5G dalga formu tasarımı ve yazılım tabanlı radyo tabanlı kavram kanıtlama gerçeklemeleri

Haberleşme mühendisliği alanı, ilgili sistemlerin fazlaca kullanıcıya hizmet verdiği ve bu sistemlere olan talebin yeni zorluklara sebep olduğu, hızlı gelişen bir alandır. Özellikle mobil haberleşme özelinde, haberleşme kaynakları giderek sınırlı hale gelmektedir. Haberleşme mühendisliği alanında ihtiyaç duyulan gelişmenin karşılanması için yoğun bir çaba gösterilmektedir. Fakat, kullanıcı sayısının artış hızı ve birçok yeni sektör ile entegrasyonun artışı dikkate alındığında bu çabaların etkisiz göründüğü bir durum oluşmaktadır. Özellikle yeni 5G çalışmalarından ortaya çıkan yeni tekniklerle beraber, sınırların aşılmasının yanında haberleşme kalitesinde ciddi bir artışa ihtiyaç duyulmaktadır. Mevcut haberleşme teknikleri birtakım avantajlar getirse de, gelecek için ihtiyaç duyulan haberleşme kalitesini sağlayacak bir nitelikte değildir. Özellikle birtakım kısıtlar kaliteyi sınırlandırıcı etki yapmaktadır. Bu sebeple yeni yaklaşımlara ihtiyaç duyulduğu söylenebilir. Özellikle yeni tekniklerin gerçek zamanlı çalışmaya uygunluğu çok önemlidir. Çünkü artan cihaz sayısına bağlı olarak gerçek zamanlı bozucu etkilerin daha baskın hale geldiği görülmektedir. Bu sebeple gerçek zamanlı testlerin modellerin performans gözlemlerinde olan ağırlığı artmaktadır. Modeller elde edilen sonuçlara göre güncellenmeli, ilgili etkilere karşı dayanıklı modellerin ortaya çıkarılması gereklidir. Bu yeni ilerlemelerle ve 5G teknolojisinin gelişimiyle beraber, önemi yüksek ve finansal değere sahip verinin mobil haberleşme ağları üzerinden gönderilmesi öngörülmektedir. Bu da önemli bir kavramdır ve yeni sorunlara sebep olmaktadır. Bütün bu kavramlar bu tezin kapsamında incelenmiş ve takip eden bölümlerde ayrı ayrı analiz edilmiştir. Bölüm 1'de tezin içeriğinin önemi vurgulanmış ve bölümlerin ana detayları açıklanmıştır. Bölüm 2'de, bu tezde kullanılan metodoloji hakkında ve yazılım tabanlı radyo (software defined radio, SDR) hakkında bir giriş verilmiştir. Tez kapsamında ele alınan konular, yeni ve 5G çalışmalarında öneme sahip konulardır. Geçmişle karşılaştırıldığında, günümüzde gerçek zamanlı performans analizi bir gereklilik haline gelmiştir, çünkü mevcut haberleşme ortamı gerçek zamanlı kanalda çeşitli zorluklarla karşılaşmaktadır. Birçok metot, bu ortamlarda fazlaca bozulmuş bir performance göstermektedir ve bu performans kaybı, uygun bir gerçek zaman performans analizi ile iyileştirilebilir. Bu hedeflenerek, gerçek zaman performans analizi yapmak için SDR teknolojisi çalışmalarımıza kullanılmaktadır. Bu teknolojinin yardımıyla sembollerin verici düğümlerden alıcı düğümlere havadan iletilebileceği testler yapılabilmektedir. Girişin yanında çalışmalarımızın gerçekleme detayları da açıklanmıştır. Bölüm 3'te dik olmayan çoklu erişim (nonorthogonal multiple access, NOMA) tekniği ele alınmış ve gerçek zaman performans sonuçları paylaşılmıştır. Yazarın literatür bilgisine göre, NOMA tekniğinin ilk kapsamlı SDR gerçeklemesi bu çalışmada yapılmış ve birçok gerçek zaman bileşeni gerçeklemede yer almıştır. Mevcut haberleşme sistemlerinde, dik çoklu erişim (orthogonal multiple access, OMA) teknikleri daha geniş bir kullanıma sahiptir. Fakat OMA kullanılması çeşitli verim kayıplarına neden olmaktadır. Özellikle kanalları görece iyi olan kullanıcılara yüksek verimli bir haberleşme hizmeti sunulmamaktadır. NOMA'nın en önemli faydası olarak, bu kullanıcıların haberleşme süresi boyunca aktif kalması ve yüksek bir veri hızı edinmesi sağlanabilmektedir. NOMA'nın gerçek hayatta uygulanılmasında ise en önemli bileşenlerden biri doğru kanal kestirimidir ve, referans sembollerin sıklığı ve miktarı önemli bir tasarım problemidir. Bu çalışmada aşağı yönlü NOMA için en uygun pilot sıklığı ve sayısına karar vermek amacıyla bir metot adapte edilmiş ve NOMA için önemli bir tasarım modeli ortaya konulmuştur. Yine Bölüm 3'te, çakışık kodlanmış dik frekans bölmeli çoğullama (superposition coded orthogonal frequency division multiplexing, SC-OFDM) olarak adlandırılan yeni bir dalgaformu bu çalışmada önerilmiştir. Literatürden farklı bir yaklaşım olarak, NOMA'nın çakışık kodlanma prensibi OFDM dalgaformuna uygulanmış ve yeni bir çoktaşıyıcılı dalgaformu önerilmiştir. Literatürde OFDM bazlı sistemlerde dik olmayan alttaşıyıcı ataması bir avantaj olarak ele alınmamıştır. Her ne kadar böyle bir yapının girişim nedeniyle performans kaybına sebep olacağı düşünülse de, gösterileceği üzere uygun bir verici ve alıcı yapısıyla SC-OFDM ile OFDM'e göre bir çeşitleme kazancı yaratılabilmektedir. SC-OFDM için farklı alıcı yapıları denenmiş, farklı bir alıcı yapısı da önerilmiştir. Yapılan ölçümlere göre önerilen dalgaformu, standart OFDM'e göre açık bir performans avantajına sahiptir. Bu detaylı hata performansı ölçümleri ile onaylanmış ve ilgili detaylar bu bölümde verilmiştir. Denenen alıcı yapıları, önerilen yapı ve eşdeğer OFDM yapısı farklı kanallar için ölçülmüş, performanslar gösterilmiştir. Farklı güç ataması durumu da simülasyonlar ile ölçülmüş, farklı performans gözlemleri de yapılmıştır. Bölüm 4'te, 5G ağları için önemli bir dalgaformu adayı olan evrensel filtrelenmiş çoklu-taşıyıcı (universal filtered multi-carrier, UFMC), literatürde bir ilk olarak gerçek zamanlı uygulanmıştır. Gerçek zamanlı çalışmaya uygunluk amacıyla UFMC için doğru parametreler araştırılmış, bu kapsamda geniş bir vizyon ortaya konulmuştur. Bununla beraber UFMC için bir pratik taşıyıcı frekans sapması (carrier frequency offset, CFO) ve zaman sapması (timing offset, TO) kestirimi metodu önerilmiştir. Ayrıca tarak tipi kanal kestiriminin iyileştirilmesi ve IQ eşitsizliği probleminin giderilmesi amacıyla bir metot da önerilmiştir. Bu dalgaformunun ana detayları, önerilen ek yöntemler ve gerçekleme özellikleri açıklanmıştır. Detaylı gerçek zamanlı testler ile performans noktaları gösterilmiştir. Sonrasında Bölüm 5'te, UFMC dalgaformu daha detaylı olarak incelenmiş ve dört yeni UFMC türevi dalgaformu önerilmiştir. Buna göre öncelikle yukarı yönlü haberleşmeye uygunluk hedeflenmiş, OFDM'deki tek-taşıyıcılı kodlama yaklaşımından yararlanılarak iki yeni UFMC türevi önerilmiştir. Bu dalgaformlarının performans detaylarının anlaşılabilmesi amacıyla farklı grup uzunlukları denenmiş, performanslar tepe gücünün ortalama güce oranı (peak-to-average power ratio, PAPR) ve yanbant yayılım güç ile ölçülmüştür. Bunun dışında sayısal önkodlama metodolojisi UFMC'ye uyarlanmış, yeni bir dalgaformu önerilmiştir. Simülasyonlarla gösterildiği üzere bu kodlama, spektral yanbant yayılımında önemli bir iyileşme getirmektedir. Detaylı CFO ölçümleri ile de gösterildiği üzere, bu arttırım önemli avantajlar sağlayabilmektedir. Son olarak farklı bir kullanıcı senaryosu düşünülmüş, önkodlama bazlı önerilen dalgaformunun başka bir türevi de önerilmiştir. Bütün dalgaformlarına yönelik detaylı hata performansı ölçümleri ile performans farklılıkları da ortaya konulmuştur. Bu simülasyonlarda toplanabilir beyaz Gauss gürültüsü (additive white Gaussian noise, AWGN) kanalı ve Rayleigh kanalı için OFDM ve ilgili UFMC dalgaformları karşılaştırılmış, farklı CFO değerleri için performanslar da elde edilmiştir. Bölüm 6'da, fiziksel katman güvenlik (physical layer security, PLS) değerlendirilmiş ve ilgili detaylar gösterilmiştir. Bahsedildiği üzere iletilen verinin güvenliği, yeni uygulamalarla beraber artmakta ve yeni tekniklere ihtiyaç duyulmaktadır. PLS, yeni nesil haberleşme ağları için önplandaki bir adaydır ve birçok fayda sağlamaktadır. Bu çalışmada, bir fabrika ortamı düşünülerek PLS senaryosu modellenmiş ve ilgili detaylar araştırılmıştır. Rician kanal modeline uygun bir varsayım olarak güvenli bölge yaklaşımı üzerine çalışılmıştır. Yapay gürültü (artificial noise, AN) ve tam çift-yönlü iletişim (full-duplex communications) teknikleri kullanılarak gerçek kullanıcıların iletim yollarında güvenli bölgeler oluşturulmaktadır. Ana işaretin bozulması yardımıyla kötü niyetli kullanıcıların aldıkları işaretler etkili bir şekilde bozulmaktadır. Gerçek zamanlı kullanım için önemli bir ayrıntı olarak iki farklı kötü niyetli düğüm düşünülmüş, iki farklı nitelikte donanım kullanılarak donanımın performansa etkisi ölçülmüştür. Bununla beraber üç farklı uzunluk için farklı test senaryoları ölçülmüştür. Testler ile gösterilmiştir ki PLS modelleri, güvenlik seviyelerinin arttırılmasında etkili olabilmektedir. Son bölüm olarak, Bölüm 7'de tez özetlenmiş ve ana noktalar vurgulanmıştır.