Yeni nesil haberleşme sistemleri için yenilikçi ve enerji verimli indis modülasyonu teknikleri ile yapay zeka uygulamaları

Abstract

Son yıllarda, yoğun veri kullanımı, çevrimiçi oyun, yüksek çözünürlüklü video akışı gibi internet uygulamalarının yanı sıra giyilebilir teknoloji, akıllı ev aletleri ve görsel-işitsel cihazlar gibi birçok nesnelerin interneti (internet of things, IoT) endüstrisi gelişmiştir. Buna ek olarak, akıllı sağlık sistemleri, tarımsal IoT çözümleri, akıllı şehir uygulamaları, endüstriyel otomasyon, çevresel izleme, enerji yönetimi, eğitim ve öğrenme teknolojileri, akıllı ulaşım ve lojistik gibi yeni alanlar da ön plana çıkmaktadır. 2030 yılına kadar bahsi geçen alanların gelişimi ile beraber yaklaşık 50 milyara yakın cihazın internete bağlı olacağı öngörülmektedir. Bu yeni kavramların yapay zekâ öncülüğünde akıllı olması, yüksek veri hızlarına ulaşması, düşük gecikmeye sahip olması ve enerji verimli olması hayati bir öneme sahiptir. Bu noktadan hareketle, bu tez çalışmasında, öncelikle enerji verimli (hexagonal quadrature amplitude modulation, HQAM) ve uzaysal modülasyon (spatial modulation, SM) teknikleri birleştirilerek HQAM-SM adında yeni enerji verimli bir teknik önerilmiştir. Daha sonra, HQAM ve karesel uzaysal modülasyon (quadrature spatial modulation, QSM) teknikleri birleştirilerek HQAM-QSM tekniği önerilmiştir. Ayrıca, HQAM tabanlı anten seçimli yüksek performanslı ve enerji verimli bir sistem önerilmiştir. Sonrasında, işbirlikli anten seçimli bir QSM sistemi önerilmiştir. Bunun yanı sıra, son yıllarda sıklıkla çalışılan, saçılım ortamını zenginleştiren ve sinyal kalitesini daha da iyileştiren yeniden yapılandırılabilir akıllı yüzey (reconfigurable intelligent surface, RIS) ile yüksek enerji verimli ve yüksek veri hızlı kod indis modülasyonu (code index modulation, CIM) tekniği birleştirilerek yeni bir haberleşme tekniği önerilmiştir. Son olarak ise akılcı ve düşük karmaşıklıklı yapay zekâ tabanlı medya tabanlı modülasyon (media based modulation, MBM) sistemleri tanıtılarak tez nihayete erdirilmiştir. Önerilen sistemler için, sistem modelleri oluşturulmuş, sistem performanslarını ifade eden gerekli teorik çıkarımlar elde edilmiş ve alıcı yapıları sunulmuştur. Ayrıca önerilen sistem modellerine ilişkin performans analizleri yapılmıştır. Bilgisayar benzetimleri, önerilen sistemlerin, karşılaştırması yapılan diğer sistemlere göre daha iyi hata başarımına sahip olduğunu göstermektedir. Bu çalışma Türkiye Bilimsel ve Teknolojik Araştırma Kurumu (TÜBİTAK) 2211-A Genel Yurt İçi Doktora Burs Programı kapsamında desteklenmiştir.

In recent years, many Internet of things (IoT) industries such as wearable technology, smart home appliances and audio-visual devices have developed, as well as internet applications such as intensive data usage, online gaming, high-definition video streaming. In addition, new areas such as smart healthcare systems, agricultural IoT solutions, smart city applications, industrial automation, environmental monitoring, energy management, education and learning technologies, smart transport and logistics are also coming to the fore. By 2030, it is predicted that approximately 50 billion devices will be connected to the internet with the development of the aforementioned areas. It is vital for these new concepts to be intelligent under the leadership of artificial intelligence, to reach high data rates, to have low latency and to be energy efficient. Based on this point, in this thesis, firstly, a new energy efficient technique called HQAM-SM is proposed by combining energy efficient hexagonal quadrature amplitude modulation (HQAM) and spatial modulation (SM) techniques. Then, HQAM-QSM technique is proposed by combining HQAM and quadrature spatial modulation (QSM) techniques. Furthermore, a high performance and energy efficient system with HQAM based antenna selection is proposed. Then, a QSM system with cooperative antenna selection is proposed. In addition, a new communication technique is proposed by combining the reconfigurable intelligent surface (RIS), which enriches the scattering environment and further improves the signal quality, with the high energy efficient and high data rated code index modulation (CIM) technique. Finally, rational and low complexity artificial intelligence based media based modulation (MBM) systems are introduced and the thesis is concluded. For the proposed systems, system models are constructed, necessary theoretical inferences are obtained to express the system performances and receiver structures are presented. In addition, performance analyses are performed for the proposed system models. Computer simulations show that the proposed systems have better error performance than the other systems compared. This study was supported by The Scientific and Technological Research Council of Türkiye (TÜBİTAK) 2211-A National PhD Scholarship Programme.