6G ve ötesi kablosuz iletişim sistemleri için sinyal işleme teknikleri
Signal processing techniques for 6G and beyond wireless communication systems
Yazar: TUNCAY EREN
Danışman: PROF. DR. AYDIN AKAN
İstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Teknolojinin hızla gelişmesiyle günlük yaşantımızın adeta ayrılmaz bir parçası haline gelmiş olan mobil cihaz sayısındaki artış ve beraberinde bu cihazlar üzerinde kullandığımız uygulamalar nedeniyle oldukça yüksek bir veri trafiğine ulaşılmış olması, mevcut telsiz haberleşme sistemlerinin kapasite sınırlarını zorlamaya başlamıştır. Bununla birlikte, kablosuz sistemler vasıtasıyla gerçekleştirilen iletişimdeki güvenlik gereksinimi ve ihtiyaç duyulan düşük gecikme süreleri de üzerinde çalışılması gereken bir başka alan olarak karşımıza çıkmaktadır. Dördüncü Nesil (4G) telsiz haberleşme sistemlerinde kullanılan Dik Frekans Bölmeli Çoğullama (OFDM) dalga formu şimdiye kadar mevcut sistemler üzerinde başarılı bir uygulama alanı olarak yer almıştır. Bununla birlikte, 4G sistemlerin devamı olarak günlük yaşantımıza girecek olan Beşinci Nesil (5G) sistemler için birçok standart çoktan belirlenmiş durumdadır. OFDM, 5G haberleşme sistemlerinde de standart ana dalga formu olarak kabul edilmiştir. Yeni nesil teknolojilerin her on yılda bir evrim geçirmekte olduğu göz önünde bulundurularak, 5G sistemlerin devamı olarak 2030'lu yıllarda günlük yaşantımıza gireceği öngörülen 6G ve ötesi kablosuz haberleşme sistemleri için de standart belirleme çalışmaları çoktan başlamış durumdadır. Devam etmekte olan akademik çalışmalar 6G sistemlerin gereksinimlerini karşılayabilecek tasarımlar geliştirmeyi hedeflemektedir. Bu amaçla tasarlanan veya geliştirilmesi devam eden aday dalga formlarının kablosuz uygulama senaryolarındaki performans analizlerinin gerçekleştirilmesi önemli çalışmalar arasında yer almaktadır. 
Klasik OFDM dalga formunun spektral ve enerji verimliliğini artırmaya yönelik olarak yapılan çalışmalar son yıllarda büyük bir ivme kazanmıştır. Bu çalışmalar arasında indis modülasyonlu tasarımlar oldukça popüler bir araştırma ve geliştirme konusu olarak öne çıkmaktadır. Frekans izgesindeki mevcut aktif alt taşıyıcı sayısının düşürülüp, sayısal bilgi iletiminin aynı zamanda aktif alt taşıyıcı indislerine yüklenmesiyle gerçekleştirildiği indis modülasyonlu OFDM dalga formu, sağlamış olduğu avantajları nedeniyle 6G ve ötesi sistemler için tasarlanan aday dalga formları arasında yerini almış durumdadır. Bununla birlikte, frekans izgesindeki band dışı sızmaları önlemeye yönelik çalışmalar da popülaritesini korumakta ve çok taşıyıcılı dalga formlarından olan ve yine klasik OFDM'in birçok özelliğini kalıtsal olarak taşıyan UFMC ve F-OFDM gibi çok taşıyıcılı sistemler üzerindeki araştırmalar devam etmektedir.
Tez çalışmasının ilk bölümünde UFMC ve F-OFDM dalga formlarının çok yollu kanal ortamlarındaki performans analizleri gerçekleştirilmiştir. Band dışı sızmaları azaltmak amacıyla FIR süzgeç yapıları kullanılmış ve bunların haberleşmede kullanılan dalga formlarının performanslarına olan etkisi bilgisayar benzetimleri üzerinden incelenmiştir. 
Çalışmanın ikinci kısmında ise, OFDM sistemlerindeki karmaşık modülasyon yapılarına ek olarak, indis modülasyonlu OFDM dalga yapısı geliştirilmiştir. İndis modülasyonlu bu dalga formunun kablosuz ortamlardaki performans analizleri gerçekleştirilmiştir. 
Aktif alt taşıyıcı indislerinin modüle edildiği OFDM-IM sisteminden farklı olarak, tez çalışmasında önerilen indis modülasyonu yönteminde sayısal bilgi inaktif alt taşıyıcı (sıfır alt taşıyıcı) indislerine aktarılmaktadır. Bir başka ifadeyle, frekans ekseninde ikinin kuvveti derecesinde alt taşıyıcı lokasyonuna sahip her bir altgrup içerisinden, gelen alt bit dizisinin ondalık değerine göre bir adet alt taşıyıcı inaktif olarak ayarlanmakta ve ilgili frekansta bir alt taşıyıcı üretilmemektedir. Frekans bölgesinde bu nokta boş bırakılmış olmaktadır. Önerilen indis modülasyonu sıfır alt taşıyıcıların indislerinin modüle edildiği NSC-OFDM-IM sistemi olarak adlandırılmaktadır. 
NSC-OFDM-IM sistemi aynı alt band grup yapısına sahip OFDM-IM dalga formu ile aynı spektral verimliliğe sahip olmakta, ancak tasarım sırasında kullanmış olduğu son derece esnek ve kolay uygulanabilir yöntem sayesinde mevcut OFDM-IM dalga formuna göre karmaşık hesaplamayı oldukça önemli oranda azaltan bir model olarak sunulmaktadır.

Abstract:
Rapid technological advancements in industry have resulted in an exponential increase in the number of connected devices, resulting in a massive volume of data traffic that appears almost impossible to manage by the current wireless networks. The OFDM waveform has been used in several ways and adopted well in several existing wireless communication systems. However, the need for security and the low latency required in communication via wireless systems is another area that needs to be studied. Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) waveform used in fourth generation (4G) wireless communication systems has been a successful application area on the existing systems until now. However, many standards have already been determined for the fifth generation (5G) which will enter our daily lives as a continuation of 4G systems. OFDM has also been adopted as the standard main waveform in 5G systems. Considering that new generation technologies evolve every ten years, standardization studies have already begun for 6G and beyond wireless communication systems, which are predicted to enter our daily lives in the 2030s as a continuation of 5G systems. Ongoing academic studies aim to develop designs that can meet the requirements of 6G systems. For this purpose, performance analysis of candidate waveforms in wireless application scenarios is among the important studies. In addition to the performance analysis of the candidate waveforms for 6G and Beyond networks, another fundamental research field is the development of various modulation structures that will improve the spectrum and energy efficiencies of the current OFDM waveform. 
In recent years, research on improving the spectrum and energy efficiencies of the traditional OFDM waveform has acquired a great attention.
Among these studies, index modulation based designs stand out as a very popular research and development topic. The index modulated OFDM waveform, which reduces the number of active subcarriers in the frequency spectrum and engages the active subcarrier indices for data transmission, has moved to the top of the possible waveforms for 6G and beyond systems due to its benefits in terms of energy and spectral efficiencies. However, researches on preventing out-of-band leakage in the frequency spectrum remains popular, and work on multi-carrier waveforms like UFMC and F-OFDM, which inherit many properties of classical OFDM, has been ongoing.
In the first section of the thesis, performance analyses of UFMC and F-OFDM waveforms in multipath channel situations are performed. Computer simulations are carried out to investigate the performance of FIR filters, which are used to reduce out-of-band leakage at the spectrum, as well as to improve the bit error rate performances in the receiver.  
In the second part of the thesis work, the index modulated OFDM waveform is designed and the performance analysis of this waveform in a multipath channel environment is carried out. Unlike the OFDM-IM system, in which the active subcarrier indices are modulated, the digital information is transferred to the inactive subcarrier (zero subcarrier) indices in the proposed index modulation method. In other words, one subcarrier in the frequency subgroup is set as inactive based on the decimal value of the incoming bit stream. The proposed index modulation is called the NSC-OFDM-IM system in which the indices of the zero subcarriers are modulated.
The NSC-OFDM-IM system has the same spectral efficiency as the OFDM-IM waveform with the same subband group structure, but thanks to the extremely flexible and easy-to-apply method during the design, it has significantly reduced computational complexity compared to the existing OFDM-IM waveform.