Uzaysal modülasyonda enerji hasatlama
Energy harvesting in spatial modulation
Yazar: SAFA ÇELİK
Danışman: PROF. DR. HASAN ÜMİT AYGÖLÜ
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:
Günümüzde iletişim en temel gereksinimler arasında yer almaktadır. Dünya üzerinde teknoloji kullanan nüfusun günden güne artmasına paralel olarak enerjiye olan gereksinim de artmaktadır. Ancak, dünyamızda enerji üretimi için kaynaklar sınırlı olduğundan enerji gereksinimi çözüme kavuşturulması gereken problemlerden biridir. Özellikle de iletişim alanında gelecek nesil iletişim sistemleri göz önüne alındığında, bugün olduğundan çok daha fazla aygıt birbirleriyle iletişimde olacak ve bununla beraber iletilen veri miktarı da çok fazla olacaktır. Yoğun veri trafiğinde onlarca aygıtın iletişimde kalabilmesi ve iletişimin güvenilir olabilmesi için aygıtların enerjiden yoksun bırakılmaması gerekmektedir. Bu soruna bir çözüm olarak, telsiz ağlarda radyo frekanslı (radio frequency, RF) işaretlerden enerji hasatlama fikri ortaya çıkmıştır. Telsiz ağlarda enerji hasatlama, literatürde eşzamanlı telsiz bilgi ve güç transferi (simultaneous wireless information and power transfer, SWIPT) olarak  tanımlanmaktadır. SWIPT için ayrı bilgi çözme ve enerji hasatlama alıcısı olan alıcı tasarımı literatürde yaygın olarak değerlendirilen bir yaklaşım olarak karşımıza çıkmaktadır. Bu yaklaşıma dayalı enerji hasatlama protokolleri, zaman anahtarlamalı aktarım (time switching-based relaying, TSR) ve güç bölmeli aktarım (power splitting-based relaying, PSR) olmak üzere iki ana başlıkta incelenmektedir.

Telsiz iletişimde, kaynak birimi ve hedef birimi arasında doğrudan bilgi iletimi, doğrudan görüş hattının olmadığı (non line of sight, NLoS) veya doğrudan görüş kanalının zayıf olduğu durumlar gibi bazı nedenlerden dolayı yeterli olmamaktadır. Kaynak ve hedef birimleri arasında konumlanan bir röle yardımıyla bilgi iletimi yeterli hale getirilebilmektedir. Bu iletişim tekniği işbirlikli iletişim olarak tanımlanmaktadır. Enerji hasatlama fikriyle beraber röle görevi gören birimlerin işbirliği yaparken RF işaretlerden enerji hasatlayarak iletişime destek olmaları hedeflenmektedir.

İletişimde artan veri hızı gereksinimine çözüm olarak çok-girişli çok-çıkışlı (multiple-input multiple-output, MIMO) sistemler ortaya çıkmıştır. MIMO sistemlerde yüksek veri hızlarına çıkılırken sistem karmaşıklığının kabul edilebilir seviyelerde olması ve iletişimin de güvenilir olması hedeflenmektedir. Bu amaç için literatürde uzaysal modülasyon (spatial modulation, SM) tekniği sunulmuştur. SM'in ortaya çıkışından itibaren SM'ye olan ilgi artmış, SM teknikleri ve düşük karmaşıklıklı alıcı tasarımları yaygın olarak literatürde yerini almıştır.

Tez çalışmasında, bir kaynak, bir röle ve bir hedef biriminden oluşan ve uzaysal modülasyonun kullanıldığı işbirlikli enerji hasatlamalı iletişim sistemi incelenmektedir. Röle, iletim protokolü olarak çöz ve aktar (decode and forward, DF) tekniğine dayalı çalışmaktadır. Röle, kaynaktan kendisine ulaşan RF işaretten enerji hasatlayarak bir iletim gücü kazanmakta ve kaynaktan gelen bilgi işaretini çözerek hedef birimine bilgi iletimi yapmaktadır. Röle enerji hasatlamayı PSR protokolüne uygun olarak gerçekleştirmektedir.

Enerji hasatlamalı işbirlikli iletişim sistem modelinde, önce sabit kod çöz ve aktar (fixed decode and forward, FDF) aktarım protokolü ele alınmış, bit hata olasılığı için kapalı formda ifade elde edilmiş, bit hata başarımını belirleyen parametreler optimize edilerek elde edilen kuramsal sonuçlar bilgisayar benzetim sonuçlarıyla desteklenmiştir. İkinci olarak, simge tabanlı (symbol-based) ve eşik değeri tabanlı (threshold-based) seçmeli çöz ve aktar (selective decode and forward, SDF) protokolü enerji hasatlamalı işbirlikli sistem modeline uygulanmış, bit hata olasılığı için yine kapalı formda kuramsal ifade elde edilerek optimum parametre değerleri belirlenmiş, kuramsal sonuçlar bilgisayar benzetim sonuçlarıyla desteklenmiştir. Gerek FDF gerek SDF protokolleri için kuramsal sonuçlarla bilgisayar benzetim sonuçlarının uyum içinde olduğu görülmüştür.

Abstract:
In the current climate, communication is one of the most basic requirements. The need for energy increases with the increasing number of people using technology on the world. However, as the resources for energy production in our world are limited, energy needs are one of the problems that need to be solved. Especially in the field of communication, considering the next generation communication systems, more devices will communicate with each other than it is today, and the amount of data transmitted will be highly increased. Devices must not be deprived of energy to keep the communication of tens of devices in intensive data traffic and to be reliable in communication. As a solution to this problem, the idea of energy harvesting from radio frequency (RF) signals in wireless networks has emerged. In the literature, energy harvesting in wireless networks is defined as simultaneous wireless information and power transfer (SWIPT). For SWIPT, design of receiver which has independent information receiver and energy harvesting receiver is a widely accepted approach in the literature. Energy harvesting based on this approach are investigated under two main protocols: time switching-based relaying (TSR) and power splitting-based relaying (PSR).

In wireless communication, the transmitted information signal is attenuated by channel fading and, therefore, the reliability of communication is adversely affected. Direct information transmission between the source unit and the destination unit is not sufficient for some reasons, such as when there is non line of sight (NLoS) link or when this link is weak. The information transmission can be strengthened by means of a relay located between the source and destination units, and this communication technique is called as cooperative communication. By providing transmit diversity with the cooperative communication techniques, the error performance between the source and the destination units can be improved. The cooperative communication system model is given in the literature as two basic protocols: amplify and forward (AF) and decode and forward (DF). In the AF protocol, the relay cooperates by amplifying the received signal and transmitting it to the destination.
In the DF protocol, the relay decodes the received symbol and transmits it to the destination by performing the modulation process again. In the selective decode and forward (SDF) protocol, which is a special case of the DF protocol, the relay participates or does not participate to the cooperation according to the status of the received signal. Along with the idea of energy harvesting, it is aimed that the units serving as relays will support communication by harvesting energy from RF signals while cooperating with the source unit.

Single-input single-output (SISO) systems are unable to afford the need for high data rate and high bandwidth efficiency as a result of the increasing technology and the increase in the population using this technology. As a solution to the increasing data speed requirement, multi-input multiple-output (MIMO) systems have been proposed. While rising high data rates through MIMO systems, it is targeted that the system complexity stays in an acceptable level and the communication can be reliable. For this purpose, spatial modulation (SM) technique is presented to the literature. Spatial modulation has brought out a different dimension to traditional MIMO transmission techniques as a system in which antenna indices are used to carry information along with modulation symbols.
The low complexity of spatial modulation compared to traditional MIMO techniques has also been prominent. Since the appearance of SM the interest on it has increased, SM based modulation techniques and low complexity receiver designs have widely adopted in the literature.

The energy consumption of wireless communication is much higher than in cable communication systems such as fiber, copper or DSL. 3G technologies are about fifteen times higher than wired connections while using energy, this rate has reached twenty three times in 4G technologies. There is no clear data about what 5G and beyond technologies are to be used in energy consumption. The need for energy in the world is increasing day by day and solutions are provided to meet this need. Similarly, since the need for energy is high in wireless communication, this need has an important place for the quality and reliability of communication. Ensuring communication continuity in wireless communication networks needs the devices in communication to be always connected to the network. It is predicted that the number of devices involved in communication in the next generation communication systems will be higher than today and the energy consumption of these devices will increase with high data traffic. The idea of energy harvesting from RF signals has emerged as a solution to the increasing energy need in wireless networks. Energy harvesting implies devices receiving both information and collecting energy from the same RF signal obtained through the receiving antennas. The most important reason for the emergence of this idea is that RF signals carry both information and energy. By applying the time switching-based relaying (TSR) and power splitting-based relaying (PSR) energy harvesting protocols given in the literature, the energy consumption of the wireless system can be saved and the energy efficiency of the communication can be increased.

In the thesis study, cooperative energy harvesting communication system consisting of a source, a relay and a destination unit and using spatial modulation is investigated. The relay operates based on decode and forward (DF) technique as the transmission protocol and obtains a transmission power by energy harvesting from the RF signal received from the source and transmits information to the destination after decoding the information signal from the source. Energy harvesting in the thesis takes place according to the PSR protocol.

In the energy harvesting cooperative communication system model, first the fixed decode and forward (FDF) transmission protocol is considered. A closed form expression is obtained for the bit error probability, and by optimizing the parameters determining the bit error performance, the theoretical results are compared and supported by the computer simulation results. Second, the symbol-based and threshold-based selective decode and forward (SDF) protocols are applied to the energy harvesting cooperative system model. For the bit error probability, a closed form expression is derived. The theoretical results obtained for the optimum parameter values are supported by the computer simulation results. The theoretical and the computer simulation results are found in perfect agreement for both FDF and SDF protocols. Simulation and theoretical results for both FDF and SDF protocols are compared with the direct link communication and the cooperative communication system without energy harvesting.