayınlanmıştır. Önerilen yöntemler İHA haberleşmesi için gerekli olan ihtiyaçlara yönelik olarak çözümler sunan, haberleşme performanslarını inceleyen ve uçuş yüksekliği ile birlikte performans değişimi veren kapsamlı çalışmalardır.

Abstract:
Unmanned aerial vehicles (UAVs) are very common nowadays and their popularity is rising day-by-day. The reason of the popularity cause owing to capability of UAVs to be used in many application areas and providing effective solution to different kind of requirements. Imaging and surveillance applications but also smart farming, transportation, cargo is most common application areas of UAVs. In addition, UAVs are used for entertainment, too. UAVs should be improved and have important qualifications to be used more frequently in these applications. First of all, fly-time duration should be improved, charging time and related fly-time is very critical. Large coverage area and long-distance service capacity is another important feature for UAVs. Besides, reliable communication is another important specification, too. 
There are numerous studies in literature to fulfill aforementioned features for UAVs. Even though these studies offer solutions for required specifications, they also have many drawbacks for implementation. Multiple-input multiple-output (MIMO) systems provide signal gain or multiple data streams regarding to application requirements. This technique is an essential for high data throughput services such as 5G radio access. However, there are important issues that comes with MIMO systems which need to be handled such as inter-symbol interference (ISI) and antenna synchronization. In addition, processing difficulty of the received signal is high in MIMO systems. That requires more processing power and processing time of the received signal. At this point, spatial modulation (SM) and other members of this modulation family: Generalized spatial modulation (GSM) and space shift keying (SSK) modulation can be used as a solution to aforementioned challenges. They are convenient modulation technique for UAVs communication. These modulations eliminate challenging issues faced with MIMO systems such as ISI and antenna synchronization. In this thesis, all these modulation techniques are analyzed for UAVs communication. They are combined with different communication techniques. Theoretical expressions are derived for the proposed methods, and it is extended for multi-hop communication. In analysis, bit error rate (BER) results are given for different flying heights of UAVs. Also, ground-to-air (G2A) and air-to-air (A2A) communication scenarios' performance analysis are given with the different height conditions in this thesis. 
In the first part of the thesis, SSK modulation performance analysis is given with aforementioned scenarios and different height condition. Theoretical derivations are made for BER and outage of the UAV communication. Monte-Carlo simulations are made to prove the correctness of the theoretical derivations and results. The system model also extended to multi-hop networks. It is shown that theoretical derivation results and Monte-Carlo simulations matches also for multi-hop scenario. A generic n-hop BER expression is given for the system which covers different flying height of the UAVs. This study also provides reference BER and outage rates for next two studies in this thesis.
In the second part of the thesis, conventional UAV communication is combined with cooperative communication. Cooperative networks aim to provide signal gain and diversity improvement at the destination node with using an extra relay node between source node and destination node. Thanks to this gain, better bit error rate and better outage probability is provided for the system. In this thesis, cooperative communication method is used for UAVs. In A2A scenario all the nodes are UAVS, in G2A scenario ground node (source) is ground unit and the relay and the destination are UAVs. Performance analysis is made for both cases and results are proven with Monte-Carlo simulation for different heights of UAVs and different number of transmit and receive antenna numbers. Cooperative UAV communication results are compared with non-cooperative results, and it is shown that the cooperative method provides better BER values. The offered technique in this thesis shows approximately 1.8 times better diversity at the receiver node and this change is not dependent to receive antenna numbers. Simulations are repeated and shared for different transmit and receive antenna numbers on the UAVs. In next step, the network is extended to multi-hop networks. Theoretical derivations, results and Monte-Carlo simulations are given for 4-5-6 hop UAV system models. Thanks to this extended multi-hop model its shown that better BER and wider coverage can be practical with analyzed system model. Bit error rate derivation and simulation results are given for a generic n-hop system. 
In the third part of this thesis, spatial modulation and generalized spatial modulation is combined with magic squares. Magic squares are one of the subjects in recreational mathematics which has history back to centuries ago. It is a matrix and each element in this matrix is different than each other. The magic word comes from having an equal sum of each row, column, and main diagonal. The square matrix size is at least three. In this study, it is used as 4 x 4 matrix for the convenience with 16QAM - 64QAM modulation. In addition, the magic square can be used with different modulation orders. It is first time in literature that this phenomenon is offered to be used in communication systems. The main purpose of the usage of magic squares can be understand with the view of the binary values of the magic square elements. In binary mod, each element has possible maximum orthogonality with their neighbors. If this orthogonality is used with spatial modulation or familiar modulation methods, the orthogonality provides an extra improvement for BER with the help of distance of antenna activity. So, activity of the antennas is mapped via magic square bit values as 0 and 1. 0 value means not transmitting via corresponding antenna but 1 means transmitting the signal. As an example, a source UAV is used with 4 transmit antenna system which is mapped with magic square, it improves system performance with helping diverge neighbor symbols on constellation diagram. The effect of this technique on communication system is groundbreaking. The technique is proposed for both SM and GSM. Theoretical derivations are made for the proposed system and results are proven via Monte-Carlo simulations. The results shows that it provides more reliable communication, and decreased BER. Even SNR value of the proposed communication system is 10 dB lower than conventional one, it still has better performance. This change on the BER also may have an alternative means; power consumption may be lower, and fly-time may be longer with the new proposed method. Besides, since proposed method has better and better performance improvement than conventional method with the increase of UAV it is open to estimate that proposed method is convenient for UAV communication.
Three different studies are made in this thesis and all of them about analyzing performance of UAV communication for different flying heights. Two different methods are analyzed which improves communication performance. In addition to different flying heights, multi-hop communication also investigated for different communication scenarios and a detailed analysis and Monte-Carlos results are given for air-to-air communication and air-to-ground communication.