Reconfigurable intelligent surface-based novel transceiver architectures and multiple access

Beşinci nesil (fifth generation, 5G) sistemlerine kadar, bir kablosuz haberleşme sisteminin kanalı, kontrol edilebilir bir sistem parametresi olarak değil, kablosuz ağların uç noktaları olan alıcı ve vericilerde rastgele olarak algılanan fiziksel bir sistem olarak ele tanımlanmıştır. Bu nedenle, bir haberleşme sisteminin kanalının kontrolü mümkün görülmemekte ve bunun yaratacağı olumsuz etkileri ortadan kaldırmanın tek yolu ise, ağın uç noktalarında bu etkiye müdahale etmekten geçmektedir. Son yıllarda, uyarlanabilir akıllı yüzey (reconfigurable intelligent surafaces, RIS) teknolojisi, kablosuz haberleşme kanallarına kontrol edilebilirlik yeteneği sağlamaktadır. Daha önce benzerine rastlanmamış kanalı manipüle etme yeteneğine sahip RIS teknolojisi, kablosuz ağı iyileştirmek için, iletim kanalını, diğer geleneksel parametrelerle işbirliği içinde optimize edilebilecek bir tasarım parametresi (kısmen de olsa) olarak kullanmaktadır. Bu amaçla kullanılan akıllı yüzeyler, her bir elemanı, yüzeye çarpan elektromanyetik dalgayı soğurarak veya karşı tarafa yansıtarak yeniden şekillendirmektedir. Böylece, son yıllarda yapılan çalışmalar, uyarlanabilir ve düşük maliyetli RIS'lerin neredeyse bütün mevcut kablosuz iletişim sistemleriyle entegrasyonunun sağlanabileceği öngörülmektedir. Bu nedenle, RIS teknolojisi, 6G ve ötesi kablosuz ağlar için potansiyel bir aday olabilecek, umut vadeden yeni bir teknoloji olarak büyük bir ilgi görmektedir. Bu tez, RIS teknolojisinin yeni nesil kablosuz ağlarda kullanılma potansiyelini araştırmaktadır. Bu amaçla, bu tezde, mevcut kablosuz iletişim sistemlerinin alıcı-verici mimarilerine RIS teknolojisini dahil ederek, klasik sistemlere kıyasla performanslarını iyileştirmeye yönelik özgün sistem tasarımları ve çözümler sunulmaktadır. Özetle, bu tezde, tek kullanıcılı ve çoklu erişime sahip çok kullanıcılı yedi farklı RIS-destekli kablosuz iletişim sisteminin tasarımını ve performans analizi aşağıdaki gibi üç farklı bölümde sunulmaktadır. Bu tezin ilk bölümünde, klasik çok-girişli çok-çıkışlı (multiple-input multiple-output, MIMO) sistemlerin başında gelen, dikey Bell laboratuvarları katmanlı uzay-zaman kodu (vertical Bell Laboratories layered space-time, VBLAST) ve Alamouti uzay-zaman kodunu, RIS ile birleştirilerek iki farklı sistem tasarımı önerilmektedir. Önerilen VBLAST-tabanlı sistemde, RIS yardımıyla, RIS'te sıfırlama ve iptal etme (nulling and cancelling)-tabanlı yarı-optimum bir algoritma kullanarak iletim ortamını iyileştirilmesi ve aynı zamanda, indis modülasyonu (index modulation, IM) tekniğine başvurularak bant verimliliğinin büyük ölçüde arttırması hedeflenmiştir. Bunun yanı sıra önerilen Alamouti şemasında, klasik verici yapısında kullanılan iki radyo frekansı (radio frequency, RF) zincirinin yerini, tek bir RF sinyal üretecinin aldığı RIS-tabanlı bir verici tasarımı önerilmektedir. Bu tezin ikinci bölümünde, RIS teknolojisi, dik olmayan çoklu erişim (non-orthogonal multiple access, NOMA) tekniğine aşağıdaki gibi entegre edilmiştir. Bu çalışmada ilk olarak, bant verimliliğinin arttırılması, tüm kullanıcıların ergodik kapasitesini iyileştirilmesi ve kullanıcı eşitliği sağlanması amacıyla, RIS'in alt-bölümlere ayrıldığı bir RIS-tabanlı NOMA sistemi önerilmiştir. Önerilen bu sistemde, baz istasyonu (base station, BS) ve RIS farklı kullanıcı kümelerine tahsis edilerek, kullanıcı kümeleri arasındaki karşılıklı girişimin en aza inmesi sağlanmıştır. Daha sonra ise, tam kapsama alanını ulaşmak için, RIS'in genelleştirilmiş versiyonu olan eş zamanlı iletim ve yansıma (simultaneous transmission and reflection, STAR) fonksiyonlarına sahip STAR-RIS yapısı göz önünde bulundurulmuştur. Bu çalışmada, STAR-RIS yapısının mod değiştirme prensibi kullanılarak, STAR-RIS yüzeylerinin her iki tarafında konumlanmış çoklu dik-olmayan kullanıcılara hizmet verildiği bir NOMA sisteminin bit hata oranı (bit error rate, BER) incelenmiştir. Burada, mükemmel ve kusurlu ardışık girişim engelleme (successive interference cancellation, SIC) durumları için kapalı formda BER ifadelerini türetilmiştir. Ayrıca, yüksek işaret-gürültü oranı (signal-to-noise rati, SNR) bölgesindeki BER davranışı hakkında daha fazla bilgi sunmak için asimptotik analizler yapılmıştır. Bu bölümde son olarak, STAR-RIS-destekli NOMA sistemleri için genel sistem tasarımı ve fiziksel kaynak tahsisi problemleri ele alınmıştır. Özellikle, literatürdeki çalışmaların çoğundan farklı olarak, STAR-RIS destekli NOMA sistemi için, daha az kanal kestirim yükü gerektiren, ölçeklenebilir bir faz kaydırma tekniği önerilmiştir. Önerilen bu sistemde, bireysel kullanıcılar için hizmet kalitesi gereksinimleri (quality of servise, QoS)'nin arttırması garanti edilirken, toplam hızın (sum-rate) enbüyüklenmesi amaçlanmaktadır. Bu tezin üçüncü ve son bölümünde, RIS-destekli sistem tasarımlarında karşılaşılan, RIS kaynaklı pratik uygulama problemleri göz önünde bulundurulmuştur. Bu problemlerden ilki, RIS'in donanımsal uygulamalarında birçok sorunla karşımıza çıkan ve RIS'ten elde edilebilir kazancı sınırlayan, faz kayması ayarıdır. Bunun için, RIS elemanlarının sabit faz kaymaları ürettiği varsayılarak, bu elemanların açık/kapalı durumlarını optimize eden ve düşük maliyetli, faz yeni bir pasif huzme oluşturma (passive beamforming, PB) şeması önerilmiştir. Bu çalışmada, önerilen PB şemasının, klasik faz kaymasına dayalı PB şemasında olduğu gibi sinyal-gürültü oranı için aynı ölçüde büyüme (RIS boyutuna göre ikinci dereceden büyüme)'nin elde edildiği, ancak uzamsal korelasyona ve faz hatalarına karşı çok daha dayanıklı olduğu gösterilmiştir. Bu çalışmada incelenen ve RIS-destekli pratik uygulamalarda karşılaşılan diğer bir sorun ise RIS'in, kendisine çarpan her elektromanyetik dalgayı yansıtmasıdır ki, bu ortamda yayılan herhangi bir elektromanyetik paraziti (EMI) de alıcı tarafına iletmesi anlamına gelmektedir. Bu çalışmada, bu problemi çözmek ve EMI'nin etkisini azaltmak için, özel zaman bölgesi (special time-domain) yapısından yararlanılarak ve RIS'te akıllı bir pasif huzme oluşturma tekniğine başvurularak için yeni bir EMI engelleme şeması önerilmiştir. Önerilen tüm sistem tasarımlarının performans incelemeleri, ilgili performans matrislerini göz önünde bulundurarak yapılan detaylı matematiksel analizler ile ortaya konulmuş ve bu analizler, simülasyon sonuçlarıyla desteklenmiştir. Ayrıca, önerilen sistemlerin, kapsamlı bilgisayar simülasyonlar ile mevcut referanslara göre performans karşılaştırmaları adil sistem parametreleri gözetilerek karşılaştırılmıştır. Sonuç olarak, tüm bu elde edilen matematiksel analizler ve bilgisayar simülasyonu sonuçları, RIS'in 6G ve ötesi kablosuz iletişim sistemleri için umut verici bir aday olma potansiyeline sahip olduğunu göstermektedir. Ayrıca, RIS'in, mevcut kablosuz sistemlerin mimarilerinde destekleyici bir teknoloji veya temel bir sistem modülü olarak kullanılabileceği, sistem tasarımı açısından büyük bir serbestlik sunduğu gösterilmiştir. Tüm bu sonuçlar göstermektedir ki, RIS teknolojisi, farklı metrikler üzerinden bir temel haberleşme sisteminin performansı iyileştirmek, donanım tasarımının karmaşıklığını ve maliyetini azaltmak ve hatta sisteme tamamen yeni nitelikler kazandırmak için kullanılabilmektedirler.