Measurement based air to air and air to ground drone communication channel modeling
Ölçüm tabanlı havadan havaya ve havadan yere drone iletişim kanalı modelleme
- Tez No: 800598
- Danışmanlar: PROF. DR. HAKAN ALİ ÇIRPAN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Telekomünikasyon Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 90
Özet
İHA'ların savunma sanayisinden turizme kadar geniş bir yelpazede kullanılmaya başlandığı günümüzde, İHA'lar arasında haberleşme ihtiyacı büyük önem taşımaktadır. Buna göre kablosuz haberleşme tekniklerinin de kendisini buna adapte etmesi beklenmektedir. Kablosuz haberleşme teknolojileri açısından İHA'ların yaygınlaşması ve birçok yönden daha iyi çözümler sunması, haberleşme alanında çalışmayı zorunlu kılmıştır. Bu nedenle İHA'lar için bu anlamda yapılan çalışmalar son yıllarda hızla artmaktadır. Özellikle 4G ve 5G teknolojilerinde ve temelleri atılmaya devam edilen 6G teknolojilerinde, İHA haberleşmesine uygun bir alıcı ve verici tasarlamak için İHA kanal modellerinin oluşturulması gerekmektedir. Bu bağlamda kablosuz haberleşme alıcı ve verici tasarımı İHA-Yer ve İHA-İHA senaryoları için büyük önem taşımaktadır. Ayrıca, mikro elektronik teknolojilerindeki gelişmelerden güç alan İHA, hem askeri hem de sivil alanlarda gözetimden teslimata kadar çok çeşitli hizmetler sunmaktadır. Bu hizmetlerde başarılı bir operasyonun büyük ölçüde kablosuz haberleşme teknolojilerine dayandığı açıktır. Kablosuz haberleşme tekniklerinin belirli bir olgunluk düzeyine ulaştığı düşünülebilse de, İHA'nın 3 boyutlu uzaysal alanda çeviklik ve çalışma modlarında çok yönlülük gibi kendine özgü özelliklerinden dolayı, İHA'yı içeren kablosuz haberleşme bağlantılarına farklı bir açıdan bakılmalıdır. Çok farklı çevresel koşullarındaki bu tür hareketlilik özellikleri, geleneksel, karasal hareketlilik senaryolarındakilerden (Mesela İHA'lar için) farklı haberleşme bağlantıları oluşturmaktadır. Ayrıca İHA, afet bölgelerinde ve çevresinde dar bant haberleşme için temel ses ve kısa mesajlaşma hizmetleri sağlamak amacıyla şebeke operatörleri için kritik araçlardır. İHA'nın farklı senaryo ve ortamlarda bu kadar yaygın bir şekilde kullanılmasının, İHA'yı içeren haberleşme bağlantılarının davranışının daha iyi anlaşılmasını gerektirdiği açıktır. Bahsedilen kullanım sorununun üstesinden gelmek için geleneksel strateji, kaynakların mümkün olduğunca sık yeniden kullanılmasıdır. Hücre bölme, anten bölümleme ve küçük hücre kavramları, mevcut bant genişliğinin etkin kullanımı yoluyla kapasiteyi artırmanın, iletim gücünü ve gürültünün etkisini azaltmanın öne çıkan örnekleridir. Piyasada küçük hücreli (mikro hücre, piko hücre, metro femtohücreleri anlamında femtocell, genel erişim femtohücreleri, kurumsal femtohücreler ve sınıf 3 seviye femtohücreler, vb.) çözümleri ile ilgili olarak, çoğunlukla sabit dağıtıma dayanan ürünler bulunmaktadır. Ancak İHA'ların ortaya çıkmasıyla birlikte kablosuz haberleşme topluluklarında birçok yönden bir paradigma kayması yaşanmıştır. 3B uzaysal alandaki çevikliği ve çalışma modlarındaki çok yönlülüğü göz önüne alındığında, İHA'lar çağdaş kablosuz mobil radyo haberleşme sistemlerinde neredeyse tamamen yeni bir bakış açısı getirmektedir. Acil durum iletişiminden yönlendirme ve aktarmaya kadar uzanan İHA'lar, çeşitli kablosuz haberleşme senaryolarında umut verici çözüm adayları olarak kabul edilmektedir. Ek olarak, ortaya çıkan IoT kavramı, kablosuz radyo kapsamını çeşitli (ve nispeten zorlu yayılma) ortamlarına genişletmeyi zorunlu kılmaktadır. Çok çeşitli yayılma ortamlarının varlığında, başarılı bir kablosuz haberleşme bağlantısı, genişletilmiş ölçümlere ve karşılık gelen tasarımlara dayanan alıcı-vericilere bağlıdır. Bunun yanı sıra spor karşılaşmaları, doğal afetler, makro baz istasyonu arızaları gibi çeşitli senaryolarda haberleşme hizmetlerini etkinleştirmek veya desteklemek için hızlı bir çözüm olarak İHA'lar ortaya çıkmaktadır. İHA'lar için herhangi bir operasyon senaryosu, kullanıcılar için kapasite ve performansı garanti etmek için güvenilir, güvenli ve esnek bir kablosuz bağlantı gerektirir; bu ise, yalnızca yayılma kanalı hakkında ayrıntılı bilgi edinerek elde edilebilmektedir. Bu nedenle Bölüm 3'de İHA kanal modellemesi için oluşturulan ölçüm sisteminde kullanılan USRP'den mobil alıcı-verici tasarımına; kullanılan yükselticiden Raspberry Pi'ye; GPS modülünden uzaktan ölçüm alma yazılımına kadar birçok alanda sorunlar gözlenmekte ve buna uygun çözümler önerilmeye çalışılmaktadır. USRP'lerde merkez frekans kayması, DC kaçağı, I/Q dengesizliği gözlenmiş buna çözüm olarak sırasıyla frekans kayması kesitiriminden sonra alıcıda frekans kayması düzeltilmesi, DC sızıntısına özgü süzgeçlerin tasarlanması, I/Q dengesizliğinde matrise dayalı dengesizlik kestirimi ve düzeltilmesi veya ikinci derece I/Q istatistiklerine bakarak düzeltme gibi çözümler önerilmektedir. Ayrıca mobil ölçüm sistemi oluşturmada kullanılan yükselticilerde dikkat edilmesi gereken hususlar, bunlara uygun DC-DC çevirici ile güç kaynağı seçimi, uzaktan kontrol etmek için Raspberry Pi 4B nasıl kullanıldığına ve alıcı ve vericinin konumunu takip etmek için GPS modülünün nasıl kullanıldığına da yer verilmektedir. Ayrıca bahsedilen cihazların birbiriyle nasıl haberleşeceği, kanal modeli için hangi yöntemin kullanılacağı, uzaktan nasıl bağlanılacağı ve ölçümün parametrik olarak nasıl kontrol edileceğine dair ifadelere yer verilmektedir. İHA kanal modellemesi yapılabilmesi için farklı ölçüm sistemleri oluşturulmaya çalışılmış, ancak İHA'dan kaynaklanan fiziksel problemler ve mobil ölçüm sisteminin tasarımı nedeniyle ölçüm tabanlı sonuçların elde edilmesi zorlaşmıştır. Ayrıca yazılım tabanlı telsiz cihazlarından USRP ile kanal ölçüm sistemlerinden ve zorluklarından bahsedilmektedir. Bölüm 4'te, dar bant varsayımı altında 446 MHz'de İHA tarafından işletilen havadan yere bağlantıların büyük ölçekli yayılma karakterizasyonu için veri toplamak üzere tasarlanmış bir ölçüm sisteminin detayları verilmektedir. Veri toplama, son işleme ve ölçüm sonuçları sağlanır. UHF bandının yeniden düzenlenmesinin acil durum durumları için yeni fırsatlar sunacağı gerçeğinden dolayı, 446 MHz'de İHA havadan karaya kanallar için bir ölçüm sisteminin sonuçları sunulmaktadır. Ölçüm verilerine dayanarak, çevre ile birlikte yüksekliğin dikkate alınması gereken önemli bir faktör olduğu gösterilmiştir. Bu nedenle, gelecekteki çalışmalarda, farklı konum ve topografyalardaki çevre etkisini de dahil ederek sonuçlarımızı çoklu frekans aralıklarına genişletilmesi düşünülmektedir. Bölüm 5, büyük ölçekli görüş hattı yol kaybı bileşenlerinin katı bir ölçüme dayalı modellemesini sunarak, İHA'lar arasındaki havadan havaya (H--H) kablosuz haberleşme kanallarının özelliklerinin daha iyi anlaşılması için yapılan çalışma sunulmaktadır. Bu bölüm, böyle bir amaç için sağlam bir ölçüm düzeni geliştirmenin zorlukları hakkında bir fikir vermekte, ancak daha da önemlisi, yürütülen kapsamlı ölçüm sistemi, kırsal alanlarda 5.8GHz'de iletişim kuran alçak irtifa İHA'lar için büyük ölçekli bir H-H görüş hattı yol kaybı modeli sunmaktadır. Doğrulama ve istatistiksel modelleme amaçlarıyla hem yankısız oda hem de dış ortamda ölçümler yapılarak, İHA'ların ve H-H kanallarının kendine özgü özelliklerinin, boş alan yolu kaybından daha az bir yol kaybı üsseli ile sonuçlandığı gösterilmiştir. Araştırılan kanal dinleme yöntemi, diğer kanal dinleme yaklaşımlarına kıyasla nispeten çok düşük maliyetli olmasına rağmen önemli kanal bilgisi sağladığı için ilerlemeye değer görülmektedir. Önerilen kanal dinleme sistemi, gelecekteki çalışmalarda daha ileri analizler için bir temel sağlamaktadır, mesela daha geniş bantlar için kanal darbe yanıtının tahmini ve daha yüksek mertebeden kanal istatistikleri (örneğin, aşırı gecikme yayılımı, Doppler spektrumu) araştırma imkanı olabilecektir. Ayrıca, gölgeleme ve diğer sönümleme özelliklerini modellemek için NLOS senaryoları da kurulabilecektir. Tanıtılan ölçüm yöntemi, İHA uçuş süresini, frekans alanı tahminini ve kablosuz kapsama analizini optimize etmek için de kullanılabilir. Ayrıca, bu sistem, İHA gövde hareketinin ve İHA gövde kaymasının kablosuz sinyal alımı üzerindeki etkisini anlamak için kullanılabilir. Buna ilave olarak, İHA'ların hızla hareket ettiği yayılma ortamını tahmin etmek için ölçüm prosedürleri geliştirilebilir, mesela hızlı kanal karakterizasyonu gerektiren durumlarda kullanılabilir.
Özet (Çeviri)
Unmanned aerial vehicle (UAV) has become widespread and has brought various communication problems. Especially the wireless communication area receiver and transmitter design is of great importance for UAV–Ground and UAV–UAV scenarios. Furthermore, powered by the advances in microelectronics technologies, UAVs provide a vast variety of services ranging from surveillance to delivery in both military and civilian domains. It is clear that a successful operation in those services relies heavily on wireless communication technologies. Even though wireless communication techniques could be considered to reach a certain level of maturity, wireless communication links including UAVs should be regarded in a different way due to the peculiar characteristics of UAVs such as agility in 3D spatial domain and versatility in modes of operation. Such mobility characteristics in a vast variety of environmental diversity render links including UAV different from those in traditional, terrestrial mobility scenarios. Furthermore, UAVs are critical instruments for network operators in order to provide basic voice and short messaging services for narrow band communication in and around disaster areas. It is obvious that such widespread use of UAVs under different scenarios and environments requires a better understanding the behavior of the communication links that include UAVs. In addition to, drones are emerging as a rapid solution to enable or support communication services in various scenarios such as sports events, natural disasters, macro base station malfunctions. Any operation scenario for drones requires a reliable, secure, and resilient wireless link to guarantee capacity and performance for users, which can only be achieved by obtaining detailed knowledge about the propagation channel. Therefore, in Chapter 3, different measurement systems have been tried to be created for UAV channel modeling, but it has become difficult to obtain measurement based results due to physical problems arising from UAV and design of mobile measurement system. In addition, channel measurement systems with Universal Software Based Hardware (USRP), one of the software based radio devices and challenges will be mentioned. In Chapter 4, details of a measurement campaign designed to collect data for large-scale propagation characterization of air–to–ground links operated by UAV at 446MHz are given. Data collection, post-processing, and measurement results are provided. Chapter 5 investigates the large-scale channel propagation statistics for the LOS A2A drone communications. We conducted a measurement campaign at 5.8 GHz, using software defined radio based channel sounders and commercially available drones. To determine the path loss exponent, frequency-based, time-based and time–frequency based methods are utilized. Accuracy of the proposed method is verified under ideal conditions in a well-isolated anechoic chamber before the actual measurement campaign to verify the performance in a free space path loss environment. The path loss exponent for A2A wireless drone channel is estimated with these verified methods.
Benzer Tezler
- Large scale wireless propagation channel characterization of air-to-air and air-to-ground drone communications
Hava-hava ve hava-yer drone haberleşmesi için büyük ölçekli kablosuz yayılım kanalı karakterizasyonu
UBEYDULLAH ERDEMİR
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HAKAN ALİ ÇIRPAN
- Hücresel haberleşme sistemlerinde İHA haberleşme kanal modellerinin incelenmesi
Investigation of UAV communication channel models in cellular communication systems
EDİZ NAZMİ ORHAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiHacettepe ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. CENK TOKER
- Türkiye'deki çimento endüstrisinin yarattığı hava kirliliği ve modellenmesi
Başlık çevirisi yok
VOLKAN ARINCI
Doktora
Türkçe
1998
Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. A. NURSEN İPEKOĞLU
- Erzurum'un hava kalitesi değerlendirilmesi ve modellenmesi
Air quality investigation and modelling of Erzurum
PELİN CANSU ÇAVUŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2016
Meteorolojiİstanbul Teknik ÜniversitesiMeteoroloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. HÜSEYİN TOROS
- Ağır ticari araç havalı süspansiyonunda kullanılan Z tipi makas tasarımı
Design of Z type leaf spring for heavy duty vehicle air suspension systems
MAHMUT DURUŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2014
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
ÖĞR. GÖR. LEVENT KIRKAYAK