Çok kullanıcılı çok-girişli çok-çıkışlı sistemler için uzaysal modülasyon tabanlı özgün sistem tasarımları

Abstract

2010'lu yıllara girerken çok-girişli çok çıkışlı (multiple-input multiple-output, MIMO) sistemlere uygulanabilen umut vaad eden yeni bir iletim tekniği önerilmiştir: uzaysal modülasyon (spatial modulation, SM). SM ile klasik modülasyonlu simgeler üzerinden iletimin yanı sıra kullanılan antenlerin indisleri üzerinden de iletim tekniği geliştirilmiştir. Böylece haberleşmeye yeni bir bakış açısı kazandırılmıştır. Spektral verimlilik, enerji verimliliği ve hata başarımı açısından klasik MIMO ve tek-girişli tek-çıkışlı (single-input single-output, SISO) sistemlere nazaran üstünlükleri bulunan SM tekniği son yıllarda revaçtadır. Yine yakın bir tarihte, 2015'te, SM'in spektral verimliliğini ve hata başarımını arttıracak yeni bir iletim tekniği geliştirilmiştir: dik uzaysal modülasyon (quadrature spatial modulation, QSM). Yeni önerilen bu teknik ile SM'e nazaran daha yüksek hata başarımı elde edildiği ve spektral verimliliğin de iyileştirildiği literatürdeki öncü çalışmalarda gösterilmiştir. Literatürde noktadan noktaya (point-to-point, P2P) SM ve QSM çalışmalarına sıklıkla rastlanmakta iken SM ve/veya QSM tabanlı çok-kullanıcılı (multi-user, MU) uygulamalar için yapılan çalışmalar son yıllarda önem kazanmaktadır. Bu çalışma kapsamında, çok-kullanıcılı MIMO sistemlerde SM ve QSM tabanlı özgün sistemlerin geliştirilmesi değerlendirilmiştir. Öncelikle literatürde mevcut olan MU-MIMO SM çalışması temel alınarak, hem spektral verimliliği arttırmak hem de hata başarımını iyileştirmek amacıyla ilgili sisteme QSM uyarlanmış ve MU-MIMO QSM sistemi önerilmiştir. Önerilen sistemin literatürde önerilen MU-MIMO SM sistemine nazaran hem toplam spektral verimlilik hem de kullanıcı başına spektral verimlilik açısından daha üstün olduğu gösterilmiştir. Ayrıca yapılan bilgisayar benzetimleri ile MU-MIMO QSM sisteminin MU-MIMO SM sisteminden daha yüksek hata başarımına sahip olduğu da gösterilmiştir. Önerilen MU-MIMO QSM ve literatürde mevcut olan MU-MIMO SM sistemlerinin sakıncalı yönleri göz önünde bulundurularak yapılan çalışmalar ilerletilmiştir. Özellikle kullanıcı başına tek bir radyo frekans (radio frequency, RF) zincirinin düşmesi sebebiyle maliyet ve güç tüketimi açısından literatürdeki mevcut MU-MIMO SM sistemi ile tez kapsamında önerilen MU-MIMO QSM sistemini iyileştirmek amacıyla yeni özgün sistemler önerilmiştir: azaltılmış sayıda RF zincire sahip MU-MIMO SM/QSM sistemleri. Bu sayede farklı kullanıcıların aynı RF zinciri ve aynı SM/QSM iletim vektörü üzerinden haberleşmelerine olanak verilmiştir. Böylece MU-MIMO SM ve MU-MU QSM sistemleri ile aynı sayıda kullanıcıya daha az sayıda RF zinciri ile hizmet verebilen özgün bir sistem önerilmiştir. Önerilen sistem için hata başarımı analizleri yeni bir yaklaşım ile yapılmıştır. Bu yaklaşımda anten indisleri ve simgeler üzerinden ayrı ayrı ortalama bit hata olasılığı (average bit error probability, ABEP) hesabı yaklaşımı temel alınmıştır. Literatürde SM için benzer yaklaşımın farklı bir hesaplama yöntemiyle kullanıldığı bir çalışma olsa da QSM için önerdiğimiz yaklaşım ve matematiksel çıkarımlar literatürde henüz bulunmamaktadır. Böylece çok-kullanıcılı sistemler ve QSM literatürüne yeni bir bakış açısı kazandırılmıştır. Üçüncü olarak, bir baz istasyonundan (base station, BS) tüm kullanıcılara ortak bir bilgi iletimi olduğu durum göz önüne alınarak ortak bilgi iletimli MU-MIMO QSM sistemi önerilmiştir. Bu sistem ile her kullanıcı için gönderilen kullanıcıya özgü verilerin yanı sıra ortak bilginin iletimi de sağlanmıştır. Ortak bilgi ve kullanıcıya özgü veriler, farklı kombinasyonlarla anten indisleri ile simgelere yüklenerek gerçekleştirilmiştir. Bu sebeple ortak bilgi iletimi için farklı senaryolar değerlendirilmiş ve her bir senaryo için ayrı ayrı ABEP çıkarımları yapılmıştır. Yapılan bilgisayar benzetimleri ile kuramsal olarak türetilen hata olasılığı çıkarımlarının uyumlu sonuçlar verdiği gösterilmiştir. Ayrıca hem ortak bilgi üzerinden hem de kullanıcıya özgü veriler üzerinden hata başarım karşılaştırmaları yapılmıştır. Dördüncü ve son olarak çok-kullanıcılı MIMO sistemler için literatür araştırmaları sonucunda, verici BS'de her bir kullanıcıya sabit sayıda verici anten ataması yapıldığı gözlenmiştir. Bu sebeple hem daha esnek bir verici anten seçimi olması hem de sistemdeki yüksek öncelikli kullanıcılara farklı spektral verimliliklerde iletim sağlanabilmesi için değişken sayıda verici anten atama algoritması geliştirilerek literatüre kazandırılmıştır. Böylece daha esnek bir anten tahsis yöntemi geliştirilmiş ve olası tüm anten kombinasyonları BS'de elde edilmiştir. Bu sayede sistemdeki ilgili kullanıcılara en uygun anten atama kombinasyonu seçilerek iletim sağlanabildiği gösterilmiş olup SM ve QSM tabanlı MU-MIMO sistemlere uyarlanabileceği gösterilmiştir. Böylece yapılan özgün çalışmalar ile çok-kullanıclı MIMO sistemler literatürüne, katkıda bulunulmuştur. İyileştirilmesi hedeflenen spektral verimlilik, hata başarımı ve maliyet parametrelerinin her biri için farklı özgün sistemler geliştirilmiştir.