Ortam-tabanlı modülasyonlu özgün sistem tasarımları
Novel system design with media-based modulation
Yazar: İBRAHİM YILDIRIM
Danışman: PROF. DR. İBRAHİM ALTUNBAŞ ; DOÇ. ERTUĞRUL BAŞAR
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Telekomünikasyon Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
5G vizyonunun tanımlanmasıyla birlikte, yüksek veri hızlı, düşük gecikme ve enerji tüketimine sahip sistemlere duyulan ihtiyaç artmıştır. Bu bağlamda, sözü edilen heyecan verici bakış açısını gerçek hayata uyarlamak için birçok aday teknoloji gündeme gelmiştir ve gelmeye devam etmektedir. Ortaya çıkan problemleri ve olguları daha iyi kavrayabilmek adına kapsayıcı ve detaylı mühendislik paradigmaları türetilmesi elzemdir. Verici ve alıcıda birden fazla anten kullanılan çok-girişli çok çıkışlı (multiple-input multiple-output, MIMO) sistemler ile arzu edilen veri hızlarına ulaşmak, hata başarımını iyileştirmek ve sönümleme etkisini azaltmak mümkün olmaktadır.

Verici kısımda donanımsal maliyeti azaltırken yüksek veri hızlarına ulaşmayı hedefleyen indis modülasyonu (index modulation, IM) şemaları son zamanlarda dikkat çekmeye başlamıştır. IM ailesinin en fazla tanınan üyesi olan uzaysal modülasyon (spatial modulation, SM) şeması, klasik $Q$ seviyeli faz kaydırmalı anahtarlama (phase shift keying, PSK) veya dik genlik modülasyonunun (quadrature amplitude modulation, QAM) yanında verici anten indislerini de ilave bilgi kaynağı olarak kullanmaktadır. IM ailesinin en yeni üyesi olan ortam-tabanlı modülasyon (media-based modulation, MBM) şeması ise zengin saçıcılı ortamlar için önerilen bir iletim yöntemidir. MBM sistemlerde ayarlanabilir antenlerin (reconfigurable antenna, RA) akım dağılımları çeşitli elemanlar yardımıyla değiştirilerek, verici ve alıcı arasında bir şekilde farklı kanal sönümleme gerçeklemeleri elde edilir. RF aynası (RF mirror) olarak adlandırılan elemanların açık/kapalı (ON/OFF) durumları kullanılarak değişen akım dağılımıyla birlikte farklılaşan anten ışıma örüntüleri oluşması beklenmektedir. Anten ışımasındaki bu değişimler çok saçıcılı bir ortamda kanal sönümleme gerçeklemelerinde de farklılaşmaya neden olacaktır. Böylece her bir farklı kanal gerçeklemesi indislenerek, ilave bilgi kaynağı olarak kullanılacaktır. Aynı anda tek verici antenin seçilen kanal durumu kullanılacağından vericide tek RF katı kullanılır ve kanallar-arası girişim (inter-channel interference) ICI engellenmiş olur. Ayrıca, bant verimliliği RF aynası sayısıyla doğrusal olarak değiştiğinden, yüksek veri hızlarına ulaşmak için verici anten sayısını sabit tutarak RF aynası sayısını arttırmak yeterli olacaktır. 

Bu çalışmada özgün MBM yönteminin güçlü yönleri kullanılarak özgün sistem tasarımları yapılmıştır. Öncelikle MBM sistemlerin bant verimliliğini arttırırken, hata performansında iyileşmeler sağlayan üç adet dik kanal modülasyonu (quadrature channel modulation, QCM) şeması önerilmiştir. Bu şemaların sistem modelleri ve çalışma ilkeleri açıklanarak, hata analizleri yapılmıştır. Bilgisayar benzetimiyle elde edilen sonuçlar analitik eşitliklerle örtüşmüştür.

Yeni nesil iletişim sistemlerinde en çok üzerinde durulan konulardan bir tanesi de fiziksel katman güvenliğidir. Telsiz iletişim ortamının karakteristik özellikleri düşünüldüğünde, eğer iletilecek işaret verici kısımda dikkatli bir tasarım sürecine tabi olursa, IM sistemlerin fiziksel katman güvenliğini arttıracağı gösterilmiştir. SM sistemler için uygun tasarım yapıldığında maksimum ulaşılabilecek güvenli karşılıklı bilginin verici anten sayısının logaritması olduğu görülmektedir.
Tez çalışması kapsamında, gizli dinleyicinin bilgi miktarı verici kısımda yapılacak olan önkodlama ile azaltılarak, MBM ve SM-MBM sistemler için güvenli karşılıklı bilginin maksimize edilmesi amaçlanmıştır. Ayrıca Rayleigh sönümlemeli kanalda MBM ve SM-MBM için bit hata analizleri yapılmıştır. Elde edilen sonuçlara göre, maksimum güvenli karşılıklı bilgi miktarı SM-MBM için verici anten sayısının logaritmasıyla ve RF aynası sayısının toplamına eşit olurken, MBM sistemlerde RF aynası sayısına eşit olduğu görülmüştür.

Tez çalışmasının son bölümünde ise IM şemaların en büyük problemlerinden biri olan kesirli bit problemi ele alınarak, SM ve MBM sistemlerde bu problemi aşmaya yardımcı olacak bir sistem tasarlanmıştır.  Altın açı modülasyonu (golden angle modulation, GAM) adı verilen ve doğadaki bitkilerin yaprak ve tohum dizilim düzenlerinden ilham alan bir yöntem kullanılarak, IM şemalarda tasarım esnekliği sağlanmıştır. GAM yönteminde klasik  QAM ve PSK yöntemlerinin aksine, işaret uzayının boyutu ne olursa olsun tüm simetri korunmakta ve işaret uzayı verimli kullanılmaktadır. Tez kapsamında önerilen GAM-MBM şeması kesirli bit problemine çözüm üretmekle kalmayıp, hata performansında da referans sistemlere kıyasla üstünlük sağlamıştır.

Abstract:
With the definition of the 5G vision, the demand for key requirements such as high data rate, low latency and low energy consumption from the perspective of next generation communication technologies, is ascending. Miscellaneous candidate technologies have been explored and proposed to bring this visionary framework to reality. In order to fully understand these emerging technologies, comprehensive and multi-fold engineering paradigms are needed. It is possible to achieve the desired data rates, improve the error performance and reduce the effect of fading with multi-input multiple-output (MIMO) systems, which have multiple antennas in the transmitter and receiver. In MIMO systems, high diversity gain can be obtained transmitting multiple copies of the signal. However, the presence of more than multiple active transmit antenna during the transmission causes inter-channel interference (ICI). In addition, the RF chains, which are used to transmit signal from multiple antennas, increase the cost considerably.

While it is possible to reach high data rates by increasing the spectral efficiency, it is confronted with high energy consumption and increased system complexity problems. Owing to its low complexity and high energy efficiency, spatial modulation (SM), which is a sub-type of index modulation (IM), has attracted remarkable attention and has been extensively investigated in the past few years by researchers. In SM, the conventional modulation symbol from the $ Q $-quadrature amplitude modulation (QAM) or phase shift keying (PSK) is sent through an active antenna which is selected among $ N_t $ transmit antennas according to the index bits. 


The newest member of the IM family is media-based modulation (MBM), which is proposed for rich scattering wireless communication environments. In MBM, different channel fading realizations are obtained by changing the current distribution of the antenna by means of parasitic elements. In order to obtain high spectral efficiencies, these parasitic elements, called RF (radio frequency) mirrors, are placed near the transmit antenna. An RF mirror is an RA element that contains a PIN diode, which can be turned on or off according to the information bits to alter the radiation pattern of an RA. In MBM, $ N_{rf} $ number of RF mirrors, controlled by digital switches, allow to obtain $ 2^{N_{rf} }$ different channel states. Besides classical modulation methods such as $ Q$-PSK and $ Q$-QAM, different channel states are indexed and used as a new dimension to convey additional information bits.

In the scope of this work, we introduce the concept of quadrature channel modulation (QCM) by combining quadrature SM (QSM), which appears as a promising SM variant with high spectral efficiency and simple transceiver structure, and MBM transmission principles to further improve the data rate of SM-based MBM schemes while ensuring simple implementation with a single RF chain. QSM appears as a promising SM variant with its high spectral efficiency and simple transceiver structure. Our aim is to bring the attractive advantages of QSM, such as improved spectral efficiency and simple transceiver structure, into the field of IM by carefully designing a joint transmission mechanism, which
outperforms both QSM and MBM schemes in terms of spectral efficiency and bit error rate (BER) performance. Inspired by QSM, our scheme has three different operation modes that can provide interesting trade-offs among BER performance, data rate and complexity. Furthermore, our scheme can provide the same spectral efficiency as that of QSM by exploiting a considerably lower number of transmit antennas and only a single RF chain. It has been shown by theoretical average BER derivations as well as comprehensive numerical studies that the proposed schemes can achieve better error performance
than the reference single-input multiple-output (SIMO)-MBM, SM-MBM and conventional QSM schemes.

One of the most important issue in wireless communication networks is security. Security is generally provided by encryption protocols in the upper layers. This cryptography based on the mathematical complexity of the inverting. The existing computational power increases extremely with advances in technology. On the other hand, the idea of information-theory security was put forward by Shannon. This idea is based on perfect secrecy at the physical layer. In the context of this idea, an extra security can be created because of the randomness inherent in the channels. The transmitter wants to send secret messages to the receiver without being wiretapped by the eavesdropper. The corresponding maximum rate of the secret message is referred to as the secrecy capacity. If the main channel and the eavesdropper channel are exactly the same, the secrecy capacity would be zero. IM systems are also based on randomness and matchlessness of the channel. If all channels in SM/MBM are indistinguishable, corresponding data symbols cannot be recovered correctly at the receiver. Hence, physical layer (PHY) security and IM are fed from the same features of wireless channels. It is known from the existing work that SM can also improve PHY security by carefully designing the transmission signal. In this letter, our motivation is to reduce the amount of information in the eavesdropper by using precoding at the transmitter side, thereby increasing the secrecy mutual information rate for MBM and SM-MBM  schemes. Furthermore, the average BER of the legitimate receiver and the eavesdropper are obtained for MBM and SM-MBM in presence of Rayleigh fading channels. According to the obtained results, it has been shown that the maximum secrecy mutual information of SM-MBM is the sum of the logarithms of the numbers of transmit
antennas and RF mirrors, while the maximum secrecy mutual information of MBM equals to the number of RF mirrors.


In the last part of this work, with the motivation of exploiting fractional bit encoding, we propose a comprehensive solution that is applicable for both MBM and SM. With the aim of reaching an inclusive solution, the problem should be addressed from the perspective of both index and modulation bits, not only in terms of index bits. PSK/QAM modulation types play a restrictive role here as well as index modulation techniques. In the $ Q $-ary PSK/QAM, if $ Q $ is not equal to an integer power of two, particularly QAM method loses most of its advantages and the constellation space should be redesigned since constellation symmetry is no longer valid. The golden angle modulation (GAM), which did not exhibit asymptotic loss, were proposed as an alternative to QAM. This type of modulation, inspired by plants suchas leaf, seed, which have packing arrangements in the form of spiral phyllotaxis in nature, shows the same symmetrical distribution, regardless of its size. In this context, one of the aim of this paper is to design a novel scheme, which combines GAM and MBM, to break the limitation of fractional bits in IM while pursuing the high spectral efficiency and enhancing error performance of IM. Simulation results show that the proposed schemes achieve satisfactory error performance for different number of antennas and RF mirrors while only one RF chain used at the transmitter side.