Tez Arşivi

Tez aramanızı kolaylaştıracak arama motoru. Yazar, danışman, başlık ve özetlere göre tezleri arayabilirsiniz.


İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Anabilim Dalı / Telekomünikasyon Mühendisliği Bilim Dalı

2017

5G waveform design and software defined radio based proof of concept implementations

5G dalga formu tasarımı ve yazılım tabanlı radyo tabanlı kavram kanıtlama gerçeklemeleri

Bu tez, YÖK tez merkezinde bulunmaktadır. Teze erişmek için tıklayın. Eğer tez bulunamazsa, YÖK Tez Merkezi'ndeki tarama bölümünde tez numarasını arayabilirsiniz. Tez numarası: 465465

Tezi Bul
Özet:

Haberleşme mühendisliği alanı, ilgili sistemlerin fazlaca kullanıcıya hizmet verdiği ve bu sistemlere olan talebin yeni zorluklara sebep olduğu, hızlı gelişen bir alandır. Özellikle mobil haberleşme özelinde, haberleşme kaynakları giderek sınırlı hale gelmektedir. Haberleşme mühendisliği alanında ihtiyaç duyulan gelişmenin karşılanması için yoğun bir çaba gösterilmektedir. Fakat, kullanıcı sayısının artış hızı ve birçok yeni sektör ile entegrasyonun artışı dikkate alındığında bu çabaların etkisiz göründüğü bir durum oluşmaktadır. Özellikle yeni 5G çalışmalarından ortaya çıkan yeni tekniklerle beraber, sınırların aşılmasının yanında haberleşme kalitesinde ciddi bir artışa ihtiyaç duyulmaktadır. Mevcut haberleşme teknikleri birtakım avantajlar getirse de, gelecek için ihtiyaç duyulan haberleşme kalitesini sağlayacak bir nitelikte değildir. Özellikle birtakım kısıtlar kaliteyi sınırlandırıcı etki yapmaktadır. Bu sebeple yeni yaklaşımlara ihtiyaç duyulduğu söylenebilir. Özellikle yeni tekniklerin gerçek zamanlı çalışmaya uygunluğu çok önemlidir. Çünkü artan cihaz sayısına bağlı olarak gerçek zamanlı bozucu etkilerin daha baskın hale geldiği görülmektedir. Bu sebeple gerçek zamanlı testlerin modellerin performans gözlemlerinde olan ağırlığı artmaktadır. Modeller elde edilen sonuçlara göre güncellenmeli, ilgili etkilere karşı dayanıklı modellerin ortaya çıkarılması gereklidir. Bu yeni ilerlemelerle ve 5G teknolojisinin gelişimiyle beraber, önemi yüksek ve finansal değere sahip verinin mobil haberleşme ağları üzerinden gönderilmesi öngörülmektedir. Bu da önemli bir kavramdır ve yeni sorunlara sebep olmaktadır. Bütün bu kavramlar bu tezin kapsamında incelenmiş ve takip eden bölümlerde ayrı ayrı analiz edilmiştir. Bölüm 1'de tezin içeriğinin önemi vurgulanmış ve bölümlerin ana detayları açıklanmıştır. Bölüm 2'de, bu tezde kullanılan metodoloji hakkında ve yazılım tabanlı radyo (software defined radio, SDR) hakkında bir giriş verilmiştir. Tez kapsamında ele alınan konular, yeni ve 5G çalışmalarında öneme sahip konulardır. Geçmişle karşılaştırıldığında, günümüzde gerçek zamanlı performans analizi bir gereklilik haline gelmiştir, çünkü mevcut haberleşme ortamı gerçek zamanlı kanalda çeşitli zorluklarla karşılaşmaktadır. Birçok metot, bu ortamlarda fazlaca bozulmuş bir performance göstermektedir ve bu performans kaybı, uygun bir gerçek zaman performans analizi ile iyileştirilebilir. Bu hedeflenerek, gerçek zaman performans analizi yapmak için SDR teknolojisi çalışmalarımıza kullanılmaktadır. Bu teknolojinin yardımıyla sembollerin verici düğümlerden alıcı düğümlere havadan iletilebileceği testler yapılabilmektedir. Girişin yanında çalışmalarımızın gerçekleme detayları da açıklanmıştır. Bölüm 3'te dik olmayan çoklu erişim (nonorthogonal multiple access, NOMA) tekniği ele alınmış ve gerçek zaman performans sonuçları paylaşılmıştır. Yazarın literatür bilgisine göre, NOMA tekniğinin ilk kapsamlı SDR gerçeklemesi bu çalışmada yapılmış ve birçok gerçek zaman bileşeni gerçeklemede yer almıştır. Mevcut haberleşme sistemlerinde, dik çoklu erişim (orthogonal multiple access, OMA) teknikleri daha geniş bir kullanıma sahiptir. Fakat OMA kullanılması çeşitli verim kayıplarına neden olmaktadır. Özellikle kanalları görece iyi olan kullanıcılara yüksek verimli bir haberleşme hizmeti sunulmamaktadır. NOMA'nın en önemli faydası olarak, bu kullanıcıların haberleşme süresi boyunca aktif kalması ve yüksek bir veri hızı edinmesi sağlanabilmektedir. NOMA'nın gerçek hayatta uygulanılmasında ise en önemli bileşenlerden biri doğru kanal kestirimidir ve, referans sembollerin sıklığı ve miktarı önemli bir tasarım problemidir. Bu çalışmada aşağı yönlü NOMA için en uygun pilot sıklığı ve sayısına karar vermek amacıyla bir metot adapte edilmiş ve NOMA için önemli bir tasarım modeli ortaya konulmuştur. Yine Bölüm 3'te, çakışık kodlanmış dik frekans bölmeli çoğullama (superposition coded orthogonal frequency division multiplexing, SC-OFDM) olarak adlandırılan yeni bir dalgaformu bu çalışmada önerilmiştir. Literatürden farklı bir yaklaşım olarak, NOMA'nın çakışık kodlanma prensibi OFDM dalgaformuna uygulanmış ve yeni bir çoktaşıyıcılı dalgaformu önerilmiştir. Literatürde OFDM bazlı sistemlerde dik olmayan alttaşıyıcı ataması bir avantaj olarak ele alınmamıştır. Her ne kadar böyle bir yapının girişim nedeniyle performans kaybına sebep olacağı düşünülse de, gösterileceği üzere uygun bir verici ve alıcı yapısıyla SC-OFDM ile OFDM'e göre bir çeşitleme kazancı yaratılabilmektedir. SC-OFDM için farklı alıcı yapıları denenmiş, farklı bir alıcı yapısı da önerilmiştir. Yapılan ölçümlere göre önerilen dalgaformu, standart OFDM'e göre açık bir performans avantajına sahiptir. Bu detaylı hata performansı ölçümleri ile onaylanmış ve ilgili detaylar bu bölümde verilmiştir. Denenen alıcı yapıları, önerilen yapı ve eşdeğer OFDM yapısı farklı kanallar için ölçülmüş, performanslar gösterilmiştir. Farklı güç ataması durumu da simülasyonlar ile ölçülmüş, farklı performans gözlemleri de yapılmıştır. Bölüm 4'te, 5G ağları için önemli bir dalgaformu adayı olan evrensel filtrelenmiş çoklu-taşıyıcı (universal filtered multi-carrier, UFMC), literatürde bir ilk olarak gerçek zamanlı uygulanmıştır. Gerçek zamanlı çalışmaya uygunluk amacıyla UFMC için doğru parametreler araştırılmış, bu kapsamda geniş bir vizyon ortaya konulmuştur. Bununla beraber UFMC için bir pratik taşıyıcı frekans sapması (carrier frequency offset, CFO) ve zaman sapması (timing offset, TO) kestirimi metodu önerilmiştir. Ayrıca tarak tipi kanal kestiriminin iyileştirilmesi ve IQ eşitsizliği probleminin giderilmesi amacıyla bir metot da önerilmiştir. Bu dalgaformunun ana detayları, önerilen ek yöntemler ve gerçekleme özellikleri açıklanmıştır. Detaylı gerçek zamanlı testler ile performans noktaları gösterilmiştir. Sonrasında Bölüm 5'te, UFMC dalgaformu daha detaylı olarak incelenmiş ve dört yeni UFMC türevi dalgaformu önerilmiştir. Buna göre öncelikle yukarı yönlü haberleşmeye uygunluk hedeflenmiş, OFDM'deki tek-taşıyıcılı kodlama yaklaşımından yararlanılarak iki yeni UFMC türevi önerilmiştir. Bu dalgaformlarının performans detaylarının anlaşılabilmesi amacıyla farklı grup uzunlukları denenmiş, performanslar tepe gücünün ortalama güce oranı (peak-to-average power ratio, PAPR) ve yanbant yayılım güç ile ölçülmüştür. Bunun dışında sayısal önkodlama metodolojisi UFMC'ye uyarlanmış, yeni bir dalgaformu önerilmiştir. Simülasyonlarla gösterildiği üzere bu kodlama, spektral yanbant yayılımında önemli bir iyileşme getirmektedir. Detaylı CFO ölçümleri ile de gösterildiği üzere, bu arttırım önemli avantajlar sağlayabilmektedir. Son olarak farklı bir kullanıcı senaryosu düşünülmüş, önkodlama bazlı önerilen dalgaformunun başka bir türevi de önerilmiştir. Bütün dalgaformlarına yönelik detaylı hata performansı ölçümleri ile performans farklılıkları da ortaya konulmuştur. Bu simülasyonlarda toplanabilir beyaz Gauss gürültüsü (additive white Gaussian noise, AWGN) kanalı ve Rayleigh kanalı için OFDM ve ilgili UFMC dalgaformları karşılaştırılmış, farklı CFO değerleri için performanslar da elde edilmiştir. Bölüm 6'da, fiziksel katman güvenlik (physical layer security, PLS) değerlendirilmiş ve ilgili detaylar gösterilmiştir. Bahsedildiği üzere iletilen verinin güvenliği, yeni uygulamalarla beraber artmakta ve yeni tekniklere ihtiyaç duyulmaktadır. PLS, yeni nesil haberleşme ağları için önplandaki bir adaydır ve birçok fayda sağlamaktadır. Bu çalışmada, bir fabrika ortamı düşünülerek PLS senaryosu modellenmiş ve ilgili detaylar araştırılmıştır. Rician kanal modeline uygun bir varsayım olarak güvenli bölge yaklaşımı üzerine çalışılmıştır. Yapay gürültü (artificial noise, AN) ve tam çift-yönlü iletişim (full-duplex communications) teknikleri kullanılarak gerçek kullanıcıların iletim yollarında güvenli bölgeler oluşturulmaktadır. Ana işaretin bozulması yardımıyla kötü niyetli kullanıcıların aldıkları işaretler etkili bir şekilde bozulmaktadır. Gerçek zamanlı kullanım için önemli bir ayrıntı olarak iki farklı kötü niyetli düğüm düşünülmüş, iki farklı nitelikte donanım kullanılarak donanımın performansa etkisi ölçülmüştür. Bununla beraber üç farklı uzunluk için farklı test senaryoları ölçülmüştür. Testler ile gösterilmiştir ki PLS modelleri, güvenlik seviyelerinin arttırılmasında etkili olabilmektedir. Son bölüm olarak, Bölüm 7'de tez özetlenmiş ve ana noktalar vurgulanmıştır.

Summary:

Communication engineering field is a rapidly advancing field where related systems are served to high number of users and demand on these systems brings new challenges. Especially for mobile communications, communication resources are becoming more and more limited. There are efforts in communication engineering field to meet the requirements. However, because of the speed of the increase in the number of users and integration with various new sectors, these efforts seem ineffective. Particularly with the new trends arising from novel 5G studies, in addition to overcoming the limitations, significant improvements in communication quality are also becoming a necessity. With these targets, it is visioned that crucial data which has a financial importance, will be transmitted over mobile networks with the development of 5G. This fact brings additional challenges, especially from the security perspective. All these facts are investigated in this thesis and are analyzed separately in the following chapters. In Chapter 1, the importance of the scope of this thesis is highlighted and the main components of the chapters are explained. In Chapter 2, an introduction on the utilized methodology and software defined radio (SDR) technology is given. Considered topics in the scope of this thesis are novel topics and have an importance in 5G studies. Hence, compared to the state-of-the-art, real-time performance analysis becomes a must since current communication environment has some difficulties in the real-time channel. Most of the models may perform very deteriorated in such conditions and such performance loss can be enhanced with a proper real-time analysis. By targeting this, SDR technology is utilized in our studies in order to analyze their real-time performance. With the help of SDRs, experiments can be carried on in a way that symbols can be transmitted from transmitter to receiver nodes over the air. Implementation aspects of our studies are also explained. In Chapter 3, non-orthogonal multiple access (NOMA) technique is investigated and its real-time performance results are presented. To the best of authors' knowledge, first comprehensive SDR implementation of NOMA is realized in this study with broad real-time components. Moreover, a novel waveform is proposed in this study, which is entitled as superposition coded orthogonal frequency division multiplexing (SC-OFDM). Accordingly, proposed waveform has a certain performance advantage over standard OFDM. With detailed experiments, this claim is validated and details are given in the chapter. In Chapter 4, universal filtered multi-carrier (UFMC) waveform, which is an important waveform candidate for 5G networks, is implemented in real-time for the first time in the literature. Its main details, proposed additional methods and implementation aspects are explained. Then in Chapter 5, UFMC waveform is further investigated and four novel waveforms which are UFMC variations, are proposed. Precoding and single-carrier methodologies are exploited and detailed experiments are carried out. Related details are explained in this chapter. In Chapter 6, physical layer security (PLS) is evaluated and corresponding details are demonstrated. As mentioned, security of the transmitted data increases with new applications and proper methodologies are required. Accordingly, PLS is a leading candidate for next-generation networks and brings various benefits. In this study, a PLS scenario is modeled and the corresponding details are investigated. With experiments, it is shown that PLS models can be effective in the improvement of security levels. As the last chapter, thesis is summarized and main points are highlighted in Chapter 7.