Karasal olmayan ağların kapsama analizi
Coverage analysis of non-terrestrial networks
- Tez No: 921991
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ SEMİHA TEDİK BAŞARAN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Mühendislik Bilimleri, Electrical and Electronics Engineering, Engineering Sciences
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: Türkçe
- 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: 102
Özet
5G ve ötesi mobil haberleşme teknolojilerinin gelişimi ile birlikte, gelecek nesil haberleşme teknolojilerinde yüksek veri hızı ve düşük gecikme talebi giderek artmaktadır. Aynı zamanda, gelecek nesil kablosuz haberleşme ağları için yüksek kapsama alanı, kullanıcılar için önemli bir beklenti ve performans göstergesi haline gelmektedir. Günümüz dünyasında, uzak ve kırsal bölgelerdeki kullanıcılar halen bağlantı ve kaliteli hizmet konusunda sorunlar yaşamaktadır. Bu bölgeler gibi karasal ağ altyapısının yeterli olmadığı alanlarda yeni nesil kablosuz haberleşme çözümleri literatürde odak noktası haline gelmektedir. Bu kapsamda son yıllardaki çalışmalar incelendiğinde, karasal olmayan ağlar (non-terrestrial networks, NTN) 6G ve ötesi yeni nesil haberleşme teknolojileri için çalışılmaktadır. NTN bileşenlerinin var olan karasal ağ çözümleri ile entegre olması, küresel kapsama alanının sağlanmasını ve kullanıcıların her yerden hizmet alabilmesini mümkün hale getirecektir. NTN bileşenlerinin başka haberleşme araçları ile entegre olması ayrı bir öneme sahiptir çünkü bazı kullanıcıların NTN ile doğrudan bağlantı kurabilme olanağı olsa bile, doğrudan bağlantının ek donanım gereksinimlerine ihtiyaç duyması beklenmektedir. Buna ek olarak, NTN bileşenlerinden biri olan düşük dünya yörüngeli (low Earth orbit, LEO) uydular, düşük gecikme ve düşük maliyetlerinden dolayı ilgi odağı haline gelmektedir. Son yıllarda önemli bir araştırma alanı haline gelen LEO uydu tabanlı kablosuz haberleşme ağları gelecek nesil yeni haberleşme teknolojileri için umut vadeden bir teknolojidir. Bu nedenle, bu tez çalışması kapsamında, NTN bileşenleri arasında önemli bir ilgiye sahip olan LEO uydu tabanlı sistemlerinin hem farklı senaryolar altında gerçekçi kapsama analizleri hem de gizlilik kesinti olasılığı analizleri gerçekleştirilmektedir. LEO uydu tabanlı haberleşme ağlarında hareketliliğin ve kanalın doğru şekilde modellenmesi, gerçekçi performans analizleri için kilit bir rol oynamaktadır. LEO uyduların yeryüzü ile olan bağlantısı için kullanılan kanal modelleri incelendiğinde, Rayleigh ve Nakagami-m gibi kanalların bazı çalışmalarda tercih edildiği görülmektedir. Ancak, uydu haberleşmesindeki kanal karakteristiği üzerine yapılan çalışmalarda, uydu ve yeryüzü arasındaki doğrudan görüş bileşenine ek olarak gölgeleme etkisinin de hesaba katılması gerektiği belirtilmektedir. Bu etkileri hesaba katan ve uydu haberleşmesi için daha gerçekçi bir kanal modeli sunan gölgelemeli-Rician (shadowed-Rician, SR) sönümlemesi modeli LEO uydu-kullanıcı kanalları için kullanılmaktadır. LEO uydu takımlarının haberleşme sistemlerinde kullanımını sınırlayan önemli bir konu LEO uyduların hızı ile dünyanın dönüş hızının farklı olmasıdır. Bu nedenle, LEO uydularının hareketliliğin gerçeğe uygun bir şekilde modellenmesi performans analizleri için önemlidir. Bu amaçla, stokastik geometri araçları LEO uydu tabanlı ağlarda uyduların pozisyonlarının modellenmesinde kullanılmaktadır. Bu tez çalışması kapsamında, ilk olarak karasal geçit (gateway) aktarmalı uydu-kullanıcı haberleşmesinin performans analizi kapsama olasılığı açısından incelenmektedir. Bu sistem modelinin analizinde uydu bağlantısı için SR sönümlemeli kanal kullanılırken, yeryüzündeki bağlantı için Rayleigh sönümlemeli kanal kullanılmaktadır. Hem LEO uydular hem geçitlerin pozisyonları modellenirken sırasıyla Binom nokta süreci (binomial point process, BPP) ve Poisson nokta süreci (Poisson point process, PPP) kullanılmaktadır. Bu sistem modelinin analizi girişim etkisi hesaba katılarak gerçekleştirilmekte ve daha gerçekçi performans sonuçları elde edilmektedir. Yapılan analizlerde uydu sayıları, frekans kanal sayısı ve dünya yüzeyindeki geçit yoğunluğu gibi çeşitli parametreler açısından kapsama alanı sonuçları incelenmektedir. Elde edilen sonuçlara göre, girişim etkisi yapan uydu sayısının arttığı senaryolarda kapsama olasılığının olumsuz bir şekilde etkilendiği görülmektedir. Buna ek olarak, aktarıcı birim (röle) olarak kullanılan geçidin dünya yüzeyindeki yoğunluğu arttıkça sistemin kapsama performansında iyileşme görülmektedir. Daha sonrasında, röle olarak karasal olmayan bir araç olan insansız hava aracının (unmanned aerial vehicle, UAV) kullanıldığı UAV aktarmalı uydu-kullanıcı haberleşmesinin kapsama olasılığı performansı analiz edilmektedir. Sistemin kapsama olasılığını artırmak amacıyla UAV destekli LEO uydu ağı için çoklu röle seçim şeması önerilmektedir. Çoklu UAV ile desteklenen bu sistem modelinin analizi için LEO uyduların ve UAV'lerin konumları sırasıyla BPP ve PPP ile belirlenmektedir. UAV kaynaklı girişim etkisinin hesaba katıldığı kapsama olasılığı performans analizi hem teorik hem benzetim sonuçları ile doğrulanmaktadır. Ayrıca, benzetim sonuçları, LEO uydu tabanlı ağlar için pratik bir hareket modeli olan Walker tabanlı model ile karşılaştırılmaktadır. Stokastik geometri tabanlı analiz sonuçları ile Walker tabanlı benzetimlerin birbiriyle uyumlu olduğu gösterilmektedir. Buna ek olarak, sistemin performansını kapsamlı şekilde analiz etmek amacıyla UAV yüksekliğinin, kablosuz kanal koşullarının ve işbirlikli haberleşmede kullanılan UAV miktarının etkileri teorik ve benzetim sonuçları ile incelenmektedir. Elde edilen sonuçlara göre, işbirlikli haberleşmede daha fazla sayıda UAV kullanmanın daha iyi performans sağladığı görülmektedir. Ayrıca kapsama olasılığı performansı hem çok seyrek hem de çok yoğun işbirlikli UAV ağlarında daha kötü olmaktadır. Bu çalışmalara ek olarak, UAV aktarmalı uydu-kullanıcı haberleşmesinin gizlilik kesinti olasılığı performans analizi gerçekleştirilmektedir. Sistem güvenliğini artırmak için çoklu UAV kullanımı önerilmekte olup, bu önerilen modelin gizlilik kesinti olasılığını düşürdüğü ve sistem güvenliğine olumlu etkisi olduğu görülmektedir. Ayrıca, kullanıcı ve kötü niyetli dinleyicinin bulundukları konumun performansa etkisi incelenmektedir. Bunun sonucunda, meşru kullanıcı ve UAV ağı arasındaki uzaklığın belirli bir mesafenin üzerinde olması durumunda, çoklu UAV kullanımının gizlilik kapasitesi üzerindeki etkisinin azaldığı görülmektedir. Özetle, bu tez kapsamında stokastik geometri modelleri kullanılarak LEO uydu tabanlı karasal olmayan ağların performans analizi gerçekleştirilmektedir. Analiz edilen sistem modellerinde LEO uydu tabanlı ağların hem karasal istasyonlarla hem de karasal olmayan araçlarla işbirliği ele alınmaktadır. Elde edilen sonuçlar göz önüne alındığında, LEO uydu tabanlı ağlarda sistem performansı ile kullanılan parametreler arasındaki ilişki gösterilerek sistem performansında nasıl iyileşme sağlanabileceği gösterilmiştir. Bu tez çalışmasının bir sonucu olarak, LEO uydu tabanlı ağların ve NTN bileşenleri arasındaki işbirliğinin gelecek nesil kablosuz haberleşme sistemlerinde yer alması, uzak ve kırsal bölgelerdeki kullanıcılar için gelecek vadeden bir gelişme olarak görülmektedir.
Özet (Çeviri)
With the development of 5G and beyond next-generation communication technologies, the demand for high data speed and low latency in next generation communication technologies increases. At the same time, high coverage area for next-generation wireless communication networks is an important expectation and performance indicator for users. In today's world, users in remote and rural areas still experience problems with connection and quality of service. In areas such as these regions where terrestrial network infrastructure is not sufficient, new wireless communication solutions become the focus of the literature. In this context, when the studies in recent years are examined, non-terrestrial networks (NTN) are studied for 6G and beyond new generation communication technologies. The NTN is seen as a potential enabler to provide more reliable service and seamless connection for remote users. The integration of NTN components with existing wireless network solutions provides global coverage and enables users to receive service from anywhere. The integration of NTN components with other communication tools is critical because even if some users have the opportunity to connect directly to NTN, it is expected that the direct connection requires additional hardware architectures. In addition, low Earth orbit (LEO) satellites, one of the NTN components, become the focus of attention due to their low latency and low cost. LEO satellite-based wireless communication network become an important research area in recent years and is a promising technology for the next-generation of new communication technologies. On the other hand, the NTN systems increases mobility since both NTN components and users are mobile unlike terrestrial network. Also, it creates some new problems related to signal attenuation and propogation delay. These all challenges caused by NTN system require novel solutions and exhaustive analysis for this promising service provider. In addition, especially for this type of networks which include a lot of nodes, the realistic network analysis considering interference effect is required to provide guiding results and architectural design proposals. Within the scope of this thesis, both the realistic coverage analysis in different scenarios and secrecy outage probability analysis of LEO satellite-based systems which have an important interest among NTN components are realized. In LEO satellite-based communication networks, accurate modeling of mobility and channel plays a key role for realistic performance analysis. When the channel models used for the link between LEO satellites and the earth are examined, it is seen that Rayleigh and Nakagami-m channels are preferred in some studies. However, in studies on channel characteristics in satellite communication, it is stated that in addition to the direct line-of-sight component between the satellite and the earth, shadowing effect should also be taken into account. Shadowed-Rician (SR) fading model, which takes these effects into account and is a more realistic channel model for satellite communication, is utilized for channel modelling between LEO satellite and user equipment. Furthermore, thanks to SR fading model, several shadowing impacts like infrequent light shadowing, average shadowing and frequent heavy shadowing can be taken into account by using different SR fading parameters. Another important issue which limits the use of LEO satellite constellations in communication systems is that the speed of LEO satellites is different from the rotation speed of the Earth. Therefore, accurate modeling the mobility of LEO satellites in a realistic way is important for performance analysis. For this purpose, stochastic geometry tools are used in modeling the positions of LEO satellites. In this thesis, firstly, the performance analysis of satellite-user communication with gateway relay is investigated in terms of coverage probability. In the analysis of this system model, SR fading channel is used for satellite connection, while Rayleigh fading channel is used for ground connection. Binomial point process (BPP) and Poisson point process (PPP) are used while modeling the positions of both LEO satellites and gateways, respectively. The analysis of this system model is carried out by taking the interference effect into account and more realistic performance results are obtained. In terms of several system design parameters such as the number of satellites, the number of frequency channels and the density of gateways on the earth's surface, the coverage analyzes are examined. Thanks to the comprehensive simulation results, it is demonstrated that how the network coverage probability performance is influenced by the interference. In addition, by providing the performance impacts based on the relationship between the number of satellites and the number of available channels, the better number of satellites and number of channels selection options are presented. It can be inferred that the system performance is significantly affected in a negative way in the case of that number of avaliable channels is not enough to allocate seperate channel for each satellite. Based on the provided results, it is shown that the interference effect should be considered in the design of LEO satellite networks to achieve more reliable wireless communication and the network with higher coverage. Also, the effect of the gateway density on the coverage probability is investigated. Then, the ideal value of gateway density is presented. As mentioned before, the integration of NTN components like satellites with other enablers is very important so that user equipments without sufficient hardware architecture can maintain seamless wireless connection. However, the cooperative communication of LEO satellites with a terrestrial node like gateway may not be feasible in some locations. Hence, the cooperative communication of LEO satellite networks with other non-terrestrial components is very crucial to increase the number of users served. For this purpose, the coverage probability performance of unmanned aerial vehicle (UAV)-aided satellite-user communication using UAV as a relay is analyzed. In order to increase the coverage of the system, a multiple relay selection scheme is proposed for UAV-supported LEO satellite network. For the analysis of this system model supported by multiple UAVs, the positions of LEO satellites and UAVs are determined by BPP and PPP, respectively. The coverage probability performance analysis, which takes into account the interference effect caused by UAVs, is verified by both theoretical and simulation results. The theoretical coverage probability analysis is derived by benefiting from Gil-Pelaez theorem which enables us to calculate the complementary cumulative distribution function of signal-to-interference-plus-noise-ratio (SINR). For using this method, the characteristic functions of signal and interference power received from UAV are derived. Then, the theoretical coverage probability expression is provided. In addition, the simulation results obtained with stochastic geometry tools are compared with the Walker-based model, which is a practical movement model for LEO satellites. It is shown that the results of the stochastic geometry-based analysis and Walker-based simulations are compatible with each other, which means that the theoretical approach based on the stochastic geometry is suitable to utilize. In addition, in order to comprehensively analyze the performance of the system, the effects of UAV height, wireless channel conditions and the number of UAVs used in cooperative communication are investigated by theoretical and simulation results. It is shown that using more UAV in service within cooperation impacts the system coverage performance significantly in a positive way. Also, it is presented that high-density UAV cluster decreases system performance since this type of network with high density results in severe interference. The effects of a few channel conditions and multi-UAV usage are compared with each other. Then, it is shown that usage of multiple UAV in service is more effective on the performance in a positive sense. According to the obtained results, it can be said that using more UAVs in cooperative communication provides better performance. In addition, the coverage probability performance is worse in both sparse and dense UAV network deployments. Furthermore, the secrecy outage probability of UAV-relayed LEO satellite communication network is investigated. For this purpose, the system model including LEO satellite network, UAV network, legitimate user and malicious eavesdropper is analyzed. To mitigate information leakage to eavesdropper, the beamforming technique is utilized for UAV transmission. In this part of thesis, multi-UAV utilization as relays is proposed to enhance the system security and privacy. The proposed model including multi-UAV-aided LEO satellite communication system decreases secrecy outage probability and impacts the system security in a positive way. Also, the impact of legitimate user position and malicious eavesdropper location is analyzed. Then, it is shown that the effect of multi-UAV utilization decreases when the distance between legitimate user and UAV network is greater than a specific one. In addition, it is represented that multi-UAV usage in LEO satellite-based network could be a very beneficial and effective method among next-generation system designs to obtain enhanced communication security as well as better coverage probability. In summary, in this thesis, the performance analysis of LEO satellite-based NTN communication systems has been performed using stochastic geometry models. In the analyzed system models, cooperation of LEO satellites with both terrestrial stations and non-terrestrial vehicles has been considered. Thanks to the obtained comphrensive analysis results, the relationship between system performance and the parameters used in LEO satellite-based networks has been shown and how improvement in system performance can be achieved has been presented. Ideal parameter choices and system design proposals have been provided in the scope of this thesis to achieve better wireless communication system performance. Furthermore, it can be said that next-generation wireless communication technologies including NTN components improve both coverage performance and security aspects of the network. As a result of this thesis, LEO satellite-based networks and the cooperation of NTN components with each other in the next-generation wireless communication systems is seen as a promising development for users in remote and rural areas.
Benzer Tezler
- Modeling and analysis of terahertz non-terrestrial networks
Donanım bozuklukları altında terahertz karasal olmayan ağların modellenmesi ve analizi
EVLA SAFAHAN AHRAZOĞLU
Yüksek Lisans
İngilizce
2025
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İBRAHİM ALTUNBAŞ
DOÇ. DR. EYLEM ERDOĞAN
- A new approach to satellite communication: Harnessing the power of reconfigurable intelligent surfaces
Uydu iletisimine yeni bir yaklaşım: Yeniden yapılandırılabı̇lı̇r akıllı yüzeylerden faydalanma
KÜRŞAT TEKBIYIK
Doktora
İngilizce
2024
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GÜNEŞ ZEYNEP KARABULUT KURT
- Non-orthogonal multiple access techniques for satellite networks
Uydu ağları için dik olmayan çoklu erişim teknikleri
MEHMET CAN
Doktora
İngilizce
2025
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İBRAHİM ALTUNBAŞ
- Physical layer security performance of satellite networks
Uydu ağlarının fiziksel katman güvenlık başarımı
OLFA BEN YAHIA
Doktora
İngilizce
2022
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Prof. Dr. GÜNEŞ ZEYNEP KARABULUT KURT
Assoc. Prof. Dr. EYLEM ERDOĞAN
- Secure and coordinated beamforming in 5G and beyond systems using deep neural networks
5G ve ötesi sistemlerde derin sinir ağları kullanarak güvenli ve koordineli hüzmeleme
UTKU ÖZMAT
Doktora
İngilizce
2024
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik ÜniversitesiBilişim Uygulamaları Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ MEHMET AKİF YAZICI
DR. ÖĞR. ÜYESİ MEHMET FATİH DEMİRKOL