OFDM-based novel waveform design for 5G and beyond wireless communication networks

İndis modülasyonlu dik frekans bölmeli çoğullama (orthogonal frequency division multiplexing with index modulation, OFDM-IM), üstün hata performansı, çalışma esnekliği ve uygulanma kolaylığı gibi cazip avantajları nedeniyle 5G ve ötesi kablosuz ağları için umut verici çok taşıyıcılı dalga formu adayı olarak ortaya çıkmaktadır. OFDM-IM'in kendisi, gelişmiş mobil geniş bant (enhanced mobile broadband, eMBB) ve aşırı güvenilir ve düşük gecikmeli haberleşme (ultra-reliable and low-latency communications, URLLC) gibi 5G hizmetleri için uygun bir seçim olmayabilir, çünkü boş alt taşıyıcıları sebebiyle yüksek veri hızlarına ulaşmak zorlayıcıdır ve kritik görev uygulamaları için de hata performansı yeterli seviyede değildir. Fakat, OFDM-IM'in esnek yapısı büyük bir potansiyele sahiptir ve gelecek eMBB ve URLLC uygulamalarının gereksinimlerini karşılamak için daha gelişmiş OFDM-IM tabanlı dalga formları tasarlanabilir. eMBB için, OFDM-IM'in bant verimliliğini arttırmak için bir çözüm, veri iletimi için boş alt taşıyıcılardan da faydalanılarak birden fazla ayırt edilebilir sinyal kümelerinin kullanılmasıdır. Ayrıca, URLLC uygulamaları için uygun bir dalga formu oluşturmak için seyrek yapılı bir OFDM-IM bloğu kullanılabilir. Bu tezde, OFDM-IM'in ilgi çekici özelliklerinden istifade edilerek, uygulama tabanlı yeni dalga formları tasarlanmıştır. Bölüm 1'de, süper mod OFDM-IM (super-mode OFDM-IM, SuM-OFDM-IM) adı verilen özgün bir IM tekniği önerilmektedir, burada mod etkinleştirme paternleri (mode activation patterns, MAPs) ve alt taşıyıcı etkinleştirme paternleri (subcarrier activation patterns, SAPs) birlikte seçilmekte ve geleneksel veri sembolleri birden fazla alt taşıyıcı üzerinde çeşitleme kazancı sağlamak amacıyla tekrardan kodlanmaktadır. Önerilen şema için, düşük karmaşıklıkta bir alıcı tasarlandı, teorik analizler gerçekleştirildi ve bit hata oranı (bit error rate, BER) üst sınırı elde edildi. Önerilen sistemin performansı, yazılım tabanlı radyo (software-defined radio, SDR) tabanlı bir prototip kullanılarak yapılan gerçek zamanlı deneylerle de incelenmektedir. SuM-OFDM-IM'in bant verimliliği ve hata performansı açısından ümit verici sonuçlar sergilediği gösterilmekte; bu nedenle, 5G ve ötesi haberleşme sistemleri için potansiyel bir aday olarak görülmektedir. Bölüm 2'de, indis modülasyonlu alt taşıyıcılara özgün bir güç dağıtım tekniğinin uygulandığı güç dağıtım indis modülasyonlu OFDM (OFDM with power distribution index modulation, OFDM-PIM) şeması önerilmektedir. Ayrıca, veri sembollerinin gerçek ve sanal kısımlarında bağımsız olarak aynı güç dağıtım işleminin uygulandığı fazda/dik PIM'li OFDM (OFDM with in-phase/quadrature PIM, OFDM-I/Q-PIM) şeması önerilmektedir. OFDM-PIM ve OFDM-I/Q-PIM şemalarının ortalama bit hata olasılıkları (average bit error probability, ABEP) elde edilmekte ve önerilen şemaların referans şemalara göre üstünlükleri kapsamlı bilgisayar benzetimleri ile gösterilmektedir. Son olarak, Bölüm 3'te, seyrek vektör kodlama (sparse vector coding, SVC) şeması için bir arama tablosuna ihtiyaç duymadan tüm olası etkinleştirme paternlerini (activation pattern, AP) kullanabilen düşük karmaşıklıklı bir kodlama/kod çözme algoritması önerilmektedir. Bilgisayar benzetim sonuçları, önerilen düşük karmaşıklıklı algoritmanın sadece üstün bir BER performansı sağlamakla kalmayıp, aynı zamanda sıradan SVC yaklaşımına kıyasla arttırılmış bant verimliliği sağladığını göstermektedir.