Geri Dön

Modeling and analysis of terahertz non-terrestrial networks

Donanım bozuklukları altında terahertz karasal olmayan ağların modellenmesi ve analizi

  1. Tez No: 953937
  2. Yazar: EVLA SAFAHAN AHRAZOĞLU
  3. Danışmanlar: PROF. DR. İBRAHİM ALTUNBAŞ, DOÇ. DR. EYLEM ERDOĞAN
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
  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: 181

Özet

Uzay ve havacılık teknolojilerindeki son gelişmelerle birlikte, uydu, hava araçları ve yer istasyonlarının karasal olmayan ağlar (non-terrestrial networks, NTNs) mimarisi çarısı altında birleştirilmesi altıncı nesil (sixth-generation, 6G) haberleşme sistemlerinin küresel kapsama ihtiyacını karşılamak için umut verici bir çözüm olarak ortaya çıkmıştır. NTN'ler ile dünya genelinde çok yüksek veri hızları sağlamak için, atıl durumdaki frekansların kullanılması değerlendirilebilir. Bu bağlamda, milimetre dalga (millimeter wave, mmWave) ve terahertz (THz) bantları diğer frekans bantlarına kıyasla sunduğu belirli avantajlar sebebiyle öne çıkmaktadır. mmWave/THz iletimi atmosferik koşullara ve hava durumu etkilerine karşı oldukça duyarlı olsa da, NTN mimarisinin çok katmanlı yapısı ve yüksek kazançlı antenler/diziler, mmWave ve THz bantlarında güvenilir haberleşmeyi mümkün kılmaktadır. Bu nedenle, mmWave/THz NTN'ler akademik camiada önemli bir ilgi görmüştür. Bu tez kapsamında, THz NTN'lerin kanal özellikleri, gerçeklenebilirliği ve istatistiksel performansları incelenmiştir. Tez boyunca, anten hizalama hatası için istatistiksel bir model önerilmiş ve donanım bozuklukları dikkate alınarak çeşitli haberleşme senaryoları için performans analizleri sunulmuştur. İlk olarak, anten hizalama hatasının mmWave ve THz iletimleri üzerindeki etkisi incelenmiştir. mmWave/THz iletiminde, keskin hüzmelere sahip yüksek kazançlı antenler/diziler kullanıldığından, verici ve alıcı arasındaki mükemmel hizalama kritik öneme sahiptir. Antenler/diziler sabit olmayan konumlandırma, hareketli platformlar veya titremeler nedeniyle hizalanamadığında, alınan güç önemli ölçüde azalır ve bu durum hizalama hatası olarak adlandırılır. Bu olguyu karakterize etmek için, mmWave/THz hatlarında hizalama hatası için basit bir analitik model önerilmiştir. Mevcut modellerin aksine, önerilen model anten elemanlarının ışıma paternlerini ve dizi tasarımını içermektedir. Bu amaçla, anten elemanlarının ışıma paterni ve dizi faktörünün ana lobları Gauss hüzme olarak modellenmiştir. Daha sonra, anten elemanlarının maksimum kazancı, 3 dB hüzme genişliği, dizi elemanlarının sayısı, eleman aralığı ve dizi faktörünün 3 dB hüzme genişliği dikkate alınarak dizi ışıma paterninin ana lobu formüle edilmiş ve bu yaklaşım CST Microwave Studio'da yapılan elektromanyetik simülasyonlarla doğrulanmıştır. Dizi modelinin ana lobu kullanılarak, hizalama hatasının istatistikleri türetilmiş ve hizalama hatasının, şekil parametresi 2 ve ölçek parametresi anten/dizi tasarımlarına ve titreşim varyansına bağlı olacak biçimde, negatif log-Gamma dağılımının özel bir durumuna uyduğu gösterilmiştir. Anten ve dizi tasarım parametrelerinin sistem performansına hizalama hatası üzerinden etkilerini incelemek için iki yüksek irtifa platformu (high-altitude platform station, HAPS) arasındaki yatay haberleşme senaryosuna ilişkin kesinti olasılığı analiz edilmiştir. Sonuçlar, anten/dizi tasarımlarının en az titreşim varyansı kadar etkili olduğunu ve ihmal edilemeyeceğini ortaya koymuştur. İkinci olarak, mmWave/THz NTN'lerin gerçeklenebilirliğini incelemek amacıyla tüm olası aşağı yönlü ve yukarı yönlü katman içi ve katmanlar arası iletişim senaryoları dikkate alınarak bağlantı bütçe analizi sunulmuştur. Bu amaçla, farklı kanal koşullarında alınan gücü hesaplayabilmek için büyük ölçekli ve küçük ölçekli kanal etkileri hesaba katılmıştır. Burada büyük ölçekli etkiler, serbest uzay kaybı, kuru/nemli atmosfer koşullarında soğurulma kaybı, hava olaylarından kaynaklı kayıplar, iyonosferik etkiler, antenler arasındaki polarizasyon uyumsuzlukları ve besleme kayıpları olarak gruplanabilirken, küçük ölçekli etkiler ise sönümleme ve hizalama hataları olarak ayrılabilir. Daha sonra, frekansla değişen gürültü özellikleri göz önünde tutularak alınan işaret-gürültü oranı (signal-to-noise ratio, SNR) hesaplanmıştır. Ardından, sistem ve kanal parametrelerinin geniş bir aralığı için maksimum erişilebilir veri hızı bulunup katman içi ve katmanlar arası bağlantıların performansı değerlendirilmiştir. Sonuçlar, NTN mimarisinin çok katmanlı yapısı sayesinde yer-uydu bağlantılarındaki aşırı kayıpların telafi edilebilir bir seviyeye indirgenebildiğini ve yüksek veri hızına sahip bağlantıların mümkün olduğunu göstermiştir. Daha net ifade etmek gerekirse, yer-uydu bağlantılarındaki toplam iletim mesafesi hava platformları kullanılarak iki farklı bölüme ayrılabilir. İlk bölüm, atmosferin üst katmanlarında yer alan uydular ile hava platformları arasındaki mesafeyi kapsar; bu bölgede atmosfer yeterince seyrek olduğundan soğurulma ihmal edilebilir düzeydedir. Buna karşılık, ikinci bölüm alt atmosfer katmanında yer alır. Bu katmanda mesafe daha kısa olmasına rağmen, soğurucu parçacıkların daha yoğun olması ve hava koşullarına bağlı etkiler nedeniyle soğurulma daha yoğun gerçekleşir. Üçüncü olarak, iki atlamalı uydular arası THz haberleşme sisteminin kesinti olasılığı ve sembol hata oranı (symbol error rate, SER) performansları analiz edilmiştir. İncelenen sistemde, kaynak ve hedef alçak dünya yörüngesi (low earth orbit, LEO) uyduları arasında doğrudan görüş (line-of-sight, LOS) hattının bulunmadığı varsayılmaktadır. Bu nedenle haberleşme, değişken kazançlı kuvvetlendir-ve-aktar (amplify-and-forward, AF) kullanan, daha yüksek irtifadaki başka bir LEO uydusunun yardımıyla sağlanmaktadır. Sistem performansını değerlendirmek için, serbest uzay kaybı, soğurulma kaybı, iyonosferik kayıp, sönümleme ve hizalama hatalarının varlığında uçtan uca SNR'ın istatistikleri türetilmiştir. Ayrıca, sistem performansı hakkında öngörüler elde etmek için asimptotik kesinti olasılığı analizi yapılmıştır. Kabul edilebilir iletim güç seviyeleri ile güvenilir uydular arası haberleşme bağlantılarını mümkün kılınabildiği gösterilmiştir. Dördüncü olarak, donanım bozukluğu gürültüsü altında iki atlamalı çok HAPS'lı THz NTN ele alınmıştır. Bu yapıda, en yüksek SNR'ı sağlayan HAPS sistemi, uydu ile yer istasyonu arasındaki iletimi desteklemek amacıyla değişken kazançlı AF röle görevi görmektedir. Kesinti olasılığı, asimptotik kesinti olasılığı ve ergodik kapasite ifadelerini elde etmek için uçtan uca SNR'ın istatistikleri türetilmiştir. Bu istatistikler kullanılarak donanım bozukluğu seviyesinin, zenit açılarının ve atmosferik koşulların sistem performansı üzerindeki etkileri gösterilmiştir. Sonuçlar, donanım bozukluklarından kaynaklanan gürültünün kesinti performansında güç kaybına yol açtığını ve sistemin toplam kapasitesini azalttığını ortaya koymaktadır. Bu olumsuz etki, HAPS sistemlerinin sayısının artırılmasıyla azaltılabilir. Ek olarak, sonuçlar, yüksek SNR bölgesinde sistem performansının sönümleme veya hizalama hatası karakteristiği tarafından belirlendiğini göstermiştir. Son olarak, iki atlamalı bir THz NTN'in eş fazlı (in-phase, I)/dik (quadrature, Q) bileşenlerin dengesizliği altında SER ve ergodik kapasite performansları araştırılmıştır. İncelenen sistem modelinde, birden fazla HAPS sistemi, değişken kazançlı AF kullanarak iletimi desteklemek için röle olarak görev yapmaktadır. Yer istasyonunda, tüm HAPS sistemlerinden alınan işaretler en büyük oranlı birleştirme tekniği ile birleştirilmektedir. Performansı ölçmek için serbest uzay kaybı, soğurulma kaybı, sönümleme, hizalama hataları ve alıcı I/Q dengesizliğinin varlığında alınan SNR'ın istatistikleri türetilmiştir. Çeşitli uydu ve HAPS yerleşimlerinin ve genlik/faz uyumsuzluğu seviyelerinin etkileri incelenmiştir. I/Q dengesizliğinin hata katına ve düşük kapasite sınırlarına yol açarak sistem performansını kötüleştirdiği gösterilmiştir. Yüksek SNR analizleri, mükemmel donanım durumunda sistem performansının sönümleme veya hizalama hatası parametrelerine bağlı olduğunu ortaya koymuştur. Ayrıca, sonuçlar, HAPS-yer istastonu arasındaki zenit açısının düşük değerlerinde atmosferik koşullardan bağımsız olarak SER performansının neredeyse aynı kaldığını göstermiştir. Bu tezin mevcut literatüre katkıları şu şekilde özetlenebilir: mmWave/THz iletiminde hizalama hatası üzerindeki anten ve dizi tasarımlarının etkisini karakterize etmek için basit bir analitik model önerilmiştir. Bu model kullanılarak, farklı türde anten elemanları ve/veya farklı dizi konfigürasyonları varlığında sistem performansındaki değişim incelenebilir; böylece daha gerçekçi performans analizleri ve sistem tasarımı yapılabilir. mmWave/THz NTN'lerin uygulanabilirliği gerçekçi kanal koşulları dikkate alınarak değerlendirilmiştir. NTN mimarisinin çok katmanlı yapısı sayesinde güvenilir mmWave/THz bağlantılarının sağlanabileceği gösterilmiştir. İki atlamalı uydular arası THz haberleşme sistemi için performans analizi sunulmuştur. Sonuçlar, makul iletim güç seviyeleriyle tatmin edici performans elde edilebileceğini ortaya koymuştur. Donanım bozukluğu gürültüsü varlığında iki atlamalı çok HAPS'lı NTN'in performansı analiz edilmiştir. İdeal olmayan ekipmanlardan kaynaklanan gürültü nedeniyle oluşan performans sınırları gösterilmiştir. Lokal osilatörlerdeki genlik/faz uyumsuzluklarının neden olduğu I/Q dengesizliğinin iki atlamalı çok HAPS'lı NTN'e etkisi incelenmiştir. Sonuçlardan, alıcı I/Q dengesizliğinin hata katına ve düşük kapasite sınırlarına yol açtığı ve sistem performansını kötüleştirdiği anlaşılmıştır.

Özet (Çeviri)

With the recent advances in space and aerial technologies, integrating satellites, aerial vehicles, and ground stations within the non-terrestrial network (NTN) architecture has emerged as a promising solution for the global coverage requirement of the sixth-generation (6G) communication systems. To provide extreme data rates globally with NTNs, the utilization of high frequencies can be considered, among which the millimeter wave (mmWave) and terahertz (THz) bands arise as prominent candidates since they demonstrate certain advantages over their counterparts. Though mmWave/THz transmission is sensitive to atmospheric conditions and weather-dependent effects, the multi-layer structure of the NTN architecture and high-gain directional antennas/arrays enable reliable communication in the mmWave and THz bands. Hence, the mmWave/THz NTNs have gathered considerable interest from the academic community. Within the scope of this thesis, the channel characteristics, feasibility, and statistical performance of THz NTNs are investigated and analyzed. Throughout the thesis, a statistical model for the impact of antenna misalignment is proposed, and performance analyses for various communication scenarios are presented by taking the hardware imperfections into consideration. First, the influence of antenna misalignment on the mmWave and THz communications is investigated. Since highly directional antennas/arrays with pencil-sharp beams are utilized in mmWave/THz transmission, the perfect alignment between transmitter and receiver is critically important. When the antennas/arrays are misaligned due to non-stable positioning, moving platforms, or jitters, the received power significantly reduces, referred to as pointing errors. To characterize this phenomenon, a simple analytical model for the pointing error in mmWave/THz links is proposed. Unlike the existing models, the proposed model incorporates the antenna element radiation pattern and the array design. To accomplish this, the main lobes of the antenna element radiation pattern and the array factor are modeled as Gaussian beams. Then, the main lobe of the array pattern is formulated by accounting for the maximum gain and 3 dB beamwidth of the antenna element and number of array elements, element spacing, and 3 dB beamwidth of the array factor, which is validated via electromagnetic simulations in CST Microwave Studio. By using the main lobe of the array pattern, the statistics of the pointing error are derived, and it is shown that the pointing error follows a special case of the negative log-Gamma distribution with the shape parameter of 2 and the scale parameter depending on the antenna/array designs and jitter variance. To examine the impact of the antenna and array design parameters on the system performance through pointing errors, outage probability of a horizontal high-altitude platform station (HAPS)-to-HAPS communication scenario is analyzed. The results have revealed that antenna/array designs are as influential as the jitter variance, and they cannot be neglected. Secondly, link budget analysis for mmWave/THz NTNs is presented to investigate their feasibility by considering all possible uplink/downlink inter-layer and intra-layer communication scenarios. With this objective, large- and small-scale channel effects are taken into account to obtain the received power in various channel conditions. Afterwards, the received signal-to-noise ratio (SNR) is evaluated by considering the frequency-dependent noise characteristics. Then, the maximum achievable data rate is found for a wide range of system and channel parameters to quantify the performance in inter-layer and intra-layer links. The results have illustrated that the extreme losses in ground-satellite links can be reduced to a compensable level owing to the multi-layer structure of the NTN architecture, enabling multi-gigabit links. More precisely, the total propagation distance in ground-satellite links can be divided into two distinct segments by utilizing aerial nodes. The first segment spans the distance between satellites and aerial nodes in the upper atmospheric layers where the atmosphere remains sufficiently thin to meet negligible absorption. In contrast, the second layer lies within the lower atmospheric layer. Here, even though the distance is shorter, the denser concentration of absorber particles combined with weather-dependent effects lead to more frequent absorption. Thirdly, a dual-hop inter-satellite THz communication system's outage and symbol error rate (SER) performance are examined. In the system of interest, it is assumed that the direct line-of-sight (LOS) is not available between the source and destination low earth orbit (LEO) satellites, and the communication is established with the aid of another LEO satellite at a higher altitude that employs the variable-gain amplify-and-forward (AF) relaying. To assess the performance of the system, the statistics of the end-to-end SNR are derived in the presence of free-space loss, absorption loss, ionospheric loss, fading, and pointing errors. Moreover, the asymptotic outage analysis is performed to gain insights about the system performance. It is shown that reliable inter-satellite communication links can be established with feasible transmit power levels. Fourthly, a dual-hop multi-HAPS THz NTN is considered under hardware impairment noise. In this setup, the HAPS system that provides the maximum SNR utilize the variable-gain AF relaying to aid the transmission from the satellite to the ground station. To obtain the outage probability, asymptotic outage probability, and ergodic capacity expressions, the statistics of the end-to-end SNR are obtained. The impacts of hardware impairment levels, zenith angles, and atmospheric conditions on the system performance are illustrated by using these statistics. The findings reveal that hardware impairment noise results in a power loss in the outage performance and reduces the overall system capacity. This adverse effect can be mitigated by increasing the number of HAPS systems. Furthermore, the results have shown that the system performance is determined by either fading or pointing error characteristics in high SNR region. Finally, the SER and ergodic capacity performance of a dual-hop THz NTN are investigated under in-phase (I)/quadrature (Q) imbalance. In the considered system model, multiple HAPS systems act as relays to assist transmission by utilizing the variable-gain AF relaying. At the ground station, the received signals from all HAPS systems are combined by using the maximal ratio combining technique. To quantify the performance, the statistics of the received SNR are derived in the presence of free-space loss, absorption loss, fading, pointing errors, and receiver I/Q imbalance. The impacts of various satellite and HAPS deployments and amplitude/phase mismatch levels are illustrated. It is demonstrated that error floors and lower capacity limits are observed due to I/Q imbalance. High SNR analysis have shown that the system performance depends on either fading or pointing error parameters in the case of perfect hardware. In addition, the results have revealed that the SER performance remains almost the same regardless of the atmospheric conditions for low zenith angles in HAPS-to-ground station link. The main contributions of this thesis to the current literature can be summarized as follows: First, to characterize the impact of antenna and array designs on the pointing error characteristics in mmWave/THz transmission, a simple analytical model is proposed. By using this model, the variation in the system performance in the presence of different types of antenna elements and/or different array configurations can be investigated, enabling more realistic performance analysis and system design. Secondly, the feasibility assessment of mmWave/THz NTNs is performed by considering various channel conditions. It is demonstrated that reliable mmWave/THz communication links can be achieved in NTNs owing to the multi-layer structure of the NTN architecture. Afterwards, the performance analysis for a dual-hop inter-satellite THz communication system is presented. The results have revealed that satisfactory performance can be achieved with feasible transmit power levels. As the fourth contribution, the performance of a dual-hop multi-HAPS NTN is analyzed in the presence of hardware impairment noise. The performance limits due to the noise caused by non-ideal equipment are illustrated. Finally, the influence of I/Q imbalance led by the amplitude/phase mismatches in the local oscillators on a dual-hop multi-HAPS NTN is examined. From the results, it is inferred that receiver I/Q imbalance leads to error floors and lower capacity limits, deteriorating the system performance.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    887618

    Index modulation based designs, error performance and physical layer security analyses for unmanned aerial vehicle networks

    İnsansız hava aracı ağları için indis modülasyonu tabanlı tasarımlar, hata performansı ve fiziksel katman güvenlik analizleri

    AYŞE BETÜL BÜYÜKŞAR

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektronik-Haberleşme Eğitimi Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. İBRAHİM ALTUNBAŞ

  2. Tez No

    866228

    Joint calibration and reconstruction for focal plane array imaging

    Odak düzlemi dizisi görüntüleme için birleşik kalibrasyon ve geriçatım

    MUHAMMET UMUT BAHÇECİ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ENDER METE EKŞİOĞLU

  3. Tez No

    313828

    Experimental investigation of nanofluids using terahertz time domain spectroscopy (THz TDS)

    Nano akışkanların zamana dayalı terahertz spektrometresi ile deneysel olarak incelenmesi

    CAN KORAL

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2012

    Fizik ve Fizik MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Mikro ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. HAKAN ALTAN

    YRD. DOÇ. DR. TUBA OKUTUCU

  4. Tez No

    893101

    Physical layer techniques for 5G and beyond wireless systems

    5G ve ötesi kablosuz sistemler için fiziksel katman teknikleri

    ABUU BAKARI KIHERO

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    İletişim Bilimleriİstanbul Medipol Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği ve Siber Sistemler Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HÜSEYİN ARSLAN

  5. Tez No

    771326

    Hierarchical dirichlet process based gamma mixture modelling for terahertz band wireless communication channels and statistical modelling of 240 GHz - 300 GHz band

    Terahertz bandı kablosuz haberleşme kanalları için hiyerarşik dirichlet sürecine dayalı gamma karışım modeli ve 240 GHz-300 GHz bandının istatistiksel modellenmesi

    ERHAN KARAKOCA

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. GÜNEŞ ZEYNEP KARABULUT KURT

Geri Dön