The effects of I/Q imbalance on reconfigurable intelligent surface-asissted spatial modulation systems

Abstract

Kablosuz haberleşme teknolojisine talep günden güne artmakta ve bu durum haberleşme sinyallerinin iletim ve kanal kapasitesini iyileştirme zorunluluğunu beraberinde getirmektedir. Söz konusu iyileştirme araştırmalarında çözüm önerisi olarak sunulan çok-girişli çok-çıkışlı (multiple-input multiple-output, MIMO) haberleşme modellerinde ise kanallar arası girişim gibi problemler sebebiyle veri iletiminde kısıtlama olduğu görülmüştür. Bu veri kısıtlamasına çözüm olarak sunulan yeni nesil uzaysal modülasyon (spatial modulation, SM) ve türevi haberleşme modelleri ile spektrum ve enerji verimliliği artırılmaya çalışılmakta ancak bu modellerin uygulanması esnasında oluşan donanımsal hatalar nedeniyle sistem performansı olumsuz etkilenmektedir. Sinyal performansını ciddi şekilde düşüren donanımsal hatalardan eş-faz (in-phase, I)/ dik-faz (quadrature-phase, Q) (I/Q) dengesizliği de sistem kalitesini azaltmaktadır. Son zamanlarda kablosuz haberleşme alanında oldukça popüler bir fikir haline gelen uyarlanabilir akıllı yüzey (reconfigurable intelligent surface, RIS) teknolojisinin yakın zamanda yeni nesil haberleşme sistemlerinde yaygınlaşacağı düşünülmektedir. Geleceğin haberleşme sistemlerine RIS'lerin entegrasyonu esnasında I/Q dengesizliği etkilerinin göz ardı edilmemesi ve RIS-destekli sistemlerde I/Q dengesizliğinden kaynaklanan bozucu etkilerin ortadan kaldırılması gerekmektedir. Tüm bu durumlar göz önünde bulundurularak bu tez çalışmasında; çeşitli senaryolar üzerinde donanımsal uyumsuzluklardan kaynaklanan I/Q dengesizliğinin RIS-destekli SM ve uzay kaydırmalı anahtarlama (space shift keying, SSK) haberleşme modelleri üzerindeki etkileri incelenmiştir. Ele alınan senaryolar; sezim algoritmalarının I/Q dengesizliği parametrelerine göre belirlenmesi ve RIS teknolojisinin yansıma fazlarını tahmin etme durumlarına göre çok yönlü ele alınarak simülasyon üzerinde oluşturulmuştur. Elde edilen sonuçlar SM/SSK tekniği kullanılan haberleşme modellerinin tasarımında I/Q dengesizliğinin olumsuz etkilerinin dikkate alınması gerektiğini göstermiştir. RIS kullanımının SM/SSK haberleşme modellerinde I/Q dengesizliği etkisini azalttığı görülse de sistemin hata performansının iyileştirilmesine ihtiyaç duyulduğu görülmüştür.

The demand of wireless communication technology is increasing day by day, and this needs improving the transmission and channel capacity of communication signals. As a solution for this problem multiple-input multiple-output (MIMO) communication models offered in the improvement research. Nevertheless it has been observed that there are restrictions in data transmission because of the problems such as inter-channel interference in MIMO communication models. Improvement of spectrum and energy efficiency is tried to ensure with new generation spatial modulation (SM) and similar communication models, which are offered as a solution to this data limitation, but system performance is negatively affected from hardware errors that occur during the application of these models. In-phase (I)/quadrature-phase (Q) (I/Q) imbalance, which is a hardware error that seriously reduces performance, also reduces system quality. Reconfigurable intelligent surface (RIS) technology, which has recently become a very popular idea in the field of wireless communication, is thought that will become widespread in new generation communication systems. During the integration of RISs into future communication systems, the effects of I/Q imbalance should not be ignored and the disruptive effects caused by I/Q imbalance in RIS-assisted systems should be eliminated. Considering all these situations, in this study; the effects of I/Q imbalance caused by hardware impairments are examined on RIS-assisted SM and SSK communication models in various scenarios. These scenarios has been created on the simulation by considering the miscellaneousness situations such as determining the detection algorithms according to the I/Q imbalance parameters and estimating the reflection phases of RIS technology. The results show that the negative effects of I/Q imbalance should be considered in the design of communication models that use the SM/SSK technique. It has been observed that the use of RIS reduces the IQ imbalance effect in SM/SSK communication models, but error performance still needs to be improved.