LEE- Telekomünikasyon Mühendisliği-Yüksek Lisans

Bu koleksiyon için kalıcı URI

http://hdl.handle.net/11527/19469

Gözat

Yazar "Aktaş, Ahmet Muaz" ile LEE- Telekomünikasyon Mühendisliği-Yüksek Lisans'a göz atma
  • Öge
    RIS-röle donanımlı İHA ağları: Yeni tasarımlar ve performans analizleri
    (Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2024-12-27) Aktaş, Ahmet Muaz ; Altunbaş, İbrahim ; 504211302 ; Telekomünikasyon Mühendisliği
    Gelecek nesil haberleşme sistemleri için artan veri ve kapasite ihtiyacını karşılamak açısından yüksek veri hızı ve enerji verimliliği sağlayan teknolojilerin kullanılması önemlidir. Sistemin uçtan uca işaret gürültü oranı (SNR) değerine göre daha yüksek performans elde edebilmek için bu teknolojiler birbiriyle entegre biçimde çalışmalıdır. Karasal olmayan haberleşme ağları (non-terrestrial networks, NTN) gelecek nesil haberleşme sistemlerinde küresel boyutlara ulaşabilen kapsama alanı ve hareket kabiliyeti sunarak, acil durum senaryoları vb. kritik durumlarda haberleşme altyapısını tekrar ayağa kaldıracak potansiyele sahiptir. Yeni nesil haberleşme sistemlerinde karasal baz istasyonları, yüksek frekanslarda öngörülen veri ihtiyacını karşılamak için destekleyici sistemlere ihtiyaç duymaktadır. Karada bulunan engeller ve bozucu etkenler, performansı azaltmaktadır. Ayrıca haberleşme kapsama alanının artırılması karasal baz istasyonları ile daha maliyetlidir. Özellikle haberleşme verisini ulaştırmanın daha zor olduğu uzak kırsal bölgelerde ve yoğun, yüksek katlı şehir ortamlarında karasal olmayan ağlar ile birlikte kullanım düşünülebilir. Günümüzde Starlink gibi alçak dünya yörüngesi (low earth orbit, LEO) üzerindeki haberleşme uyduları küresel çapta haberleşme hizmeti sunmaktadır. Ancak LEO uydu sistemlerinin, fırlatma ve yörüngeye yerleştirilmesi açısından yüksek maliyetli olması ve sabit hedeflere uzun süreli hizmet verememesi gibi dezavantajlı yanları bulunmaktadır. Karasal olmayan ağlarda bir diğer katmanı oluşturan HAPS (yüksek irtifa platform sistemleri, high-altitude platform systems) kullanılarak stratosfer tabakasından kullanıcılara kesintisiz haberleşme hizmeti sağlanabilir. Günümüzde daha alçak yörüngede, maliyet açısından çok daha uygun insansız hava aracı (İHA) sistemleri öne çıkmaktadır. İHA'lar havasal baz istasyonu, röle gibi teknolojilerle bütünleşik kullanılabilmektedir. Ayrıca sabit karasal sistemlere hareket kabiliyeti ekleyebilmektedir. Gerek yüksek katlı ve yoğun şehir ortamlarındaki binalar arasında, gerekse kırsal alanlarda uzun mesafelerde kapsama alanının artırılabilmesi için İHA'lar, karasal ağlara nazaran kuvvetli bir alternatiftir. Diğer yandan, malesef ülkemizde çok sık meydana gelen deprem gibi büyük felaketler ve acil durumlarda haberleşme altyapısının çökmesi halinde, karasal olmayan ağlar, bu felaketler esnasında tahrip olan haberleşme sistemlerine alternatif olabilmektedir. Yeniden ayarlanabilir akıllı yüzeyler (reconfigurable intelligent surfaces, RIS) yeni nesil haberleşme sistemlerinde veri iletimi, kapasite artışı gibi ihtiyaçların karşılanması için bir diğer destekleyici çözüm olarak önerilmektedir. RIS'ler verici ve alıcı arasındaki haberleşme performansını iyileştirmek için vericiden gelen elektromanyetik dalganın çoklu anten yapısı ile fazını değiştirerek yönlendirilmesiyle sistem performansına hüzme biçimlendirme kazancı sağlamaktadır. Ayrıca aktif kuvvetlendirici devrelerin kullanıldığı aktif RIS yapısında gelen işaretin hem fazını hem de genliğini değiştirerek çok daha yüksek performans artışı sağlayabilir. Kapsama alanının ve hata performansının artırılması adına bu tez kapsamında kaskat ve çok hatlı kaskat RIS sistemleri önerilmektedir. Kaskat yapıda, birden fazla İHA-RIS düğümü üzerinden mesaj işareti alıcıya ulaştırılır. Her bir İHA-RIS düğümünün arasındaki yol kayıpları çarpımsal yol kaybı etkisini ortaya çıkarmaktadır. Kaskat sistemlerde çarpımsal yol kaybı etkisini azaltmak için aktif RIS'ler kullanılarak hem hüzme biçimlendirme hem de kuvvetlendirici devre eleman kazançlarından yararlanılarak sistem performansı artırılabilir. Yüksek katlı yoğun şehir ortamlarında, engeller nedeniyle haberleşme kalitesi düşebilmektedir. Bu ortamlarda LOS (Açık Görüş Hattı, Line of Sight) alanını artırmak ve bütün noktalara veri transferi sağlayabilmek için kaskat İHA'larla birlikte bu İHA'lara monte edilmiş RIS yapıları bahsettiğimiz problemlere çözüm sunabilir. Bu bağlamda, öncelikle senaryoya uygun büyük ölçekli ve küçük ölçekli kanal modelleri araştırılmıştır. Büyük ölçekli kanal modeli için, İHA teknolojileri içeren sistemlerin maruz kalabileceği çevresel faktörlere uygun bir benzetim ortamı oluşturulmuştur. Böylece İHA'nın üç boyutlu ortam üzerinde büyük ölçekli yol kaybı parametreleri incelenmiştir. İşaret gürültü oranı (signal to noise ratio, SNR) değeri üzerinden sistem performansı analiz edilmiştir. Bilinen boş uzay yol kaybı parametrelerinin yanı sıra havasal yol kaybı değeri hesaplanmıştır. İHA veya İHA'ya monte edilmiş RIS sistemlerinin boş uzay yol kaybı etkisi ve havasal yol kaybı etkisine maruz kaldığı durumlar birbiri ile karşılaştırılmıştır. Oluşturulan büyük ölçekli yol kaybı benzetim ortamında, görünür olma olasılığı esas alınmaktadır. Görünür olma olasılığı değerine bağlı olarak farklı katsayı değerleri büyük ölçekli yol kaybı için uygulanmış ve gerçek bir üç boyutlu İHA sistem modeli oluşturulmuştur. Büyük ölçekli yol kaybı parametrelerinin elde edilmesinin ardından küçük ölçekli yol kaybı parametreleri belirlenmiştir. Sistem modeli oluşturulurken her bir RIS elemanına gelen ve yansıyan kanalın genlik katsayısı Nakagami-$m$ dağılımlı rastgele değişkenler ile modellenmiştir. Kanalların fazları ele alındığında, literatürde tek bir RIS ile oluşturulan sistem modellerinde verici ile RIS ve RIS ile alıcı arasındaki kanallarda ortaya çıkan faz değerleri RIS elemanlarının faz konfigürasyonu ile kompanze edilmektedir. Ancak kaskat RIS yapısında ortaya çıkan kanalların faz değerleri, düzgün dağılımlı rastlantı değişkeni olarak modellenmiştir. Kaskat pasif RIS sistem modeli aktif RIS teknolojisi ile güçlendirilmiştir. Aktif RIS'te kullanılan kuvvetlendirici devre elemanları sayesinde her bir kanal için genlik katsayısı değeri artırılmıştır. Aktif kuvvetlendirici devre elemanından kaynaklı dinamik gürültü nedeniyle oluşan faz gürültüsü, pasif RIS durumunda ele alınan faz değerleri ile birlikte düzgün dağılımlı rastlantı değişkeni ile modellenir. Aktif RIS yapısında, kuvvetlendirici elemandan kaynaklı olarak harcanan güç miktarı artacaktır. Bu çalışma kapsamında sistem modeli oluşturulduktan sonra aktif RIS sisteminin enerji verimliliği hesabı yapılmaktadır. Kullanılan kuvvetlendirme katsayılarına rağmen aktif RIS yapısının enerji verimliliğinin pasif RIS sistemlerine göre daha yüksek olduğu analiz edilmiştir. Her iki durumda toplam harcanan gücün eşit dağıtıldığı farklı senaryolar ele alınmış, SNR performansı bakımından karşılaştırma yapıldığında aktif RIS durumunda çok daha avantajlı bir sistem modeli oluştuğu ortaya çıkmıştır. Küçük ölçekli kanal modellemesi için Nakagami-$m$ dağılımlı rastgele değişkenlerin toplamları gamma dağılımlı rastgele değişkenli bir kanal modeline yakınsatılmış ve bu yakınsama, teorik ve benzetim sonuçları ile doğrulanmıştır. Kaskat pasif ve aktif RIS kullanılması durumunda kesinti olasılığı ve bit hata olasılığı denklemleri kapalı formda gösterilmiş ve teorik performans eğrileri benzetim sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Bu çalışmada kaskat aktif RIS yapısının yanı sıra RIS seçimi algoritması kullanılmıştır. İlk durumda kaskat RIS sisteminde tek hatlı yapı bulunmaktadır. Yeni sistem modelinde her bir atlamada birden fazla RIS donanımlı İHA birinci fazla kaynaktan gelen işareti almaktadır. Her bir RIS donanımlı İHA üzerine gelen işaretin SNR bilgisi vericiye geri bildirim olarak gönderilir. Birinci fazda elde edilen SNR'ler arasında karşılaştırma yapılarak en yüksek SNR değerine sahip kanal belirlenir. Sonraki fazda iletim, en güçlü anlık SNR'ye sahip olan kanal üzerinden devam etmiştir. Bu işlem birinci fazda seçilen RIS donanımlı kaskat İHA-RIS kanalı üzerinden devam ederek alıcıya ulaşır. Bu senaryoda elde edilen sistem performansı incelenmiş ve RIS seçimi algoritmasının sağladığı iyileştirme gözlemlenmiştir. Havasal haberleşme bakımından İHA'lara entegre RIS sistemlerinin yanında İHA'lara entegre röle sistemleri hakkında literatür incelenmiştir. Karasal haberleşme için kullanılan röle sistemlerine alternatif olarak, havasal haberleşmenin avantajlarından yararlanan sistemler geleneksel sistemlere nazaran daha üstün konumdadır. Tasarlanan kaskat çok hatlı İHA-RIS sistem modelinin ardından çok atlamalı çok hatlı hibrit İHA-RIS/röle sistem modeli önerilmiştir. Çalışma kapsamında İHA-RIS sistem modelinde çıkarımları yapılmış olan kanal modellemeleri, röle sistem modeliyle hibrit çalışacak şekilde tasarlanmıştır. Çok atlamalı çok hatlı İHA-RIS/röle sisteminde ilk atlama sırasında İHA-RIS üzerinden geçirilen işaret alıcı röleye ulaşır. Bir sonraki atlamalarda işaret, İHA-RIS ve İHA-röle sistemi üzerinden iletilerek devam eder. Her bir atlama esnasında İHA-RIS'ler üzerinden geçirilen işaret İHA-röle alıcılara iletilen işaretin maksimum SNR değerlerine göre seçim algoritması uygulanır. İHA-RIS sistemleri üzerinden iletilen işaretler birden fazla İHA-RIS sistemi üzerinden de röle sisteminde alınabilmektedir. Yeni sistem modeli sayesinde hem RIS hem de röle sistemlerinin sağlayacağı avantajlardan faydalanmak amaçlanmıştır. Bahsi geçen sistem modellerinde yapılan benzetimler ve teorik analizler neticesinde önemli ölçüde performans artışı gözlemlenmiştir. Bu çalışma 6G ve ötesi gelecek nesil haberleşme ağlarında etkili bir çözüm sunmaktadır. Aynı zamanda sunulan çözümün etkisi teorik olarak ve benzetimler ile kanıtlanmıştır. İleride ihtiyaç duyulacak veri hızlarına ve kapasite değerlerine katkı sağlayacak bir çalışma olarak değerlendirilebilir.