Akıllı yansıtıcı yüzey destekli telsiz haberleşme sistemi ve insansız hava aracı konumlandırma

Abstract

Akıllı yansıtıcı yüzeyler (Reconfigurable Intelligent Surface, RIS) telsiz haberleşme sistemlerindeki kullanım olasılığı ve bunu destekleyen bir çok çalışma bu teknolojinin hem endüstriyel hem de akademik anlamda dikkat çekmesini sağlamıştır. Olağan haberleşme sistemlerinin propagasyon ortamı üzerindeki kabiliyeti oldukça sınırlıydı. Meta malzemelerin geliştirilmesi ve buna bağlı olarak RIS'ler üzerine yapılan çalışmalar propagasyon ortamı üzerindeki kabiliyetimizi artırdı. Bu sebeple telsiz haberleşme sistemlerindeki kanallara ait beklenmeyen bozucu etkilerin ve uygulamalarda karşılaşılan sınırlamaların RIS teknolojisi ile birlikte oldukça azalacağı öngörülmektedir. RIS'ler düşük maliyetli küçük devre elemanlarından oluşmaktadır. Bu sebeple üretim maliyeti açısından günümüz teknolojilerine yükü çok fazla olmayacaktır. Ayrıca bina ve araç yüzeylerine kolaylıkla entegre edilebilir yapıdadır. Bu, RIS teknolojisinin kolaylıkla ve düşük maliyetle kurulumunun yapılacağını göstermektedir. Tezin amacı RIS'in İHA konumlandırma ve güzergah oluşturma sistemlerinde, sabit ve hareketli kullanıcıların bulunduğu telsiz haberleşme sistemi için optimizasyon algoritması kullanarak enerji performansı iyileşmesi sağladığını göstermektir. Bu kapsamda RIS'in İHA'ya entegre edildiği iki kullanıcılı telsiz haberleşme sistemi üzerinden RIS'in performans analizi gerçekleştirilmiştir. Tezin ikinci bölümünde ise sabit kullanıcıların bulunduğu İHA güzergah belirleme çalışmasından yararlanarak, hareketli kullanıcılar için İHA konumlandırma ve güzergah oluşturma sistemi oluşturulmuştur. Bu kapsamda iki sisteme ait performans analizleri optimizasyon algoritması üzerinden gerçekleştirilmiştir. İlk olarak bu tezde RIS'lerin olası kullanım senaryoları üzerine bilgi verildi. Milimetre dalga haberleşme, eş zamanlı bilgi ve güç transferi, fiziksel katman güvenliği, mobil uç hesaplama, cihaz-cihaz haberleşmesi ve insansız hava aracı haberleşmesi alanında yapılan çalışmalardan bahsedildi. Sonraki kısımda RIS yapısı ve çalışma prensibi incelendi. Üç farklı RIS türü hakkında bilgi verildi. Ayrıca RIS kanal modellerinden bahsedildi. Oluşturulan RIS destekli telsiz haberleşme sistemi sönümleme ve gölgeleme etkisinde olduğundan belli başlı sönümleme ve gölgeleme modellerine de değinildi. Bu tezin diğer kısmında RIS üzerine performans analizi gerçekleştirilmiştir. Görüş hattı iletiminin olmadığı ve ortamdaki bozucu etkilerin var olduğu ortam göz önünde bulundurulmuştur. Bu sebeple görüş hattı iletiminin olmadığı senaryo için sönümleme ve gölgeleme etkisi varlığında sistem modeli oluşturulup kesinti olasılığı üzerinden sistem performansı incelenmiştir. Oluşturulan sistemde RIS'in İHA'ya entegre edildiği düşünüldü. Öncelikle iki kullanıcılı sistem için RIS üzerinde bulunan yansıtıcı eleman sayısına bağlı olarak kesinti olasılığının değişimi gözlemlenmiştir. Bu işlem gerçekleştirilirken Nakagami-m sönümleme ve ters Gamma gölgeleme etkisi altında sonuçlar elde edilmiştir. Yansıtıcı eleman sayısının kesinti olasılığına etkisini doğru gözlemlemek için sönümleme ve gölgeleme parametreleri bu inceleme esnasında sabit tutulmuştur. Elde edilen sonuçlarda yansıtıcı eleman sayısı artışının transfer için gereken verici gücünü ciddi miktarda düşürdüğü gözlemlenmiştir. Örneğin -2.5 dB verici SNR değeri için N=8 yansıtıcı eleman sayısında kesinti olasılığı değeri 3.7x10^-1 olarak hesaplanırken N=16 yansıtıcı eleman sayısında kesinti olasılığı değeri 1.6x10^-3 olarak hesaplanmıştır. Oluşturulan sistem modelinde bir diğer gerçekleştirilen inceleme gölgeleme ve sönümleme etkisinin şiddetidir. Bu inceleme yapılırken yansıtıcı eleman sayısı ve RIS ve kullanıcılara ait mesafeler sabit tutulmuştur. Nakagami-m sönümleme ve ters Gamma gölgeleme etkisinin incelenmesi için bu modellere ait biçim parametreleri değiştirilmiştir. m=1,1.5,2 ve α=2,2.5,3 değerleri için kesinti olasılığı hesaplanmıştır. Sönümleme ve gölgeleme etkisinin kanal performansını düşürdüğü ve kesinti olasılığı üzerinde artırıcı etki yaptığı görülmüştür. Kötü kanal koşullarında belirli kesinti olasılığı değeri altında kalmak için daha fazla verici gücü harcanacağı gözlemlenmiştir. RIS üzerine yapılan bu çalışma ile telsiz haberleşme sistemlerinde RIS'in sistem performansını artıracağı gözlemlenmiştir. Bu bulgular doğrultusunda, RIS teknolojisinin İHA konumlandırma ve güzergah planlama uygulamalarında kullanılabilirliği vurgulanmıştır. Sabit ve hareketli kullanıcılar için, RIS'li ve RIS'siz telsiz haberleşme sistemleri üzerinde ayrı ayrı İHA güzergah optimizasyonu üzerine çalışılmıştır. Ayrıca, RIS varlığında faz optimizasyonu sağlandığında performans analizi yapılmıştır. İlk aşamada, sabit ve hareketli kullanıcılar için RIS+P, RIS-P ve NO-RIS senaryoları için 3-boyutlu güzergahlar oluşturulmuştur. Bu güzergahlar, sistem enerji performansını doğrudan etkilemektedir. Hareketli kullanıcıların bulunduğu senaryoda, sistem performansında düşüş gözlemlenmiştir. Ancak RIS+P ve RIS-P senaryolarının, NO-RIS senaryosuna göre enerji performansını önemli ölçüde artırdığı ve enerji verimliliğini sağladığı görülmüştür. Sonuç olarak, bu bulgular, RIS teknolojisinin kullanılmasının, İHA uygulamalarındaki enerji performansını geliştirme potansiyeline sahip olduğunu göstermektedir. Benzer şekilde, sabit ve hareketli kullanıcılar için ayrı ayrı sistemin ortalama veri hızı ve throughput performansları incelenmiştir. RIS'in kullanıldığı senaryolarda performans iyileşmesi gözlemlenmiştir. Bu tezde, telsiz haberleşme sistemlerinde kullanılmak üzere geliştirilen İHA ve RIS teknolojilerinin etkinliği incelenmiştir. Elde edilen sonuçlar, RIS destekli İHA konumlandırma uygulamalarının hem sabir hem de hareketli kullanıcılar için enerji performansı açısından avantajlı olduğunu göstermektedir. Bu nedenle, gelecekte İHA konumlandırma ve güzergah oluşturma uygulamalarında RIS'in kullanılacağı öngörülmektedir.