Geri Dön

Performance analysis of FMCW radars in ISAC systems

ISAC sistemlerinde FMCW radarların performans analizi

PDF İndir

  1. Tez No: 949473
  2. Yazar: MUHTEREM ULUSOY
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. MEHMET NURİ AKINCI
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Mühendislik Bilimleri, Engineering Sciences
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2025
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Telekomünikasyon Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 105

Özet

Radar teknolojileri, günümüzde otomotiv sistemlerinden endüstriyel otomasyon süreçlerine kadar birçok alanda yaygın olarak kullanılmaktadır. Bunun yanında, savunma sanayiindeki kritik uygulamalarda da temel bir rol oynamaktadır. Bu uygulamalar içerisinde Frekans Modülasyonlu Sürekli Dalga (FMCW) radarlar sahip oldukları düşük maliyet, donanımsal sadelik ve yüksek algılama doğruluğu gibi avantajlar sayesinde öne çıkmakta ve özellikle kısa ve orta menzilli algılama uygulamalarında tercih edilen bir çözüm haline gelmektedir. Diğer yandan, kablosuz iletişim teknolojilerinin altıncı nesli olan 6G'ye geçiş sürecinde kullanılan yüksek frekans bantları, bant genişlikleri ve yoğun anten dizileri; hem haberleşme hem de çevresel algılama işlevlerinin tek bir sistemde birleştirilmesini teknik olarak mümkün hale getirmektedir. Bu bağlamdaki teknolojik gelişmelerin doğal bir sonucu olarak kaynakların daha verimli kullanılması gerekmektedir. Ayrıca donanım bileşenlerinin ortaklaştırılması ve spektrumun daha etkin değerlendirilmesi gibi kazanımları beraberinde getiren Entegre Algılama ve Haberleşme (ISAC) sistemleri önemli bir araştırma ve uygulama alanı haline gelmiştir. ISAC sistemleri radar ve iletişim alt sistemlerini aynı fiziksel platform üzerinde çalıştırarak çift yönlü görevleri eşzamanlı gerçekleştirebilme kapasitesine sahiptir. Bu entegrasyon sayesinde, spektrum paylaşımı ile donanımın sadeleştirilmesi gibi operasyonel verimlilik avantajları elde edilirken; aynı zamanda sistemlerin gerçek zamanlı, dinamik ve yoğun veri gereksinimlerini karşılayabilme potansiyeli de artmaktadır. Bu tez çalışması kapsamında ISAC sistemleri içinde FMCW radarların performans değerlendirmesi çok boyutlu bir yaklaşımla ele alınmıştır. Özellikle bu radarların hem algılama hem de temel haberleşme işlevlerini nasıl aynı anda gerçekleştirebildiği, hangi tasarım parametrelerinin bu performansı etkilediği ve mevcut teknolojik sınırlamaların neler olduğu detaylı olarak analiz edilmiştir. Tezin ilk bölümünde ISAC sistemlerinin tarihsel evrimi, kavramsal temelleri ve güncel uygulama alanları incelenmiştir. Ardından, ISAC sistemlerinde dalga formu tasarımı ve ortak sistem modelleme yaklaşımları üzerinde durulmuş ve bu bağlamda Frekans Modülasyonlu Sürekli Dalga radarların öne çıkan özellikleri detaylı olarak sunulmuştur. İlgili radar türü olan FMCW radar çalışma prensibi anlatılmış ve teorik temeller matematiksel çıkarımlarla desteklenmiştir. Menzil çözünürlüğü, Doppler hassasiyeti, hız çözünürlüğü, düşük güç tüketimi ve sürekli elektromanyetik dalga yapısı sayesinde FMCW radarlar özellikle iç mekân uygulamaları, yeni nesil araçlar, sürücüsüz araçlar ve küçük İHA sistemleri ve sürü insansız hava araçları gibi alanlarda ISAC uygulamaları için uygun bir zemin oluşturmaktadır. Dalgaformu düzeyinde yapılan incelemelerde, ISAC sistemleri için önerilen temel stratejilerden biri olan Ortak Dalgaformu Optimizasyonu (JWOD) üzerinden hareketle, radar algılaması ile haberleşmenin nasıl birlikte yürütülebileceği değerlendirilmiştir. FMCW radarların bu tür optimizasyonlarla nasıl modüle edilebildiği ve bu modülasyonların sistem performansına etkileri üzerinde durulmuştur. Ayrıca SCWD (Sensing Centric Waveform Design) yaklaşımı altında, FMCW radar dalga şekli üzerine uygulanan 2 FSK modülasyonu sayesinde düşük veri hızlarında haberleşmenin mümkün olduğu görülmüştür. Ancak bu yapının yüksek veri oranları gerektiren senaryolar için sınırlayıcı olabileceği ortaya çıkmıştır. Literatür taraması kapsamında, hem akademik çalışmalar hem de endüstriyel gelişmeler detaylı bir şekilde incelenmiştir. Huawei, ZTE, Rohde \& Schwarz, Nokia ve Texas Instruments gibi önde gelen firmaların ISAC sistemlerine yönelik çalışmaları analiz edilmiş; kullanılan sistem mimarileri, uygulanan dalga biçimleri ve karşılaşılan teknik zorluklar sistematik biçimde bir araya getirilmiştir. Özellikle ticari radar çipleri üzerinde yapılan entegrasyonlar, 60\,GHz gibi yüksek frekanslarda gerçekleştirilen laboratuvar testleri ve OFDM tabanlı ISAC sistem örnekleri karşılaştırmalı olarak değerlendirilmiştir. Bu bölümde ayrıca, radar ve iletişim işlevlerinin aynı anda çalıştırılmasında ortaya çıkan zorluklar örneğin senkronizasyon problemleri, donanım ve zamanlama uyumsuzlukları ve bant genişliği paylaşımı gibi konular da ele alınmıştır. Tezin uygulama inceleme kısmında ise 60\,GHz frekans bandında çalışan özel tasarım bir FMCW radar donanımı üzerine kurulu bir ISAC gösterimi önerilmiştir. Bu sistemde radar chirp'leri üzerine 2-FSK modülasyonu uygulanarak, aynı sinyal hem çevresel algılamayı hem de düşük hızlı veri iletimini eş zamanlı olarak gerçekleştirmiştir. Sistem, Infineon tarafından geliştirilen BGT60P radar modülü, Texas Instruments üretimi LMX2491 PLL birimi ve Keysight marka sinyal jeneratörü ile osiloskoplardan oluşan bir altyapı üzerinde yapılandırılmıştır. Yapılan ölçümler incelendiğinde farklı chirp sürelerinin, FSK taşıyıcı frekanslarının ve modülasyon sapmalarının sistem performansına etkileri analiz edilmiştir. Bu bağlamda sinyal gürültü oranı (SNR), bit hata oranı (BER) ve beat frekanslarının kararlılığı gibi göstergeler üzerinden sistemin yetkinliği değerlendirilmiştir. Özellikle chirp süresinin veri iletim hızını doğrudan etkilediği, yüksek taşıyıcı frekansların ise daha düşük faz gürültüsü sağladığı ancak daha yüksek örnekleme oranı gerektirdiği gözlemlenmiştir. Yapılan deneysel analizlerde, hem görüş hattı (LOS) hem de görüş hattı olmayan (NLOS) senaryolarda yaklaşık 1000 chirp'lik ölçüm verileri değerlendirilmiş; farklı koşullarda sistemin haberleşme başarımı ve radar doğruluğu arasındaki denge incelenmiştir. Ayrıca sistemde kullanılan harici senkronizasyonun pratik uygulamalarda sınırlayıcı olabileceği, bu nedenle kablosuz senkronizasyon yaklaşımlarının (örneğin preamble tabanlı hizalama veya pilot sinyali kullanımı) ilerleyen çalışmalarda dikkate alınması gerektiği ifade edilmiştir. Sonuç olarak, elde edilen bulgular doğrultusunda FMCW radarların ISAC sistemlerinde uygulanabilirliği ve sınırlılıkları detaylı şekilde ortaya konmuştur. Düşük maliyetli, düşük güçlü ve donanımsal olarak kompakt sistemlerin, temel iletişim işlevlerini radar sinyali üzerinden taşıyabilme potansiyeli net biçimde gösterilmiştir. Buna karşılık yüksek veri oranı, mobilite ve çoklu hedef ortamları gibi daha karmaşık senaryolar için hem dalgaformu mühendisliğinde hem de donanım düzeyinde gelişmiş çözümlere ihtiyaç duyulduğu anlaşılmıştır. Bu bağlamda gelecekte gerçekleştirilecek çalışmalarda öncelikli olarak dikkat edilmesi gereken başlıklar arasında çoklu taşıyıcılı dalgaformlarının (OFDM ya da chirp-CDMA), kablosuz senkronizasyon tekniklerinin, uyarlanabilir modülasyon ve kodlama yapılarının ve düşük gecikmeli yüksek doğruluklu sistem tasarımlarının öne çıktığı görülmektedir. Ayrıca radar ve haberleşme alt sistemlerinin aynı entegre devrede birleştirildiği yeni nesil ISAC yongalarının geliştirilmesi 6G ve sonrasındaki ağ mimarilerinde kritik bir rol oynayacaktır. Bu tez çalışması ile FMCW radarların ISAC sistemlerindeki konumu yalnızca teorik olarak değil aynı zamanda pratik olacak şekilde ölçülmüş verilerle de değerlendirilmiştir. Mevcut literatüre hem akademik hem de uygulamalı düzeyde katkı sağlanmıştır. Bunun yanında literatürdeki boşluklara karşılaştırmalı sonuçlarla katkı sağlanmıştır. Böylece ISAC sistemlerinin tasarımında dikkate alınması gereken temel prensipler, performans ödünleşimleri ve uygulama senaryoları bütüncül bir şekilde ortaya konmuştur.

Özet (Çeviri)

Radar technologies play a fundamental role across a wide range of applications. These include automotive systems, industrial automation processes and critical use cases in the defense industry. Among these applications Frequency-Modulated Continuous Wave (FMCW) radars stand out due to their low cost, hardware simplicity and high detection accuracy. They have become a preferred solution especially in short and medium range sensing applications. On the other hand in the transition to sixth-generation (6G) wireless communication systems the use of higher frequency bands, wider bandwidths and dense antenna arrays makes it technically possible to combine both communication and environmental sensing functions into a single system. As a natural consequence of these technological advancements it becomes necessary to use available resources more efficiently. Integrated Sensing and Communication systems which bring advantages such as hardware sharing and better spectrum utilization have emerged as a significant area of research and application. ISAC systems can be the capability to simultaneously perform dual functions by running radar and communication subsystems on the same physical platform. Through this integration operational efficiency benefits like spectrum sharing and simplified hardware design can achieved. Moreover the potential to meet real time, dynamic and data intensive system requirement is significantly increased. In this thesis the performance of FMCW radars within ISAC systems is evaluated using a multidimensional approach. In particular, how these radars can perform both sensing and basic communication functions simultaneously has been examined in detail. Additionally, the design parameters that affect this performance and the current technological limitations have been analyzed comprehensively. In the initial part of the thesis the historical evolution, conceptual foundations and current application domains of ISAC systems are explored. Then waveform design strategies and joint system modeling approaches are discussed. The notable features of FMCW radars are also presented in detail within this context. The operational principles of FMCW radar are explained and supported with mathematical derivations. Thanks to their range resolution, Doppler sensitivity, velocity resolution, low power consumption, and continuous wave structure, FMCW radars offer a solid foundation for ISAC applications. These are particularly effective in indoor applications, next-generation vehicles, autonomous driving, small UAVs and swarm drone systems. At the waveform level, the feasibility of simultaneously conducting radar sensing and data communication is evaluated using Joint Waveform Optimization Design (JWOD), which is one of the key strategies for ISAC systems. It is shown how FMCW radars can be modulated using such optimization techniques and how these modulations affect system performance. In addition, under the Sensing-Centric Waveform Design (SCWD) approach, it is observed that low-data-rate communication is possible through 2-FSK modulation applied to the FMCW waveform. However, this structure can be limiting for scenarios requiring high data rates. Within the literature review, both academic studies and industrial developments are examined in detail. Studies by leading companies such as Huawei, ZTE, Rohde \& Schwarz, Nokia, and Texas Instruments are analyzed. Their system architectures, waveform designs, and technical challenges are systematically compiled. In particular, integrations based on commercial radar chips, laboratory tests conducted at high frequencies like 60\,GHz, and OFDM-based ISAC system examples are comparatively discussed. Moreover, challenges in simultaneously operating radar and communication functions such as synchronization issues, hardware and timing mismatches, and bandwidth allocation are addressed. In the experimental section of the thesis, an ISAC demonstration setup is proposed based on a custom FMCW radar system operating in the 60\,GHz band. In this system, 2-FSK modulation is applied onto radar chirps. Thus, the same signal simultaneously enables environmental sensing and low-rate data transmission. The setup includes the BGT60P radar module by Infineon, the LMX2491 PLL component by Texas Instruments and Keysight-brand signal generators and oscilloscopes. During the measurement phase, the effects of different chirp durations, FSK carrier frequencies, and modulation deviations on system performance are analyzed. System capability is evaluated through metrics such as signal to noise ratio (SNR), bit error rate (BER) and beat frequency stability. It is especially observed that the chirp duration directly affects data rate. Also, higher carrier frequencies provide lower phase noise, although they require higher sampling rates. In experimental analyses, approximately 1000 chirps were evaluated under both line-of-sight (LOS) and non-line-of-sight (NLOS) conditions. The trade-off between communication performance and radar accuracy is studied under different scenarios. Moreover, it is noted that the use of external synchronization in the system can be a limiting factor in practical implementations. Therefore, wireless synchronization methods, such as preamble-based alignment or pilot signal usage, should be considered in future works. In conclusion, the applicability and limitations of FMCW radars in ISAC systems are clearly demonstrated. The potential of low-cost, low-power, and compact systems to carry basic communication functionalities over radar signals is revealed. However, for more complex scenarios such as high data rate transmission, mobility, and multi-target environments, there is a clear need for advanced waveform engineering and hardware solutions. In future studies, priorities should include multicarrier waveform structures (such as OFDM or chirp-CDMA), wireless synchronization techniques, adaptive modulation and coding schemes, and low-latency, high-accuracy system designs. Furthermore, the development of next-generation ISAC chips that integrate radar and communication subsystems into a single integrated circuit will play a critical role in 6G and beyond network architectures. With this thesis the role of FMCW radars in ISAC systems has been evaluated not only theoretically but also practically using real measurement data. Contributions are made to the existing literature on both academic and experimental levels. Additionally, research gaps are addressed with comparative results. As a result, the key principles, performance trade-offs and implementation scenarios that must be considered in ISAC system design are presented in a comprehensive manner.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    917469

    Advanced waveform designs for 5G and 6G

    5G ve 6G için gelişmiş dalga formu tasarımları

    EBUBEKİR MEMİŞOĞLU

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Medipol Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği ve Fiber Sistemler Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HÜSEYİN ARSLAN

  2. Tez No

    876862

    Performance improvements with predistortion on FMCW radars

    FMCW radarlarında ön bozulma ile performans iyileştirmeleri

    BAYRAM MERT ALTINDAĞ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ŞİMŞEK DEMİR

  3. Tez No

    900048

    Machine learning-based interference mitigation and ghost target reduction for one-bit quantized Simo FMCW automotive radars

    Makine öğrenmesi temelli bir-bit örneklenmiş Simo FMCW otomotiv radarlar için girişim temizleme ve hyalet hedef azaltma

    MUSA BURAK BAYTOK

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ALİ ÖZGÜR YILMAZ

  4. Tez No

    414153

    FMCW LPI radar signal detection and parameter extraction methods based on Wigner Hough transform

    Wigner Hough dönüşümü tabanlı FMCW YOD radar tespiti ve parametre çıkartımı yöntemleri

    AHMET YASİN ERDOĞAN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2015

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiYıldız Teknik Üniversitesi

    Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. TÜLAY YILDIRIM

    PROF. DR. PHILLIP E. PACE

  5. Tez No

    920317

    Analysis of ECM techniques and development of ECCM for FMCW applications

    FMCW uygulamaları için ECM tekniklerinin analizi ve ECCM geliştirilmesi

    DOĞANCAN ESER

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ŞİMŞEK DEMİR

    PROF. DR. SEYİT SENCER KOÇ

Geri Dön