Çok kullanıcılı çok-girişli çok-çıkışlı sistemler için uzaysal modülasyon tabanlı özgün sistem tasarımları
Novel spatial modulation based system designs for multi-user multiple-input multiple-output systems
Yazar: SEYFETTİN MUHİBBULLAH ULUOCAK
Danışman: DOÇ. DR. ERTUĞRUL BAŞAR
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Telekomünikasyon Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Kablosuz iletişim = Wireless communication ; Monte Carlo benzetimi = Monte Carlo simulation ; Sayısal iletişim sistemleri = Digital communication systems ; Sayısal işaret işleme = Digital signal processing ; Sayısal modülasyon sistemleri = Digital modulation systems

Özet:
2010'lu yıllara girerken çok-girişli çok çıkışlı (multiple-input multiple-output, MIMO) sistemlere uygulanabilen umut vaad eden  yeni bir iletim tekniği önerilmiştir: uzaysal modülasyon (spatial modulation, SM). SM ile klasik modülasyonlu simgeler üzerinden iletimin yanı sıra kullanılan antenlerin indisleri üzerinden de iletim tekniği geliştirilmiştir. Böylece haberleşmeye yeni bir bakış açısı kazandırılmıştır. Spektral verimlilik, enerji verimliliği ve hata başarımı açısından klasik MIMO ve tek-girişli tek-çıkışlı (single-input single-output, SISO) sistemlere nazaran üstünlükleri bulunan SM tekniği son yıllarda revaçtadır.
Yine yakın bir tarihte, 2015'te, SM'in spektral verimliliğini ve hata başarımını arttıracak yeni bir iletim tekniği geliştirilmiştir: dik uzaysal modülasyon (quadrature spatial modulation, QSM). Yeni önerilen bu teknik ile SM'e nazaran daha yüksek hata başarımı elde edildiği ve spektral verimliliğin de iyileştirildiği literatürdeki öncü çalışmalarda gösterilmiştir.
Literatürde noktadan noktaya (point-to-point, P2P) SM ve QSM çalışmalarına sıklıkla rastlanmakta iken SM ve/veya QSM tabanlı çok-kullanıcılı (multi-user, MU) uygulamalar için yapılan çalışmalar son yıllarda önem kazanmaktadır. Bu çalışma kapsamında, çok-kullanıcılı MIMO sistemlerde SM ve QSM tabanlı özgün sistemlerin geliştirilmesi değerlendirilmiştir.
Öncelikle literatürde mevcut olan MU-MIMO SM çalışması temel alınarak, hem spektral verimliliği arttırmak hem de hata başarımını iyileştirmek amacıyla ilgili sisteme QSM uyarlanmış ve MU-MIMO QSM sistemi önerilmiştir. Önerilen sistemin literatürde önerilen MU-MIMO SM sistemine nazaran hem toplam spektral verimlilik hem de kullanıcı başına spektral verimlilik açısından daha üstün olduğu gösterilmiştir. Ayrıca yapılan bilgisayar benzetimleri ile MU-MIMO QSM sisteminin MU-MIMO SM sisteminden daha yüksek hata başarımına sahip olduğu da gösterilmiştir.
Önerilen MU-MIMO QSM ve literatürde mevcut olan MU-MIMO SM sistemlerinin sakıncalı yönleri göz önünde bulundurularak yapılan çalışmalar ilerletilmiştir. Özellikle kullanıcı başına tek bir radyo frekans (radio frequency, RF) zincirinin düşmesi sebebiyle maliyet ve güç tüketimi açısından literatürdeki mevcut MU-MIMO SM sistemi ile tez kapsamında önerilen MU-MIMO QSM sistemini iyileştirmek amacıyla yeni özgün sistemler önerilmiştir: azaltılmış sayıda RF zincire sahip MU-MIMO SM/QSM sistemleri. Bu sayede farklı kullanıcıların aynı RF zinciri ve aynı SM/QSM iletim vektörü üzerinden haberleşmelerine olanak verilmiştir. Böylece MU-MIMO SM ve MU-MU QSM sistemleri ile aynı sayıda kullanıcıya daha az sayıda RF zinciri ile hizmet verebilen özgün bir sistem önerilmiştir. Önerilen sistem için hata başarımı analizleri yeni bir yaklaşım ile yapılmıştır. Bu yaklaşımda anten indisleri ve simgeler üzerinden ayrı ayrı ortalama bit hata olasılığı (average bit error probability, ABEP) hesabı yaklaşımı temel alınmıştır.

Literatürde SM için benzer yaklaşımın farklı bir hesaplama yöntemiyle kullanıldığı bir çalışma olsa da QSM için önerdiğimiz yaklaşım ve matematiksel çıkarımlar literatürde henüz bulunmamaktadır. Böylece çok-kullanıcılı sistemler ve QSM literatürüne yeni bir bakış açısı kazandırılmıştır.
Üçüncü olarak, bir baz istasyonundan (base station, BS) tüm kullanıcılara ortak bir bilgi iletimi olduğu durum göz önüne alınarak ortak bilgi iletimli MU-MIMO QSM sistemi önerilmiştir. Bu sistem ile her kullanıcı için gönderilen kullanıcıya özgü verilerin yanı sıra ortak bilginin iletimi de sağlanmıştır. Ortak bilgi ve kullanıcıya özgü veriler, farklı kombinasyonlarla anten indisleri ile simgelere yüklenerek gerçekleştirilmiştir.
Bu sebeple ortak bilgi iletimi için farklı senaryolar değerlendirilmiş ve her bir senaryo için ayrı ayrı ABEP çıkarımları yapılmıştır. Yapılan bilgisayar benzetimleri ile kuramsal olarak türetilen hata olasılığı çıkarımlarının uyumlu sonuçlar verdiği gösterilmiştir. Ayrıca hem ortak bilgi üzerinden hem de kullanıcıya özgü veriler üzerinden hata başarım karşılaştırmaları yapılmıştır.
Dördüncü ve son olarak çok-kullanıcılı MIMO sistemler için literatür araştırmaları sonucunda, verici BS'de her bir kullanıcıya sabit sayıda verici anten ataması yapıldığı gözlenmiştir. Bu sebeple hem daha esnek bir verici anten seçimi olması hem de sistemdeki yüksek öncelikli kullanıcılara farklı spektral verimliliklerde iletim sağlanabilmesi için değişken sayıda verici anten atama algoritması geliştirilerek literatüre kazandırılmıştır. Böylece daha esnek bir anten tahsis yöntemi geliştirilmiş ve olası tüm anten kombinasyonları BS'de elde edilmiştir. Bu sayede sistemdeki ilgili kullanıcılara en uygun anten atama kombinasyonu seçilerek iletim sağlanabildiği gösterilmiş olup SM ve QSM tabanlı MU-MIMO sistemlere uyarlanabileceği gösterilmiştir.
Böylece yapılan özgün çalışmalar ile çok-kullanıclı MIMO sistemler literatürüne, katkıda bulunulmuştur. İyileştirilmesi hedeflenen spektral verimlilik, hata başarımı ve maliyet parametrelerinin her biri için farklı özgün sistemler geliştirilmiştir.

Abstract:
A new and promising transmission technique that is applicable to multiple-input multiple-output (MIMO) systems, is proposed when entering 2010s: spatial modulation (SM). In addition to transmission over conventional modulated symbol, antenna indices are also used in SM transmission technique. Thus, a new perspective has been given to communication. The SM technique, which has advantages over classical MIMO and single-input single-output (SISO) systems is popular in recent in terms of spectral efficiency, energy efficiency and error performance.
In 2015, a new transmission technique was proposed to increase the spectral efficiency and error performance of SM: quadrature spatial modulation (QSM). In this new technique has been shown in leading papers in the literature where higher error performance is achieved and spectral efficiency is improved compared to SM.
While point-to-point (P2P) SM and QSM studies are frequently encountered in the literature, SM and QSM-based multi-user (MU) applications have gained importance in recent years. In this study, designs of SM and QSM based novel systems for multi-user MIMO systems is evaluated and analyzed.
Firstly, based on the MU-MIMO SM study which is available in the literature, QSM is applied to the related system and the MU-MIMO QSM system is proposed in order to improve both spectral efficiency and error performance. It has been shown that the proposed system is superior to the MU-MIMO SM system proposed in the literature in terms of both total spectral efficiency and spectral efficiency per user. It has also been shown via the computer simulations the MU-MIMO QSM system has higher error performance than the MU-MIMO SM system.
Studies have been carried out by considering the disadvantaged aspects of the proposed MU-MIMO QSM scheme and the MU-MIMO SM scheme that available in the literature. New unique systems have been proposed to improve the current MU-MIMO SM system in the literature and proposed MU-MIMO QSM system in this study, in terms of cost and power consumption, especially since it has only one radio frequency (RF) chain per user: MU-MIMO SM / QSM systems with reduced number of RF chains. These proposed systems allow different users to communicate over the same RF chain and the same SM / QSM transmission vector. Thus, the same number of users as MU-MIMO SM and MU-MU QSM systems has been proposed as a unique system that can serve with fewer RF chains. Also, error performance analysis for the proposed system is done with a new approach. This approach is based on the average bit error probability (ABEP) calculation approach through antenna indices and modulated symbols separately.

Although there is one article in the literature where the similar approach is used with a different calculation method, the approach that we propose for QSM and the related mathematical derivations are not found in the literature yet. Thus, multi-user systems and the QSM literature have been gained a new perspective.
Thirdly, a common information-transmitted MU-MIMO QSM system has been proposed, considering that there is a common information transmission from a base station (BS) to all users. Common-information is known as "multicast" in the literature. Multicast and user-specific datas were obtained by loading to the antenna indices and modulated symbols in different combinations. Therefore, different scenarios for the common information-transmitted MU-MIMO QSM scheme are evaluated and individual ABEP derivations are proposed for each scenario. It has been shown that theoretically derived error probability calcu1ations and computer simulations give compatible results. It also been compared the error performance over both multicast data and user-specific data.
Fourth and finally, as a result of literature search for multi-user MIMO systems, it has been observed that a fixed number of transmit antenna assignments are made to each user in the transmitter BS. For this reason, a variable number of transmitter antenna assignment algorithms have been proposed to provide both a more flexible transmitter antenna selection and transmission in different spectral efficiencies for higher priority users in the communication system. Thus, a more flexible antenna allocation method was developed and all possible antenna combinations were obtained in BS. It has been shown that transmission can be achieved by selecting the most appropriate antenna assignment combination for the relevant users in the system and it has been shown that it can be adapted to SM and QSM based MU-MIMO systems. Thus, feasibility is provided for these systems.
Thus, by the proposed novel studies have been contributed to the multi-user MIMO systems literature. Different novel schemes have been developed for each of the spectral efficiency, error performance and cost, which are the parameters to be improved.