OFDM with index modulation for 5g and beyond

Dikgen frekans bölmeli çoğullama (OFDM) günümüzde kullanılan kablosuz haberleşme sistemlerinin çoğunda kullanılan çok taşıyıcılı bir haberleşme tekniğidir. Çok taşıyıcılı sistemlerde iletim bandı dar alt kanallara bölünerek, veri bu alt kanallar üzerinden paralel olarak iletilir. Bu şekilde, haberleşmede yüksek veri hızlarına ulaşmayı ve gecikme yayılımın sebep olduğu kanal etkisinden kurtulmaya imkan vermektedir. Hatta, OFDM çoklu-numeroloji yapısıyla 5G'nin dalga formu olarak standartlaşmasına karar verilmiştir. Burada çoklu-numeroloji yapısı farklı frekans aralıklarına (frequency spacing) sahip sinyallerin bir arada kullanılmasını ifade etmektedir. Böyle bir kararda, OFDM'in sahip olduğu avantajları etkili olmaktadır: değiştirilebilen kullanılan alt taşıyıcı sayısı, alt taşıcıların gücü ve darbe şekillendirici filtreler yapısıyla verimli spektrum kullanımı; OFDM sembol blok boyutunu, döngüsel önek (CP) boyutunu ve alt taşıyıcı aralığının değiştirilerek farklı gereksinimlere ayarlanabilir esneklik; çoklu anten sistemlerine uygunluk; frekans uzayı eşitleme (equalization); birden çok kullanıcı için esnek paylaşım mekanizmalarına izin verme. Diğer taraftan, bugüne dek çözülmeye çalışılan OFDM'in iki ana dezavantajı bulunmaktadır: güç amplifikatörlerin doğrusal olmamaları nedeniyle gönderilecek sinyalin bozulmasına sebep olan yüksek tepe-güç ortalama oranı (PAPR) ve spektrum granülaritesini kötüleştiren yüksek bant dışı emisyon (OOBE). OFDM'in 5G haberleşme sistemleri için ana dalga formu seçilmesinin etkisiyle bu dezavantajlara daha iyi çözümler bulabilmek için yapılacak araştırmalar sürecektir. OFDM'in geliştirilmiş bir modülasyon tekniği olarak, indis modülasyonlu dikgen frekans bölmeli çoğullama (OFDM-IM) spektrum ve enerji verimli yeni nesil haberleşme sistemleri için önerilmiştir, ve son zamanlarda birçok araştırmacı tarafından araştırma konusu olarak seçilmiştir. Klasik OFDM'den farklı olarak, OFDM-IM bilginin taşınması için aktif alt taşıyıcıları ve bu taşıyıcıların indislerini kullanmaktadır. Bu sayede, bütün alt taşıyıcıları aktif olarak kullanmadan klasik OFDM ile aynı spektrum verimliliğinde gönderim yapmak mümkün olmaktadır. OFDM-IM'de vericide gönderilecek sembolün oluşturulması için gelen bitler iki gruba ayrılır. İlk gruptaki bitler, OFDM-IM'in alt bloğunda aktif olacak alt taşıyıcıları belirlemek için taramalı tablo veya özel algoritmalar kullanarak aktif alt taşıyıcı indislerini belirlemektedir. Taramalı tablo yöntemi boyutu küçük alt bloklar için, algoritma kullanımı ise büyük alt bloklara sahip sistemlerde kullanılmaktadır. Bu şekilde taramalı metodun büyük alt bloklarda yerleştirme yaparken oluşturacağı işlem karmaşıklığı ve hafıza gereksinim ihtiyacı ortadan kaldırılmaktadır. İkinci grup bitler ise aktif olarak belirlenen alt taşıyıcılarda taşınacak sembolleri belirlemektedir. OFDM-IM indis modülasyonu sayesinde klasik OFDM'e kıyasla dikkat çekici avantajlar sağlamaktadır: düşük-orta seviye spektrum verimliliklerinde daha iyi bit hata oranı performansı, taşıyıcılar arası girişim için daha iyi dayanıklılık, daha iyi ergodik ulaşılabilir (achievable) oran ve farklı kanal koşullarına ve sistem gereksinimlerine göre ayarlanabilir daha esnek bir yapı. OFDM'e kıyasla birçok avantajı olmasına rağmen, OFDM-IM de OFDM benzer olarak yüksek PAPR'a sahiptir ve bu önemli dezavantajı çözmek için literatürde yeterli çalışma bulunmamaktadır. OFDM için önerilen metotlar OFDM-IM'in yüksek PAPR'ı düşürmek için kullanılabilir, fakat farklı sinyal yapısından dolayı aynı şekilde performans kazancı olmamaktadır. Örneğin, OFDM-IM'in bu dezavantajını çözmek için OFDM için iyi bilinen yüksek PAPR azaltma yöntemlerinden biri olan aktif takımyıldız uzantısı (ACE) metodu kullanılabilmektedir. OFDM-IM sembolün sahip olduğu aktif olmayan alt taşıyıcılar nedeniyle bu PAPR azaltma metodunun daha az etkili olmasından dolayı, aktif olmayan alt taşıyıcıların üzerlerine kırpılmış sinyaller ekleyerek yüksek PAPR daha iyi azaltılabileceği önerilmektedir. Aktif olmayan alt taşıyıcıların üzerlerine eklenecek sinyal belli bir üst değeriyle sınırlandırılmıştır, bu şekilde eklenen sinyal bit hata oranı performansında hafif bir bozulmaya sebep olmaktadır. Bilgisayar simülasyonu sonuçları, önerilen metodun OFDM ve OFDM-IM'de aktif takımyıldız uzantısı metodunun PAPR azaltma performansından daha iyi bir kazanç verdiğini ve uygun bir kırpma seviyesi seçildiğinde bit hata oranı performansında çok az bir kayıp ile daha fazla enerji verimli bir performans alındığını göstermektedir. Burada kırpma seviyesi düşük seçildiğinde alt taşıyıcıların üzerlerine eklenecek sinyalin gücü artacağından daha kötü bit hata oranı alınmasına neden olmaktadır, ama kullanılan modülasyon derecesine göre bu kırpma değeri ayarlanarak PAPR'ın çok iyi azaltılması ve çok az bir bit hata oranı ile sistemin çalışması sağlanabilmektedir. Ayrıca, önerilen yöntem ve aktif takımyıldız uzantısı metodu birleştirilerek daha iyi bir PAPR alınmasını sağlandığı gösterilmektedir. Önerilen yöntemi lineer-logaritmik seviyelerde işlem karmaşıklığına indirgemek için akıllı gradyanlı projeksiyon (SGP) metodu kullanılmaktadır. Bu sayede önerilen metot pratik sistemlerde uygulabilir olabilmektedir. 5g kablosuz ağ, gelişmiş mobil geniş bant (eMBB), ultra güvenilir ve düşük gecikmeli haberleşme (URLLC) ve büyük makine tipi haberleşme (mMTC) olarak sınıflandırılmış çeşitli kullanım durumlarına hizmet verecek şekilde gelmektedir, ve bunlar birbirinden farklı gereksinimler ihtiyaç duymaktadırlar. eMBB servisleri çok yüksek veri hızları ve daha büyük bant genişliklerine ihtiyaç duymaktadır. URLLC servisleri çok düşük gecikme, çok yüksek güvenilirlik (reliability) ve ulaşılabilir olma durumuna sahip olmayı gerektirmektedir. mMTC servisler ise masif bağlantı, düşük bant genişliği, düşük güç tüketimi ve artırılmış kapsama alanı gibi gereksinimlere ihtiyaç duymaktadır. Sonuç olarak, tek bir çözümün bütün bu ihtiyaçları karşılaması zor gözükmektedir, bu sebeple 5G kablosuz ağları yeni radyo erişim teknolojileriyle esnek fiziksel katman çözümlerinin geliştirilmesini gerektirmektedir. Bu noktada OFDM-IM, farklı kullanıcı taleplerinin karşılanabilmesi için esnek bir çözüm ortaya koymaktadır. Gönderilen düşük veri miktarı, düşük güç tüketimi ve düşük maliyetli gibi mMTC servislerinin gereksinim ihtiyaçları göz önünde bulundurularak daha iyi spektrum ve enerji verimli haberleşme için derin sönümlü kanallara göre hizalanmış OFDM-IM sistemi önerilmektedir. Önerilen yöntemde, OFDM-IM'deki aktif olmayan alt taşıyıcılar derin sönümlü kanallardan kaçınmak için kullanılmaktadır, çünkü boş bırakılan alt taşıyıcılar derin sönümlü kanallara rasgelmesi herhangi sinyal gücü taşımadıklarından onları etkilememekte ve bu şekilde sistemin bit hata oranını önemli ölçüde düşürmektedir. Bilgisayar simülasyon sonuçları, klasik OFDM ile aynı spektrum verimlilikte 10^(-4) değerinde referans bit hata oranı için 10 dB'den fazla kazanım yapıldığı göstermektedir. Önerilen yöntemin sunmuş olduğu derin sönümlü kanalların etkisinin azaltılması çözümü, klasik OFDM sistemlerinde kodlama teknikleriyle giderilmektedir. Bu sebeple, önerilen yöntem aynı spektral verimlilikte konvolüsyon kodlu OFDM ile karşılaştırılmış ve önerilen yöntemin daha iyi bit hata oranı performansı elde ettiği gösterilmektedir. Burada önerilen yöntem sadece OFDM-IM sistemlerinde uygulanabilmesi, spektrum verimliliğini kaybetmeden uygulanabilmesi, düşük işlem karmaşıklığına sahip olması ve daha güvenilir bir haberleşme imkanı sunması yönleriyle kodlama tekniklerine farklılık göstermektedir. Buna ek olarak, bilgisayar simülasyon sonuçlarını desteklemek için önerilen yöntemin teorik hata performans analizi yapılmaktadır.