Hücresiz Masif Çok Girişli Çok Çıkışlı Haberleşme Sistemleri için İletim Teknikleri

Abstract

Yeni nesil kablosuz haberleşme ağları yüksek veri hızı gerektiren ve gecikmeye duyarlı uygulamaları desteklemek için akıllı, güvenilir ve her yerde erişilebilir bir bağlantı vizyonu ortaya koymaktadır. Bu bağlamda, bu tez; hücresiz masif çok girişli çok çıkışlı haberleşme ağlarının tasarım ve optimizasyonunu, üç yükselen teknolojiyi entegre ederek incelemektedir: yüksek irtifa platform istasyonları (HAPS), fiziksel-katman ağ kodlaması (PNC) ve bütünleşik algılama ve haberleşme (ISAC). İlk olarak, bu tez HAPS'ın CF-mMIMO ağlarında bağlantı ve fronthaul desteğini güçlendirmedeki rolünü incelemektedir. Bu kapsamda, ortak kullanıcı seçimi ve kullanıcı eşleştirmesi ile sınırlı geri beslemeli kod kitabı tasarımını içeren, ortogonal olmayan çoklu erişim (NOMA) tabanlı çok kullanıcılı bir HAPS sistemi önerilmiştir. Ardından, HAPS'ın coğrafi olarak izole bölgeler için fronthaul bağlantısı sağlayan hava tabanlı bir merkezi işlem birimi olarak görev yaptığı HAPS destekli bir CF-mMIMO sistemi sunulmuştur. Ortak güç ve zaman tahsisini içeren iki aşamalı bir iletim protokolü, geleneksel bir arada konumlandırılmış masif MIMO sistemlerine kıyasla ağın veri iletim hızını ve kapsama alanını önemli ölçüde artırmaktadır. İkinci olarak, kullanıcılar arasında eşzamanlı çift yönlü veri alışverişini mümkün kılarak spektral verimlilik ve haberleşme güvenilirliğini artıran PNC tabanlı bir CF-MIMO mimarisi sunulmuştur. PNC kullanan işbirlikçi erişim noktası çalışması, daha düşük bit hata oranları ve azalmış iletim gecikmeleri sağlamaktadır. Üçüncü olarak, bu tezde ISAC destekli CF-MIMO çerçevesi önerilmiş ve haberleşme ile algılama görevlerini birlikte optimize eden açgözlü mod seçimi ve kullanıcı ilişkilendirme (G-MSUA) algoritması geliştirilmiştir. Önerilen yöntem, haberleşme kalitesinden ödün vermeden algılama doğruluğunu artırmaktadır. Genel olarak, elde edilen sonuçlar, HAPS, PNC ve ISAC teknolojilerinin CF-mMIMO yapısına entegrasyonunun; her yerde kapsama, yüksek spektral verimlilik, ultra düşük gecikme ve kitlesel bağlantı gibi gelecek nesil kablosuz haberleşme sistemlerinin temel hedeflerine ulaşılması yönünde önemli bir ilerleme sağladığını göstermektedir. Ayrıca, bu tez çoklu HAPS işbirliği, gerçekçi kanal modelleri ve çoklu hedef algılama çerçeveleri gibi geleceğe yönelik araştırma alanlarını da ortaya koymaktadır.

Next generation wireless communication networks envision intelligent, reliable, and ubiquitous connectivity for data-intensive and latency-critical applications. In this context, this thesis investigates the design and optimization of cell-free massive multiple-input multiple-output (CF-mMIMO) networks by integrating three emerging technologies: high altitude platform stations (HAPS), physical-layer network coding (PNC), and integrated sensing and communication (ISAC). First, the role of HAPS in enhancing connectivity and fronthaul support for CF-mMIMO systems is examined. A multi-user HAPS-based architecture employing non-orthogonal multiple access (NOMA) is proposed with joint user selection, user pairing, and limited-feedback codebook design. Furthermore, a HAPS-assisted CF-mMIMO framework is developed in which the HAPS operates as an aerial central processing unit to provide fronthaul connectivity for geographically isolated areas. A two-phase transmission protocol with joint power and time allocation improves network throughput and coverage compared to conventional co-located massive MIMO systems. Second, a PNC-based CF-MIMO architecture is proposed to enhance spectral efficiency and reliability by enabling simultaneous bidirectional data exchange among users. Cooperative access point operation with PNC achieves lower bit error rates and reduced transmission delays. Third, an ISAC-enabled CF-MIMO framework is presented, incorporating a greedy mode selection and user association (G-MSUA) algorithm that jointly optimizes communication and sensing tasks. The proposed method improves sensing accuracy without compromising communication quality. Overall, the results demonstrate that integrating HAPS, PNC, and ISAC within the CF-mMIMO paradigm significantly advances key objectives of next generation wireless communication systems, including ubiquitous coverage, high spectral efficiency, ultra-low latency, and massive connectivity. The thesis also outlines promising directions for future research, such as multi-HAPS cooperation, realistic channel modeling, and multi-target sensing frameworks.