LEE- Telekomünikasyon Mühendisliği-Yüksek Lisans

Bu koleksiyon için kalıcı URI

http://hdl.handle.net/11527/19469

Gözat

Simultaneous transmission based communication techniques

(Graduate School, 2020-07-17) Altun, Ufuk ; Kurt Karabulut, Güneş ; Özdemir, Enver ; 0504171355 ; Telecommunications Engineering

Any interference between two communicating point is regarded as unwanted noise in conventional communication networks, since it distorts the received signal. In the last two decades, allowing simultaneous transmission and intentionally accepting the interference of signals has been taken into consideration as opposed to the conventional perspective. Joint source-channel coding and the computation codes are one of the first paradigms that allow simultaneous transmission at the same time and frequency and benefit from it. Joint source-channel coding later inspired many other fundamental work from network coding to consensus algorithms, from distributed detection applications to the emerging machine learning. In this thesis, the simultaneous transmission techniques are investigated and two security methods are proposed based on the simultaneous transmission. The chapters of this thesis can be placed under two titles. In the first part, the readers will find a thorough map of the wireless communication literature that benefits from the superposition of signals. The studies are grouped together depending on their purpose and application area. Later, they are presented along with the details such as their contributions and performance metrics. These studies show that the simultaneous transmission can bring scalability, security, low-latency, low-complexity and energy efficiency for certain wireless distributed networks. This part of the thesis emphasizes how the physical layer can be beneficial for unconventional network structures. Especially, the internet of things (IoT) requires unconventional designs to support large networks where the nodes are often resource limited. Simultaneous transmission-based techniques show great opportunities in these scenarios. Also, the attention on the simultaneous transmission applications is expected to grow larger since the application areas of the IoT are constantly spreading. In the second part, an authentication method and a key generation method is presented for multi-user networks. These methods are inspired by the analog function computation (AFC) studies that reduce the computational load of the receiver by computing functions over the air. In essence, AFC methods use signal processing at the transmitters and receivers to invert the fading effect such that the channel model matches with summation operation. After this point, the signal processing is extended to compute any other function. However, existing AFC methods always lose the individual channel inputs over the channel and the receiver only obtains a function of these inputs. In the authentication method, a novel signal processing is developed to harness the individual data from the channel and authenticate it against spoofers. For this purpose, Gaussian prime integers are involved in the signal processing. The pre-processing function encodes the messages at the signal amplitudes in the logarithmic forms. Also the messages are encoded as the exponents of the Gaussian prime "identifiers" which is unique to each user. These prime identifiers enable the extraction of individual data from the superimposed signals. Gaussian primes and the fading ensure the detection of spoofing attacks. For a successful detection, the spoofer is assumed to have larger channel estimation error than the legitimate users. The symbol error rate (SER) and the receiver operating characteristics (ROC) are investigated with simulations in order to verify the feasibility of the proposed approach. In the key generation method, time and bandwidth efficiency of multi-user networks are improved and their dependency on a center node (or an external third party) is removed. Similar to the authentication method, channel model is adjusted with pre and post processing functions. However in this model, the channel is matched with a key generating function that outputs a shared key at each node. The key is assumed to be the combination of multiple key components that are taken from each node. Half duplex and full duplex communication scenarios are considered for the key generation purpose. In the half-duplex scenario, key components are pre-processed and simultaneously transmitted. The pre-processing functions make sure that only the targeted receiver obtains the meaningful information after post-processing. Repeating this process for every node completes the key generation process without leaking the key to the eavesdroppers. This scenario especially removes the dependency on a center node which is required in many traditional method to distribute prior information to each node. This scenario is investigated with simulations and the error probability results are presented. Moreover, the full-duplex scenario is considered where each node simultaneously transmits and receives key components. This model manages to provide a secret key to multiple nodes in a single communication.
Hierarchical dirichlet process based gamma mixture modelling for terahertz band wireless communication channels and statistical modelling of 240 GHz - 300 GHz band

(Graduate School, 2022) Karakoca, Erhan ; Kurt Karabulut, Güneş ; 771326 ; Telecommunication Engineering

Terahertz (THz) frequencies span from 0.1 THz to 10 THz, and because of their large bandwidth opportunity, they appear to be one of the strong candidates to satisfy future wireless communication standards and data rate requirements. Another advantage of the THz band is that it has not yet been standardized and is not allocated to any wireless communication application. THz frequencies enable the use of nano-sized antennas due to their short wavelengths. This particular feature is predicted to result in new communication application areas at the micro-scale over short distances. Furthermore, because these antenna sizes will also allow the deployment of large antenna arrays in a limited space, it is predicted to provide numerous new communication application areas at the macro-scale for long distances. The successful utilization of THz frequencies and the implementation of communication at these frequencies are also dependent on the design of efficient, cutting-edge hardware and antennas. To properly build this equipment, the channel structure of the THz band must be thoroughly researched. This can only be accomplished by collecting extensive measurements and analyzing those measurements. Unfortunately, in addition to their benefits, THz frequencies have a downside in the form of substantial propagation losses. These losses constrain the communication link and make channel characterization difficult. Molecular absorption is a major contributor to propagation loss at THz frequencies. When a radio frequency (RF) signal of a certain wavelength interacts with gaseous substances while propagating in the atmosphere, part of their energy is absorbed by these gas molecules, leading the molecule to move to a higher energy level. As a result, when THz waves interact with molecules, various power losses occur in different windows of the THz spectrum. Furthermore, the effect of molecular absorption is proportional to communication distance. Due to the unique channel characteristics of the THz band, extended measurement campaigns and comprehensive propagation channel modeling are essential to understand the spectrum and to develop reliable communication systems in these bands. These measurements and channel modeling should be performed in a variety of scenarios based on various macro and micro-scale communication applications. When the channel modeling approaches are considered, the most commonly utilized channel modeling techniques can be categorized into two, deterministic and statistical. Ray tracing and traditional statistical modeling are insufficient to construct a suitable channel model due to the wide bandwidth and rapid changes in the characteristics of THz channels. Statistical channel models can represent a wide range of settings and can adopt the variable structure of the THz channel. In contrast, deterministic models, such as ray tracing can only represent a single environment in a specific condition. A
A friendly physical layer warden system

(Graduate School, 2022) Kumral, Miraç ; Kurt Karabulut , Güneş Zeynep ; 714363 ; Telecommunications Engineering Programme

Wireless communication technologies have become the focus of attention in recent years. Studies in this field are of great importance as they offer a direct solution to the problems of daily life. Mobile communication, satellite communication, terrestrial communication and maritime communication are the pioneers in the wireless communication sector. Wireless communication has become widespread and popular because it is frequently used in daily life. For example, in today's world, almost everyone has basic knowledge about technologies such as Bluetooth, Wi-Fi, 3G, 4G, 5G. It can be seen that even people who are not technically involved follow the developments of these technologies today. The wireless method of transmitting information brings great comfort to human life. However, with the convenience of wireless communication, some potential dangers may also occur. Wireless transmission takes place by converting the information into a signal and broadcasting it to the open environment with the help of antennas and receiving this broadcast by the desired people. Due to the nature of wireless communication, this broadcast to the open environment may pose a danger because the wireless medium is accessible to all users in the environment. Some of these dangers are interfering with the communication between the communicating devices for malicious purposes or revealing confidential information by decoding a communication signal by someone else. These potentially dangerous interventions are called wireless attacks. Communication architecture is generally designed as a multi-layered structure. The most common structure is the OSI (Open Systems Interconnection) model. This model; It consists of physical layer, data link layer, network layer, transport layer, session layer, presentation layer and application layer. New wireless transmission techniques are discussed and designed every day in the literature. Thanks to the new methods designed, wireless communication is becoming more secure day by day. Encryption methods developed by the science of cryptography are used to provide information security. These encryption methods are frequently used in the layers other than the physical layer. However, contrary to expectations, the physical layer has not received enough attention in studies against wireless threats. Within the scope of the literature review, studies on the detection of wireless threat elements were investigated. Physical layer approaches have been examined and it has been seen that these studies are generally aimed at receiver systems. A different perspective has been brought in this thesis to detect wireless attackers. In this thesis, a friendly physical layer guard system is proposed. This warden system has the ability to detect if the transmission between two users is under any attack. Additionally, if an attack is taking place, the system can also detect the type of attack. The proposed warden system has a multi-antenna architecture, so it can also determine which direction the attacker is in. In the first stage of the study, it was mentioned why the communication environment should be secure.
Microwave imaging problem with veselago lens structure

(Graduate School, 2022) Şahin, Furkan ; Yapar, Ali ; 713425 ; Telecommunications Engineering Programme

Veselago lens structure has been known by researchers for many years. By using such structures, it has been shown that the electromagnetic wave can be focused at the desired point. Also, it has became interesting for microwave imaging problems with this focusing feature. However, many researches are carried out to produce metamaterials under this subject. In recent years, promising developments in producing these metamaterials have increased the interest to this subject. The aim of this thesis is to find images of the objects in 2D space using the Veselago lens structure. These lenses, which have a metamaterial layer, help to focus the electromagnetic wave at a certain point. The metamaterials are artificial materials that have a negative value for both the dielectric constant and the magnetic permeability. However, Veselago lenses have 3 layers, one of which is metamaterial. In such structures, the first and third layers are the same mediums and have positive permittivity and permeability. The second layer in the middle is a metamaterial medium, and its electromagnetic characteristic parameters are equal to the negative of the values which the other two layers have. Also, the Veselago lens structure mentioned here is given in this study. First, the expressions of Green's functions for the three-layered space that will be used throughout the calculations are found. To do this, the boundary conditions on the surfaces between the layers are used. Thus, the unknown coefficients are found from a linear equation systems and Green's functions is formed. It is calculated for the cases where the source are in the first or third layer. In addition, the accuracy of this Green's function is tested by comparing it with another expression in the literature. In order to obtain the representations of Green's functions in the spatial domain, the inverse Fourier transform is applied to the expressions in the spectral domain. It can be given attention to the branch point singularities in the complex plane while calculating the integral for this transformation. These branch point singularities are avoided by choosing the integral path on the real axis and inserting some conductivity for each medium. However, it is necessary to have information about the scattered field from the object for imaging. Therefore, the scattering field from an object has been calculated theoretically and it is obtained synthetically. Two different types of objects are considered for this purpose. The first one is when the scatter is a dielectric object. In this case, the calculation way of the scattered field from an object by the method of moments (MoM) is shown. MoM is a method being used commonly for such problems. In here, the object is divided into cells and a linear equation system is solved to find the total field in each cell. Then, by using the information of total field in the object, the scattered field at any point on the space is found with the data equation. In addition, the objects having a perfect electric conductor (PEC) surface is included in at the study. For this second case, the way in which the scattered field being obtained by an integral equation method (IEM) is described. This method and MoM are quite similar to each other. Firstly, the surface of the object is divided into cells and the surface current density of each cell is found with a linear equation system. Similarly, the scattered field at any point on the space is found by using these surface current densities of the cells. After the methods for finding the scattered field from the object, imaging algorithms being used in this thesis are mentioned. Such algorithms basically aim to find the image of the object in a reconstruction domain by using the information of scattered field. In addition, the information of scattered field is obtained separately for each pair of source and measurement points since the configurations with multi-source and multi-measurement points are used in this study. Firstly, Born approximation being a basic method is introduced. In this technique, a matrix system is obtained from the data equation by ignoring the scattered field. After a necessary regularization, this system is solved and an object function is found. The Born approximation is valid only for weakly scattering objects and gives information about the dielectric constant of the object. Secondly, another imaging algorithm is reverse time migration (RTM). For this, there is an image function that basically calculates the correlation. Thus, the geometric properties of the object are determined. If it is compared with Born approximation, RTM method is easier and faster to implement. Also, unlike the Born approximation, this method can be used for the objects which have a PEC surface. However, RTM method provides the possibility of detecting only the geometrical properties of the object, and it does not provide any information about the electromagnetic properties of the object. In the chapter of numerical examples, the results of these two imaging algorithms are given. First of all, two different illumination-measurement configurations being used in this study are defined. The main difference between these two configurations is whether the sources are in the object layer or not. The cases of illumination from the opposite layer of the object are more practical configurations in terms of feasibility. However, the image quality increases with the illuminations from the object layer. After introducing the illumination-measurement configurations used in this study, it is shown the way of constructing the letter-shaped objects to be used for imaging are defined in numerical examples. For this, a layout with a certain number of cell elements is used and the necessary cell elements are selected from this scheme to form the desired letter-shaped objects. Then, Born approximation and RTM method are applied for these configurations and the results are given. In the results, it is showed that the image quality is improved by the focusing effect of the Veselago lens structure. However, objects with different shapes are used. Also, the effects of dielectric constant and metamaterial thickness on imaging results are investigated. Finally, in this chapter, the results of numerical examples are given for scattered field data with noise and the sensitivity of results is examined to noise. Finally, in the chapter of conclusions, the findings of this thesis are presented and the results are discussed. It is given a comparison between Born approximation and RTM method by including their advantages and disadvantages. The effect of using different illumination-measurement configurations on imaging is mentioned. In addition, the illumination-measurement configurations used in this study is compared in terms of feasibility. In addition, some recommendations for the future research are given.
Metamalzeme tabanlı sensörler ve bu sensörlerin mikrodalga algılamada kullanılması

(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2022-01-14) Sili, Güliz ; Yapar Akleman, Funda ; 504181344 ; Telekomünikasyon Mühendisliği ; Telecommunication Engineering

Metamalzemeler doğada bulunmayan ve yapay olarak elde edilen malzemelerdir ve negatif kırılma indeksi, negatif faz hızı gibi özellikleri ile doğadaki malzemelerden ayrılmaktadırlar. Metamalzemelerin elektromanyetik dalga ile etkileşimi incelenmiş ve elektromanyetik dalga yayınımı üzerine çalışmalar yapılmıştır. Bu incelemeler ışığında Ayrık Halka Rezonatörleri (Split Ring Rezonators (SRRs)) ve Tamamlayıcı Ayrık Halka Rezonatörleri (Complimentary Split Ring Rezonator (CSRRs)) keşfedilmiştir. CSRR ve SRR yapılarının yakınlarına yerleştirilen dielektrik malzemelere duyarlı olduğu bilinmektedir. Bu yapılar rezonans frekansında ve elektrik alanının Q faktöründe değişiklikler üreten iyi kurulmuş bir elektrik alanı sergiler ve böylelikle algılama alanında kullanılabilirler. CSRR yapının olumlu taraflarının olması sebebiyle hem SRR hem de CSRR yapılarının iyi bir kararlı frekans yanıtı sağlamasına rağmen tasarımlarda genellikle CSSR tercih edilir. Diyabet günümüzde oldukça sık görülen bir hastalık haline gelmiştir ve diyabet hastası olan kişiler için kan şekeri seviyesinin izlenmesi oldukça önemlidir. Kan şekeri seviyesini ölçmek için kullanılan yöntemlerden biri parmak delmedir ve bu yöntemin ağrılı, invaziv ve enfeksiyon açısından riskli olduğu bilinmektedir. Minimal invaziv olarak bilinen Sürekli Glikoz İzleme (Continuous Glucose Monitoring (CGM)) ise kan şekerini ölçmek için deri altına yerleştirilen sensörleri kullanarak sürekli bir ölçüm sağlar. Ancak bu yöntemin de doğruluk be maliyet gibi bir çok olumsuz tarafı bulunmaktadır. Bu nedenle kan şekerinin takibi için İnvaziv Olmayan (Non- Invazive (NI)) yeni nesil mikrodalga algılama yöntemleri önem kazanmıştır. Bu çalışmada SRR ve CSRR yapıları kullanılarak elde edilen sensörler ile algılama yapılabileceği gösterilmiştir. Öncelikle bir çözeltideki su miktarını algılayan sensör ve kullanılan yöntem incelenmiş ve bu yöntemden yola çıkarak farklı sensörler üzerinde incelemeler yapılmıştır. Kompleks dielektrik geçirgenlikleri farklı olan glikoz karışımları kullanılan CSRR sensörü sayısal olarak modellenmiş ve S11 ve Q faktörü gibi rezonans parametrelerinin değişimi analiz edilmiştir. karmaşık dielektrik geçirgenlikteki değişikliği hesaplamak için MLS (En Küçük Kareler Yöntemi) algoritmasında kullanılmıştır. ayrıca MLS algoritmasında Q faktörlerini dahil etmek yerine iki farklı rezonans frekansında S11 büyüklükleri kullanılmıştır. Son olarak, diyabet durumuyla ilgili kan şekeri düzeylerini tespit etmek için karmaşık dielektrik geçirgenliği ve glikoz konsantrasyonları arasındaki ilişki kullanılır. Son olarak, daha düşük hata başarımı elde etmek için yeni bir sensör önerilmiştir. Benzer bir tasarım prosedürü kullanılmış ancak CSRR yapıları hem şekil hem de boyut olarak yenilenmiştir. Sonuçların gerçeğe yakın olması için sensörler incelenirken deri katmanı da kullanılmıştır.
Genetic algorithm based ARINC-664 worst case delay optimization using network calculus

(Graduate School, 2022-01-17) Akpolat, Eyüp Can ; Çırpan, Hakan Ali ; 504181313 ; Telecommunication Engineering

The Integrated Modular Avionics (IMA) concept, which enables dynamic resource sharing to provide challenging requirements of next-generation aircraft, has been gained significant attention. Deterministic network (DTN) is a key technology of the IMA platform to provide communication among sub-systems with bounded latency and jitter. The quantity of data transferred across IMA systems becomes more essential as the number of integrated functions within an aircraft grows. Because some of the existing avionics communication protocols cannot keep up with the increase in the number of communicating nodes, Ethernet-based DTN solutions have been proposed. Ethernet-based solutions such as ARINC-664, IEEE Time-triggered Ethernet (TTEthernet), and Time Sensitive Network (TSN) are commonly used for DTN. ARINC-664 is the most widely used solution since it does not require a complex synchronization mechanism, and hence, its certification is relatively easier. Ethernet-based deterministic network solution requires offline network planning to make sure that strict timing requirements are met. Network Calculus (NC) is heavily used tool to calculate the worst-case delay bounds for each ARINC-664 network configuration. This thesis presents a Genetic Algorithm (GA) based ARINC-664 network delay optimization using the NC, where the GA is used to effectively search the mapping of ARINC-664 Virtual Links (VLs) to priority levels using the extended priority scheme. While there are only two priority levels in the ARINC-664 standard, the extended priority concept increases the number of priority levels to improve the schedulability of VLs. For each possible assignment of the VLs to the priority levels, the NC analysis provides the worst-case delay results for all VLs. We define three different fitness functions aiming to minimize the maximum, the average, and the standard deviation of the worst-case VL delays, respectively. The results demonstrate that the extended priority concept improves the schedulability of VLs and the GA optimization approach can successfully achieve the desired objectives for the VL delays if the appropriate cost function is selected. In this thesis, we also implement the ARINC-664 End System (ES) and Switch (SW) simulation model in OMNeT++ which is used to simulate and analyze computer networks to verify the NC results of the extended priority concept. The simulation results are always lower than the NC bounds, indicating that the proposed concept successfully provides delay optimization.
Kutupsal kodlar ve uydu iletişimindeki başarımı

(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2022-02-02) Aydoğan, Oğuzhan ; Altunbaş, İbrahim ; Pusane, Ali Emre ; 504181327 ; Telekomünikasyon Mühendisli˘gi

Günden güne yaygınlaşan telsiz iletişim uygulamaları yüksek kapasiteye, yüksek veri hızlarına, daha iyi hata başarımına ve kısıtlı olan frekans bandının verimli kullanımına ihtiyaç duymaktadır. Bu ihtiyaca yanıt verebilmek adına telsiz iletişim teknolojileri de sürekli bir yenilenme ve gelişim sürecine girmektedir. Hata başarımlarının iyileştirilebilmesi için literatürde var olan tekniklerin birlikte kullanımına ek olarak yeni kodlama ve kod çözücü teknikleri de önerilmektedir. 5G teknolojisinde kullanımının ardından, kutupsal (polar) kodlara duyulan ilginin arttığı ve bu alanda yapılan çalışmaların hız kazandığı gözlemlenmektedir. Kutupsal kodlar, ilk olarak katlamalı kodların dış kod olduğu durumda iç kod olarak kullanılması amacıyla tasarlanmasına rağmen tek başına da oldukça iyi hata başarımına sahiptir. İlerleyen süreçte kutupsal kodların ikili ayrık belleksiz kanallarda kanal kapasitesini gerçekleyebileceğinin kuramsal olarak ispatlanmasıyla beraber kutupsal kodlar üzerine yapılan çalışmalar hız kazanmıştır. Kutupsal kodların çözülmesi için kanaat yayılımı (belief propagation, BP), ardışık giderme (successive cancellation, SC) ve listeli ardışık giderme (successive cancellation list, SCL) gibi farklı kod çözücü yapılarından faydalanılmaktadır. Benzer şekilde kutupsal kodların tasarımı için Bhattacharyya parametresi, Monte-Carlo, Gauss yaklaşıklığı (Gaussian approximation), yoğunluk evrimi (density evolution) gibi farklı kod tasarım teknikleri kullanılabilmektedir. Kutupsal kodlar, kanala özgü kodlar olarak tasarlandığı için kutupsal kod tasarımı hata başarımında önemli rol oynamaktadır. Bu tez çalışması kapsamında Monte-Carlo benzetim tabanlı kod tasarımı ve Bhattacharyya parametresi ile kutupsal kod tasarım yöntemleri gerçeklenmiştir. Farklı işaret gürültü oranları için kod tasarımları gerçeklenerek, işaret-gürültü oranı değişiminin kod tasarımına olan etkisi gözlemlenmiştir. Ayrıca literatürde yer alan kanaat yayılımı, ardışık giderme ve listeli ardışık giderme kod çözücü yapıları da detaylı biçimde incelenmiş olup bilgisayar benzetimleri yardımıyla literatürdeki hata başarımları elde edilerek kod çözücü algoritmalarının doğruluğu kanıtlanmıştır. Kanaat yayılımı kod çözücüsüne farklı erken sonlandırma teknikleri eklenerek, erken sonlandırma yöntemlerinin hata başarımı ve yineleme sayısına etkileri gözlemlenmiştir. Gerçeklenen diğer bir kod çözücü olan ardışık giderme kod çözücüsünün kodlayıcı yapısı göz önünde bulundurularak nasıl gerçeklenmesi gerektiği detaylı şekilde incelenmiştir. Ek olarak listeli ardışık giderme kod çözücü yapısı, kod çözme yolları ve örnek ağaç yapıları yardımıyla analiz edilmiştir. Listeli ardışık giderme kod çözücüye ait liste uzunluğunun artışına paralel olarak hata başarımının iyileştiği gözlemlenmiştir. Listeli ardışık giderme kod çözücü yapısı döngüsel artık denetimi (cyclic redundancy check, CRC) desteğiyle gerçeklenmiş ve CRC eklenmesinin hata başarımını iyileştirdiği gözlemlenmiştir. Ayrıca farklı CRC polinomlarının hata başarımı üzerindeki etkisi analiz edilmiş ve aynı dereceye sahip CRC polinomları kullanılması durumunda hata başarımında önemli bir değişikliğe neden olmadığı görülmüştür. Ardından kutupsal kodlarn bir uygulaması olarak uydu iletişiminde kutupsal kod tasarımı ve kullanımı ele alınmıştır. Gölgelemeli Rician kanal modeli yardımıyla farklı gölgeleme seviyeleri için uydu kanalları modellenmiş ve bu kanal modelleri için Monte-Carlo benzetim tabanlı kod tasarımı gerçeklenmiştir. Farklı gölgeleme seviyeleri için uydu kanallarında, uydu kanallarına özgü tasarlanan kodların toplamsal beyaz Gauss gürültülü kanal için tasarlanan kutupsal kodlardan daha iyi hata başarımı sergilediği görülmüştür. Uydu kanallarındaki hata başarımında, kod tasarımı için kullanılan gölgeleme seviyesinin etkisinin sınırlı olduğu görülmüştür. İletişim sisteminde doğrusal olmayan yüksek güçlü kuvvetlendirici kullanılmasının hata başarımına etkilerini incelemek için doğrusal olmayan yüksek güçlü kuvvetlendiricili sisteme özel kod tasarımları gerçeklenmiştir. Yapılan benzetimler sonucunda kutupsal kodların hata başarımlarının uydu kanallarında doğrusal olmayan kuvvetlendirici varlığından etkilenmediği görülmüştür. Kutupsal kodların doğrusal olmayan kuvvetlendiricilerin bozucu etkisine karşı dayanıklı olduğu çıkarımında bulunulmuştur.
Signal detection and parameter estimation of frequency hopping signals

(Graduate School, 2022-02-02) Kaplan, Batuhan ; Çırpan, Hakan Ali ; 504181341 ; Telecommunication Engineering

Unmanned aerial vehicles (UAVs) have become a prevalent part of the daily life with their applications to many fields such as mapping and surveying, transportation, surveillance, law enforcement, aerial imaging and agriculture. Besides the aforementioned use of UAVs in many areas, one should keep in mind that UAVs can also be used dangerously to create unwanted incidents especially when they are diverted to the sensitive airspace near airports and their presence may cause accidents which can result in fatal crashes. Moreover, UAVs can be utilized for collecting information about people, organizations, and companies without their consent. Therefore, identification and direction of arrival estimation of UAV systems/remote controllers and their communication are great importance, especially to prevent unwanted situations. In this context, it is known that most of the communication between the UAVs and wireless radio controller (RC) utilize the spread spectrum technology of frequency hopping spread spectrum (FHSS) on ISM band at 2.4 GHz. Therefore a method to detect, classify and estimate the direction of arrival of these kinds of signals in this band would lead to the identification of the communication between the UAV and the controller. Thus, this thesis attempts to address solutions for identifying and direction of arrival estimation of FHSS signals. In Chapter I, open issues and the state-of-the-art solutions to the open issues in FHSS signal detection, identification and direction of arrival estimation are given. Moreover, in Chapter II, mathematical preliminaries of FHSS signal characteristics are provided. In Chapter III, signal detection and parameter estimation are discussed by focusing on cyclostationarity signal and time-frequency analyses. First, a method based on cyclostationarity analysis is applied to distinguish the FHSS signals. Furthermore, short-time Fourier transform (STFT) based blind signal detection and clustering are employed to reconstruct the correct hops of the FHSS signal. Therefore, if there is an interference signal, outliers are removed from the parameters table according to the spectral localization of the signals. Furthermore, the literature utilizes the simulated data instead of over-the-air signals in general and these simulations assume that there is no time guards between hops. This assumption makes differentiation of frequency-hopping (FH) signals easier, however, many hopping signals use time guards and also these time guards are different for different signal sources. In Chapter IV, direction of arrival estimation for FHSS signals are studied by utilizing MUSIC algorithm which is a high-resolution subspace-based direction-finding algorithm. A variant of STFT is introduced to extract the parameters of detected FHSS signals. The correct hopping signals are then aggregated based on the clustered parameters to obtain their combined baseband equivalent signal. Furthermore, the resampling process is applied to reduce the unrelated samples in the spectrum and represent the spectrum with the reconstructed signal, which has a much lower bandwidth than the spread bandwidth. Finally, two different multiple signal classification algorithms are utilized to estimate the direction of the drone controller relative to the receiving system. In order to validate the overall performance of the proposed method, the introduced framework is implemented on hardware platforms and tested under real-world conditions. A uniform linear antenna array is utilized to capture over-the-air signals in hilly terrain suburban environments by considering both line-of-sight and non-line-of-sight cases. Direction estimation performance is presented in a comparative manner and relevant discussions are provided.
Benek gürültüsü gidermeye dayalı veri artırma ile derin ağlarda radar hedef sınıflandırma

(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2022-02-28) Ceylan, Şakir Hüdai Mert ; Erer, Işın ; 504171333 ; Telekomünikasyon Mühendisligi

Teknolojinin ilerlemesiyle birlikte donanım kapasitesinin her geçen gün artması, maliyetlerin düşmesi ve etiketlenmiş veri sayısının artışı, yapay zeka uygulamalarının yaygınlaşmasına zemin hazırlamıştır. Bugün birçok alanda yapay zeka uygulamaları yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu uygulamalar arasında en popüler alanlardan biri, bilgisayarlı görü sistemleridir. Askeri, ticari ve insansız ulaşım sistemleri gibi birçok alanda faydalanılan bilgisayarlı görü sistemleri içerisinde, özellikle askeri alanda otomatik hedef tanıma teknolojileri büyük önem arz etmektedir. Günün her saatinde ve her türlü hava koşulunda görüntü alabilme imkanı gibi avantajları sebebiyle uzaktan algılama uygulamalarında radar görüntüleme sistemleri, optik görüntüleme sistemlerine üstünlük kurmaktadır. Eskiden daha çok askeri alanda kullanım alanına sahip olan radar görüntüleme sistemleri artık günümüzde jeoloji, arkeoloji ve çevrenin korunması gibi çok farklı alanlarda da hedef tespiti ve sınıflandırma amacıyla kullanılmaktadır. Fakat, radar görüntülerinin doğası gereği var olan ve görüntünün kalitesini düşüren tanecikli girişim olan benek gürültüleri, hedef ve çevresinde görüntüyü bozarak hem insanlar tarafından görüntünün anlamlandırılmasını, hem de bilgisayarlı görü sistemlerindeki otomatik nesne tanıma sınıflandırıcılarının hedefi algılamasını zorlaştırmaktadır. Bu sebeple, YAR (Yapay Açıklıklı Radar) görüntülerinin otomatik nesne tanıma uygulamaları öncesinde iyileştirme sürecinden geçerek benek gürültülerinin ayrıştırılması, sınıflandırıcı performansı için önem arz etmektedir. Bundan dolayı, literatürde de YAR görüntülerinde benek gürültüsünü giderme ile ilgili birçok çalışma yer almaktadır. Bu tez çalışması kapsamında, YAR görüntülerindeki benek gürültülerinin Medyan, BM3D ve EAW filtreler kullanılarak giderilmesi ile derin öğrenme tabanlı radar otomatik nesne tanıma uygulamalarındaki sınıflandırma performansının artırılması, bu sayede çok daha derin ve karmaşık ağlarda elde edilen sınıflandırma başarılarının daha temel ve az karmaşıklığa sahip ağlarda elde edilebilmesi hedeflenmiştir. Ek olarak, klasik sentetik veri artırma tekniklerinden farklı olarak benek gürültüsü gidermeye dayalı veri artırma yaklaşımı önerilmiş, derin öğrenme tabanlı radar otomatik nesne sınıflandırma uygulamalarındaki sınıflandırma performansına etkisi incelenmiştir. Bu kapsamda, askeri hedeflere ait görüntüler içeren 10 sınıflı MSTAR veri seti kullanılmış, YAR görüntülerindeki benek gürültülerinin giderilmesi için bu görüntüler ayrı ayrı Medyan, BM3D ve EAW filtrelerden geçirilmiştir. Ardından elde edilen görüntüler ile farklı iki adet temel evrişimli sinir ağı eğitilmiş, aynı koşullar için benek gürültüsü giderme işleminin sınıflandırma başarısına etkisi gözlemlenmiştir. EAW filtre ile benek gürültüsünün giderilmesi, her iki ağda da derin öğrenme tabanlı otomatik radar hedef sınıflandırma başarısında artış sağlamıştır. Ek olarak, tez kapsamında önerilen benek gürültüsü gidermeye dayalı veri artırma yaklaşımının benimsenmesi ile her iki ağdaki sınıflandırma başarısı, benek gürültüsü giderme sonrasında elde edilen iyileşmenin de üzerine çıkmıştır.
Machine learning based design of gap waveguides

(Graduate School, 2022-06-02) Alkaşı, Uğur ; Çayören, Mehmet ; 504181336 ; Telecommunication Engineering

The development of wireless network technologies and the increasing demand for these technologies encourage engineers to design at higher frequencies. As industry 4.0, autonomous vehicles, space applications such as 5G and starlink require instantaneous high data transfer, there is a popularity towards gigabit and terabit transmission systems. The increasing demand for data transfer has caused the frequency spectrum currently used to be insufficient and a design and research trend towards higher frequencies has emerged. There are different design difficulties at high frequencies. Hardware costs of high frequency systems seem to be a big problem for companies. Low cost and low loss structures should be used for RF components in data transmission. Waveguide and microstrip lines cannot meet the requirements of these systems at high frequencies. According to the researchers, gap waveguide structures will meet these requirements. Gap waveguide-style artificial magnetic conductor structures are difficult to analyze and design, and maxwell solutions in EM Simulators take a lot of time. In general, maxwell solutions take a lot of time, regardless of EM structure. Therefore, researchers benefit from different fields of study such as machine learning for a quick solution. This study has been prepared for this purpose and presents a machine learning-based study for gap waveguide structures. In the first stage of the thesis, existing studies about gap waveguide structures are examined and the history of gap waveguide and its status in the literature are explained. Then, the effects of changes in pin radius, pin height, period and gap height parameters on Mod-1 and Mod-2 frequencies in the dispersion diagram of the unit cell that make up the gap waveguide were analyzed. In order to use the data set in Python Orange program, parametric sweep was made in the CST Studio Suite program. The resulting data has been adapted to the machine learning program. Machine learning algorithms were researched and trial studies were conducted on the Python Orange program. In the second stage of the thesis, firstly, in the Python Orange program, the information of the unit cell's pin radius, pin height, period and gap height parameters are set as the input of the system with this data set machine learning algorithms, Mode-1 and Mode-2 frequencies are taken as the output of the system. In other words, a regression study was conducted between the size parameters of the system and the information of the output parameters. Thus, the stop band frequencies of a unit cell that provides these dimensions of the algorithms in which random size information is entered have been found. In this study, predictions were made with Random Forest, Tree, Gradient Boosting, AdaBoost, kNN, Neural Network and SVM algorithms and regression studies. It was seen that Gradient Boost algorithm for Mode-1 frequency and AdaBoost algorithm for Mode-2 frequency gave the best results. Then, Mod-1 and Mod-2 frequency information was determined as the input of the system, and the pin radius, pin height, period and gap height parameters that make up the unit cell were configured as the output of the system. Thus, a regression study was carried out between the stopband frequency information (Mode-1 and Mode-2 frequencies), which is the input of the system, and the dimension parameters, which are the output. In this way, the size parameters of the unit cell that can best provide the Mode-1 and Mode-2 frequencies randomly entered into the system have been found. In this study, regression studies were performed with Random Forest, Tree, Gradient Boosting, AdaBoost, kNN, Neural Network, SVM, Stochastic Gradient Descent and Linear Regression algorithms. At the end of this study, Gradient Boost gave the best results for pin height and gap height, and Random Forest algorithm gave the best results for pin radius and pin period. In both studies, \%75 of the data set produced by parametric sweep was used to train the algorithms and the remaining \%25 was used to test the algorithms. Then, the algorithm optimization process was carried out by changing the learning rate, method and tree values of the algorithms. First, the kNN algorithm was started by changing the metric system, and then the optimization was made by changing the neighborhood numbers. The effects of these changes were observed by changing the number of trees, learning rate values and method in the Gradient Boosting algorithm. Optimization was made by changing the learning rate and tree values in the Adaboost algorithm, and the number of nodes and layers in the neural network algorithm. Regarding the validation of these studies, firstly, it started with working with dimension parameters as input and Mode-1 and Mode-2 frequencies as output. Then, gap height, pin radius, height and period parameters were obtained as the output of Mod-1 and Mod-2 frequencies as random inputs to the machine learning system. The results obtained in both studies were analyzed in CST Studio Suite and it was observed that the results obtained were similar to the results obtained from machine learning algorithms. In the last stage of Thesis, analysis was made with the full model in the CST Studio Suite program. The data obtained as a result of the analysis supports the study.
Derin öğrenme tabanlı görevlerin kenar bilişim yöntemiyle uzak sunucuya taşınması

(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2022-06-09) İlhan, Hüseyin Enes ; Çırpan, Hakan Ali ; 504191322 ; Telekomünikasyon Mühendisligi

İnsansız Hava Aracı (İHA) sistemleri uzaktan veya otonom olarak kontrol edilebildikleri için erişilmesi zor ve tehlikeli durumlarda öncelikli olarak tercih edilmektedir. Uçabilmeleri, fiziksel özellikleri ve kullanım kolaylıkları sebebiyle bu cihazlar çok farklı görevlerle donatılabilmektedir. İHA sistemlerinde kameranın kullanılması ve bu cihazların havadan görüntü ve video analizi yapmaları askeri, eğlence ve gözetleme gibi bir çok alanda bu sistemlere olan ilgiyi her geçen gün artırmaktadır. Bu cihazlar sürüş kontrol ünitesi, motor, batarya, tümleşik işlemci, kamera vb. gibi birçok alt parçacıktan oluşmaktadır. Bataryalar; sürüş sistemleri ve ek uygulamalar için donatılan ekipmanların güç ihtiyaçlarının karşılanmasından sorumludur. Ergonomik koşullar ve maliyet gibi kısıtlamalar sebebiyle bataryaların mümkün olduğunca daha küçük boyutlu olması ve ucuza mal edilmesi istenmektedir. Ancak, batarya maliyetleri depolayabildikleri enerji miktarıyla orantılıdır. Ayrıca, düşük kapasiteli bataryaların kullanılması İHA'ların kısa sürede tekrar şarj edilmesi ve görevlerinin yarıda kesilmesi gibi olumsuzluklara neden olmaktadır. Çünkü, görüntü işleme temelli çalışmalarda büyük boyuttaki verilerle çalışılmaktadır. Ek olarak bu çalışmalarda kullanılan algoritmaların ağır işlem gücü gerektiren derin öğrenme tabanlı sistemlere evrilmesi sebebiyle ihtiyaç duyulan işlemci gücü ve özellikleri artmaktadır. Görüntü işleme görevi ile donatılmış İHA sistemlerinde ihtiyaç duyulan bu işlemci gücü için sürüş sistemlerine ek olarak tümleşik işlemciler (CPU veya GPU) entegre edilmiştir. Bu durum cihaz bataryalarının daha kısa sürede bitmesine ve görevlerin yarıda kesilmesine neden olmaktadır. Telekomünikasyon teknolojilerindeki gelişmeler ile birlikte büyük miktarda verinin bir noktadan diğer bir noktaya hızlı bir şekilde taşınabilmesi mümkün olmuştur. Bu gelişmeler kenar bilişim (edge computing) ve nesnelerin interneti (Internet of Things, IoT) sistemlerinin yaygınlaşmasında büyük rol oynamaktadır. Kenar bilişim, bir istemcinin kendi üzerinde, kendi kaynaklarını kullanarak veri işlemesi yerine bu istemciye yakın yerleştirilmiş sunucular üzerinde veri işlenmesi prensibine dayanan teknoloji mimarisidir. Tez çalışmasında görüntü bölütleme görevi ile donatılmış İHA sistemlerinin kenar bilişim yöntemiyle verileri uzak sunucuya iletmesi durumu analiz edilmiştir. Farklı telekomünikasyon teknolojileri (4G ve 5G) kullanılarak bu analiz senaryosu oluşturulmuş ve kablosuz haberleşme kanalındaki bozucu etkiler ve gürültü sebebiyle alınan verilerin bozulduğu gözlenmiştir. Bu gürültülerin giderilmesi için kenar bilişim sistemine gürültü arındırma bloğu eklenmiş ve temel seviye gürültü arındırma algoritmalardan ileri seviye derin öğrenme tabanlı algoritmalara kadar birçok farklı gürültü arındırma yöntemi incelenmiştir. Önerilen gürültü arındırma bloğunun bu sisteme entegre edilmesi kenar sunucuda bulunan derin öğrenme tabanlı görüntü bölütleme algoritmasının performansını büyük ölçüde artırdığı belirlenmiştir.
Derin öğrenme tabanlı görüntü gürültü giderme için yoğun bağlantı kullanan yeni yaklaşımlar

(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2022-06-29) Acar, Vedat ; Ekşioğlu, Ender Mete ; 504191342 ; Telekomünikasyon Mühendisliği

Çeşitli kayıt cihazlarının doğasında olan fiziksel sınırlamalar nedeniyle görüntüler, görüntü edinimi sırasında bazı rastgele gürültülerin tezahürüne eğilimli hale gelir. Gürültü, temel bir sinyal bozulması olarak anlaşılabilir. Görüntü gözlem ve bilgi çıkarma sürecini engeller. Gürültü, görüntülerde kaliteyi zedeleyen ve istenmeyen bir süreçtir. Gürültü, görüntüden ayrılarak görüntü yorumlanabilirliği ve görüntüden bilgiyi elde etme işlemi kolaylaştırılmaktadır. Görüntü gürültü giderme problemi, uzun yıllardır süregelen görüntü işlemenin temel sorunlarından biridir. Gürültüsü giderilmiş görüntüyle çalışmak, görüntü işleme uygulamalarında sonraki adımlardaki işlemlerin daha yüksek başarımlı ve verimli olmasını sağlamaktadır. Gürültü, birçok farklı dağılıma sahip olabilen karmaşık bir süreçtir. Gürültünün modeli, kamera çipinde imge ayrıklaştırılıyorken bilinebilse gürültünün tamamen temizlenmesi mümkün olabilirdi. Görüntülerde gürültü genelde yüksek frekanslı kenar bölgeleri ve görüntünün doku ve ayrıntı içeren bölgelerinde ortaya çıkmaktadır. Görüntü gürültü giderme metotları, gürültüyü elimine ediyorken bazı ayrıntıları da istenmedik biçimde yok edebilmektedir. Bu durum görüntülerdeki kaliteyi düşürebilmektedir. İyi bir görüntü giderme algoritması gürültüyü giderirken imgenin doğasına ve ayrıntılarına mümkün olduğunca az zarar verendir. Günümüzde yeni nesil yüksek performanslı metotlar bu özelliğe çok özen göstermektedir. Yapılan çalışmalarda niteliksel sonuçların yanı sıra niceliksel olarakta görüntülerin zarara uğrayıp uğramadıkları görsel olarak paylaşılmaktadır. Bu bağlamda yapısal benzerlik indeksi literatürde oldukça fazla işlenmiş ve görüntülerdeki ayrıntıların onarımı bu indekse bakılarak ölçülmüştür. Görüntü gürültü giderme kötü pozlanmış ve tersine bir problemdir. Giriş sinyali genellikle yetersiz bilgiye sahipken, çıktının sonsuz sayıda çözümü vardır. Görüntülere rastgele olarak eklenmiş gürültü değerlerinin ayıklanması, gürültülü görüntülerden gürültü değerlerinin çıkarılması tersine işlemiyle mümkün olacaktır. İşlem esnasında görüntüdeki detayların korunulması gerektiği unutulmamalıdır. Gürültünün rastgeleliği ve çeşitliliği bu işlemin önündeki en büyük engeldir ve modeli bilinmeyen gerçek dünya gürültüleri problemi iyice zorlaştırmaktadır. Görüntülerde gürültü giderme işlemi, pek çok uygulama alanı bulmaktadır. Tıbbi görüntüleme, uzaktan algılama, askeri ve gözetleme, robotik ve yapay zeka gibi çeşitli uygulama alanlarında değerli bilgiler sağlayan çeşitli sayısal görüntüler mevcuttur. Bu görüntülerin kirlenmesi, görüntünün yorumlanabilirliğini geri dönülemez biçimde yok eder. Görüntü gürültü giderme işleminden genellikle ilk adım olarak görüntülerin daha temiz ve yorumlanabilirliği yüksek hale getirilmesinde yararlanılır. Burada yapılan işlemler gelecek adımları da etkileyeceği için görüntü gürültü gidermenin doğruluğu ve kalitesi büyük önem arz etmektedir. Görüntü gürültü giderme uzun yıllardır işlenen ve klasik bir yöntem olmasına karşın halen aktif olarak çalışılan bir problemdir. Problemin benzersiz çözümünün olmayışı ve farklı görüntü restorasyonu ve derin öğrenme problemlerinden direkt olarak etkileniyor oluşu bunu sağlamaktadır. Tez çalışmasında görüntü gürültü giderme problemi derinlemesine incelenmiş olup bu alanda yapılmış çalışmalar detaylıca gösterilmiştir. Klasik yöntemlerden günümüzde sıkça kullanılan ve işlenen derin öğrenme metotlarına kadar geniş bir perspektif göz önüne alınmıştır. Derin öğrenmeye dayalı görüntü gürültü giderme tarafında görüntü sınıflandırma ve görüntü bölütleme gibi farklı derin öğrenme alanlarında kullanılıp iyi sonuç gösteren derin öğrenme blok yapıları incelenip, çeşitli görüntü gürültü giderme ağları önerilmiştir. Uygulama kısmında, derin öğrenme yaklaşımlı yöntemler olan görüntü gürültü giderme ağı DnCNN, hızlı ve esnek görüntü gürültü giderici ağ FFDNet, kalıcı hafıza ağı MemNet, yoğun bağlı hiyerarşik görüntü giderme ağı DHDN, literatüre yeni kattığımız yenilikçi bir derin öğrenme yaklaşımı olan SADE Net ve yine kendi ürünümüz yoğun bağlı genişleme ağı DDR-Net gerçeklenmiştir. Sonuçları karşılaştırmalı olarak sergilenmiştir. Klasik yöntemlerden olan blok uyumlamalı 3-boyutlu filtreleme görüntü içindeki blokları kayan bir şekilde işler ve referans bloklara benzer blokları arayarak blok eşleştirme konseptini kullanır. Uyum kriterini gerçekleştiren bloklar üç boyutlu olarak gruplandırılır. Üç boyutlu dönüşüm tekniği bu blokları dönüşüm uzayına aktarır. Ardından dönüşüm bölgesi filtreleme işlemi sert eşikleme kullanılarak yapıldıktan sonra yeniden üç boyutlu ters dönüşüm bloklara uygulanır ve bloklar dönüşüm uzayından görüntü uzayına aktarılır. Wiener filtreleme işlemin ikinci adımını oluşturur bu adımdan sonra blokların uygun şekilde birleştirilmesi ile işlem tamamlanmış olur. Tez kapsamında karşılaştırılan tüm yöntemler yöntemler derin evrişimsel sinir ağlarını kullanır. Bu ağlar öznitelik çıkarımı yapar ve bu öznitelikleri kullanarak temiz görüntüyü oluşturmaya çalışır. Öznitelik çıkarımının kalitesi ve bu özniteliklerin ağın sonuna kadar kayıpsız taşınması işlemleri çok kritiktir. Bu ağlar öznitelikleri filtre çekirdekleri kullanarak çıkartır. Bir evrişimsel sinir ağında her bir çekirdek, imge üzerinden farklı öznitelikler çıkartır. Evrişim işlemi her ayrı filtre için gerçekleşir ve öznitelik haritaları oluşturulur. Bu haritalar her bir katmanda değiştirilerek gürültü her bir katmanda azaltılır. Evrişim işlemi giriş öznitelik haritası ya da imge ile filtre çekirdeklerinin çarpımı olarak algılanabilir. Burada çekirdeklerin boyutları büyük önem taşımaktadır. Literatürde en çok kullanılan çekirdek boyutu 3x3'tür. Filtreleme sonrası giriş imgesinin boyutunun azalmaması için imgenin köşelerine piksel ekleme işlemi sıklıkla yapılır. Bu sayede imgenin katmanlar boyunca küçülmesinin ve piksel kaybı yaşanmasının önüne geçilir. Bu işlem genellikle sıfır değerli piksellerin eklenmesiyle gerçekleşir. Aynı piksel değerlerinin kopyalanması ya da ortalama piksel değerlerinin eklenmesi gibi çeşitli yollar da mevcuttur. Bu noktada filtre kaydırma katsayısı da boyutun değişimini etkilemektedir. Çekirdek, imge üzerinde birer piksel kayarak tarama yaparsa ve yeterli piksel ekleme sağlanırsa katmanın çıkışında boyut değişimi olmaz fakat 3x3 ya da daha büyük bir çekirdek kullanılıp piksel ekleme yapılmamışsa ya da çekirdeğin imge üzerinde kayması bir pikselden fazla ise katman çıkışında küçülme gözlenir. Çekirdeğin öznitelik haritası üzerinde birden fazla atlamayla kaymasına adımlı evrişim denir ve oto kodlayıcı tipi bazı yapılar alt örneklem esnasında bu işlemi kullanır. Açılmış filtre yöntemi ise çekirdeğin arasına sıfırlar eklenmesi ve böylece filtrenin imge üzerinde daha geniş bir alanı taraması işlemi olarak düşünülebilir. Ağ boyunca uygulanan bu evrişimsel işlemlerin yanı sıra derin öğrenmeden uyarlanan ve bu derin ağlar içerisinde kullanılınca iyi sonuçlar alınmış yığın normalizasyonu, artık öğrenme, doğrusal olmayan aktivasyon fonksiyonları gibi teknikler olmazsa olmazdır. Yığın normalizasyonu eğitim işleminin ivmelenmesini sağlarken, aktivasyon fonksiyonları ise ağın belli değerler aralığında kısıtlanmasını ve doğrusal olmamasını sağlar. Artık öğrenme tekniği direkt olarak temiz görüntü yerine gürültünün öğrenilmesi yöntemidir. Temiz görüntü girişteki gürültülü görüntüden ağın çıkışında elde edilmiş gürültünün çıkarılmasıyla sağlanır. Bu yöntemin aşırı büyük ağların eğitiminde doğruluğu arttırdığı gözlemlenmiştir. Ağların eğitiminde çeşitli veri setlerinden yararlanılır. Bu veri setlerinden elde edilen görüntülerden yama çıkarılır ve bu yamalar ağa beslenir. Kayıp fonksiyonu bu temiz yama ile ağın çıkışındaki yamaları girdi olarak alıp bir kayıp değeri hesaplar. Bu değer, optimize edici tarafından ağa yayılır ve çekirdeklerin yeni değerleri hesaplanır. İstenilen noktada ağın eğitimi kesilebilir. Epok değeri verisetinin ağ üzerinde kaç kez bir tam tur attığını gösterir. Veri setinin büyük olması ağın daha farklı imgeleri tanıyıp daha geniş bir kümeyi öğrenmesini sağlar. Fakat eğitim süresini de uzatabilmektedir. Çeşitli varyanslardaki gürültülü görüntülerle eğitilmiş ağ, sonrasında test veri setine tabi tutularak ağın gürültüyü ne kadar temizlediği ve görüntüyü ne kadar onardığı saptanmaktadır. Bu sonuçlardan hareketle, derin öğrenme tabanlı yaklaşımların klasik yöntemlere göre daha iyi sonuçlar sergilediği gözlenmiştir.
Derin öğrenme ile süper çözünürlüklü radar görüntüleme

(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2022-11-04) Erim, İrem Fadime ; Erer, Işın ; 504191323 ; Telekomünikasyon Mühendisliği

Radarlar (Radio Detection and Ranging), genellikle doğal afetler, hava trafik kontrolü, hedef arama, bulma ve takip etme gibi alanlarda kullanılan bir gözlem aracıdır. Radar görüntüleme sistemleri, günün her saatinde ve her türlü hava koşulunda görüntüleyebilme gibi avantajları nedeniyle uzaktan algılama uygulamalarında optik görüntüleme sistemlerinden üstündür. Radar anteninden yayınlanan elektromanyetik sinyal darbelerinin yansıyan tepkileri işlenerek, birçok uzaktan algılama uygulaması için önemli olan hedef nesneye ilişkin mesafe, açı ve hız gibi bilgiler elde edilebilmektedir. Bu tezde de ele alındığı gibi radarlarda en önemli uygulamalardan biri görüntülemedir. Görüntüleme radarlarının en önemli faktörü ise çözünürlüktür. En önemli faktör olmasının yanı sıra başarılması zor bir eylemdir çünkü yüksek çözünürlüklü radar görüntüsünün başarılması yüksek bant çözünürlüklüğü ve açısal genişliğe bağlıdır. Yüksek bant genişliği kademeli frekans veya doğrusal frekans kullanılarak başarılabilse de açısal genişlik antenin boyunun büyük olması ile alakalıdır. Bu durum gerçek hayatta mümkün olamadığı için yapay açıklıklı radarlar devreye girer. Sonuç olarak yüksek çözünürlük, gerçekten anten boyutunu büyütmektense radarın hareketli olmasından yararlanılarak yapay açıklık elde edilmesiyle yapılır. Yapay açıklıklı radar sistemlerinde, radar antenini belirli bir yönde sabit bir hızda hareket ettirerek, genellikle radar antenini bir uçağa entegre ederek yapay bir açıklık oluşturulur. Bu hareket sırasında antenden hedef alana veya nesneye doğru elektromanyetik sinyaller gönderilir ve aynı anda geri saçılan sinyaller toplanır. Yapay açıklıklı radar sayesinde antene gelen sinyallerle görüntü oluşturulur. Hedef hareketli ve radar sabitse ters yapay açıklıklı radar, radar hareketli hedef sabitse yapay açıklıklı radardır. Radarlarda tek bir bakış açısı ile gönderilen işaretten 1 B radar görüntüleri, farklı bakış açılarından toplanan işaretlerin gönderilmesiyle de 2 B radar görüntüleri oluşturulur. Radar görüntüsü oluşturabilmek için menzil ve çapraz menzil profillerine ihtiyaç vardır. Menzil profili oluşturmak için Fourier dönüşümünden yararlanılır. Fourier tabanlı yöntemde sınırlı bant ve açı aralığında çalışıldığı için spektral sızıntı ile karşılanır bu da yan lob problemine sebep olur. Yan lob problemi pencereleme teknikleri ile çözülmeye çalışılsa da bunu yaparken çözünürlük daha da azalır. Bu sorunları çözmek için farklı yöntemler geliştirilmiştir. Fourier dönüşümü yanında spektral kestirim yöntemleri ile de yüksek çözünürlüklü radar görüntüsü elde etmek mümkündür. Bunlara örnek olarak MUSIC VE AR modelleri verilebilir. Bu iki yöntem benzer olsa da yapılan çalışmalar sonucu MUSIC spektral kestirim yönteminin kompleks hedefleri görüntüleme de daha başarılı olduğu bulunmuştur. Başka bir TYAR görüntüleme tekniği ise sıkıştırılmış algılama tabanlı yöntemlerdir. Sıkıştırılmış algılama yöntemi ile daha az veri kullanılır. Ancak, normal Fourier dönüşümü tabanlı yöntemlere göre daha yavaştır. Ayrıca hedefin seyrek temsil edebileceği varsayımına dayanır. Bu sorunlar sebebiyle evrişimli sinir ağ metodları daha başarılı bulunmuştur. Son zamanlarda gelişen derin öğrenme metotları ile yüksek çözünürlüklü görüntüler elde edebilmekte de büyük rol oynar. Bu evrişimli sinir ağları, çok sayıda yüksek çözünürlüklü görüntü kullanarak ağ eğitip bu verileri kullanarak süper çözünürlük işlemini gerçekleştirir. Fakat radar görüntüleme ile çok sayıda görüntü elde etmek çok zor ve maliyetlidir. Bu sebeple bu sorunu çözmek için eğitim gerektirmeyen yeni bir derin ağ literatüre tanıtılmıştır. Önerilen Deep image prior ağında eğitim yapmak yerine ağın içindeki evrişimli sinir ağlarından yararlanılarak bu ağın girişine verilen gürültüyü prior bilgi olarak kullandığı düşük çözünürlüklü görüntü ile referans olarak verilen yüksek çözünürlüklü görüntüye yakınsamaya çalışır. Diğer ağlarda ağ eğitmek için veriler üretilirken veri setini büyütmek için verilere gürültü ekleme, döndürme, çevirme vb. veri çoğaltma fonksiyonları uygulanmıştır. Bu uygulanan görüntüler toplanıp bazı metrikler dahilinde karşılaştırılmıştır. Görsel karşılaştırılmaların yanı sıra elde edilen sonuçlar literatürde radar görüntüleme için kullanılan kabul görmüş bazı metrikler kullanılarak karşılaştırılmıştır. Bu metrikler psnr, entropi, ssim'dir. Sonuç olarak, düşük çözünürlüklü görüntüleri iyileştirip yüksek çözünürlüklü radar görüntüleri elde etmek için 5 farklı derin öğrenme modeli sunulmuştur. Bu ağlar PFA sonuçlarını iyileştirmek için kullanılmıştır. Eğitim gerektiren ağlarda çok sayıda veri ve uzun süreli eğitim yapılmadığı için PFA'yı geçememiş fakat DIP ile eğitime ihtiyaç duymadan radar görüntülerinin iyileştirilmesi başarılmıştır. Derin öğrenmede iyi sonuç almak için çok büyük verisetlerine ihtiyaç olmadığı, eldeki veriyi ve sinir ağlarını kullanarak çok daha yüksek çözünürlüklü görüntüler elde edilebileceği görülmüştür.
Altı port tekniği ile vektör reflektometre tasarımı

(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2022-12-20) Dinçtürk, Mehmet ; Çayören, Mehmet ; 504201328 ; Telekomünikasyon Mühendisliği

Radyo frekans (RF) sistemler savunma sanayi, iletişim şirketleri, güvenlik şirketleri gibi birçok sektörde etkin olarak kullanılmaktadır. Bu sistemlerin yaygınlığı ve önemi yıllar içinde artarak devam etmiştir. Çok önemli olan bu sistemleri test etmek için kullanılan cihazların maliyetleri de ciddi rakamlara ulaşabilmektedir. RF ölçüm metodolojisi birkaç alt kategoriye ayrılabilir. En çok kullanılan ölçüm yöntemi vektör analizi yöntemidir. Bu ölçüm yöntemini yapan cihazlara da vektör devre analizörü (VNA) denmektedir. VNA ile devrelerin s parametreleri ölçülmektedir. Bu cihazlar oldukça kompleks bir mimariye sahiptir. VNA yerine tüm saçılma (s) parametrelerini ölçemese de yansıma katsayısı gibi en önemli parametreyi (s11 parametresi) ölçen reflektometre mimarisi kullanılabilir. Reflektometrenin çalışma prensibi kısaca şu şekilde anlatılabilir. Giriş portundan alınan RF gücün küçük bir kısmı güç bölücüler ve yönlü kuplörler kullanılarak sisteme bağlanan güç dedektörlerine iletilir ve dedektörler yardımı ile sisteme giren güç ölçülür. Sinyalin büyük kısmı ise test altındaki cihaza (DUT) (bu cihazın bağlandığı porta DUT portu da denir) iletilir. DUT'tan yansıyan güç tekrar güç bölücüler ve yönlü kuplörler aracalığıyla güç dedektörlerine iletilerek DUT'tan sisteme geri dönen güç ölçülür. Bu geri dönen gücün sisteme giren güce oranı yapılarak yansıma katsayısı hesaplanır. Literatürde bu ölçüm prensibini sağlayan birçok farklı reflektometre mimarisi bulunmaktadır. Bu mimariler birbirinden farklı yönlerden ayrılmaktadır. Bazı refloktemetre mimarilerinde ölçüm hata payı oldukça düşük olurken gerçeklemesi zor olur, bazı mimarilerde ise gerçeklemesi kolay olurken ölçüm hata payları yüksek olur. Bu mimarilerin gerçeklenmesinde genellikle baskılı devre kartı teknolojisi tercih edilir ancak dalga kılavuzları veya MMIC tasarım şeklinde yapılan reflektometre tasarımları da literatürde mevcuttur. Reflektometre tasarımındaki bir diğer önemli konu çıkış port sayısıdır. Yansıma katsayısının genliğini bulmak için giriş ve DUT portları dışında iki adet çıkış portu yeterliyken, faz bilgisi de öğrenilmek isteniyorsa en az üç çıkış portu olmalıdır. Literatürde farklı port sayılarında reflektometre tasarımları vardır. Çıkış portu sayısı arttıkça ölçüm keskinliğinin artması sağlanmıştır. Ancak port sayısı ne kadar artarsa sistem karmaşıklığı da o kadar artacak ve gerçeklenmesi de zor olacaktır. Sistemdeki portlarla ilgili bir diğer önemli parametre de portlarda uyumlaştırma konusudur. Portlarda uyumlaştırma yapılmazsa dedektörlere gelen güçte yansımalar olacağı için ölçüm hata payı artacaktır. Bu parametre de tasarımı zorlaştıran bir diğer değişkendir. Reflektometre tasarımında mimari kadar önemli bir diğer konu ise tasarlanan sistemin kalibrasyonudur. Literatürde farklı kalibrasyon yöntemleri bulunmaktadır ve kullanılan kalibrasyon metoduna göre oldukça farklı sonuçlar elde edilebilmektedir. Bu kalibrasyon yöntemleri lineer kalibrasyon ve lineer olmayan kalibrasyon yöntemleri şeklinde iki alt başlığa ayrılabilir. Altı portlu bir reflektometre mimarisi düşünülürse lineer olmayan kalibrasyon metoduyla kalibrasyon yapmak için gerekli standart sayısı üçe kadar indirilebilirken matematiksel model oldukça karmaşık hale gelmektedir. Lineer kalibrasyon yöntemiyle kalibrasyon yapmak istenilirse en az beş adet standart kullanılmalıdır. Bu tezde altı portlu mimari kullanılarak reflektometre tasarımı yapılmıştır. Altı portlu bu sistem tasarlanırken son yıllarda ortaya çıkan güç dedektörleri eşleştirmeden aksine güç dedektörlerinin yansımalarını kullanarak mimari tasarlanmıştır. Bu mimari klasik mimarilerin aksine girişten alınan RF gücün büyük kısmını DUT'a iletmek yerine tüm gücü, güç bölücüleri ve kuplörlerin yardımı ile RF güç dedektörlerine iletir. Güç dedektörlerinde uyumlaştırma yapılmaz ve bu sayede gelen sinyalin büyük kısmı yansır ve yansıyan bu sinyal ölçüm portuna gider. Ölçüm portundan yansıyan sinyal ise tekrar güç dedektörlerine gelir ve yansıyan sinyal ölçülür. Bu şekilde tasarımın yapılabilmesine izin veren ana etken gelişmiş güç dedektörlerinin dinamik aralığının yüksek olmasıdır. Yüksek dinamik aralığı sayesinde -50 dB değerlerine kadar doğru güç okumaları yapılabilmektedir. Güç okumaları yapıldıktan sonra kalibrasyon kısmına geçilmiştir. Kalibrasyon kısmında iki adet yöntem denenmiştir. Bunlardan biri simülasyon olarak gösterilmiş, diğerinin ise gerçeklenmesi yapılmıştır. İlk metoda göre dört portun uygun üç tanesi seçilmiş ve bu portların giriş portuna göre saçılma parametreleri ölçülmüştür. Portların bir tanesi referans alınarak ölçülen bu saçılma parametreleri ile kullanılan kalibrasyon standartlarına göre çemberler oluşturulmuştur. Portlardaki güç ölçümleri ile de çemberlerin yarıçapları bulunmuştur. Yarıçapları hesaplarken de çemberler oluşturulurken referans olarak kullanılan port gene referans olarak kullanılmıştır. Daha sonra bu çemberlerin uygun kesişimleri alınmış ve bağlanan yükün yansıma katsayısını ölçmek için kullanılacak kalibrasyon sistemi ortaya çıkarılmıştır. Farklı yükler için yansıma katsayısı ölçümleri yapılmış ve ilk kalibrasyon kısmının sonunda tablo olarak verilmiştir. İkinci kalibrasyon metodunda dört portun tamamı kullanılarak kalibrasyon yapılmaya çalışılmıştır. Beş standartlı kalibrasyon metoduna göre kalibrasyon sadece güç okumalarına dayanmaktadır. Öncelikle kalibrasyon için gerekli matrisin parametreleri bulunmuştur. Daha sonra bu matrisin parametreleri ve güç ölçümleri kullanılarak yansıma katsayısı hesaplanmaya çalışılmıştır. Sonuçlar tablo olarak ilgili bölümün sonunda verilmiştir. Bu çalışmadan anlaşılacağı üzere yansıma katsayısını ölçmek için yüksek maliyetli olan VNA'lar yerine reflektometre sistemleri çeşitli uygulamalar için rahatlıkla kullanılabilir. VNA'lara göre avantajları hafif ve daha rahat taşınır olması olarak söylenebilir. Dezavantajları ise VNA'lar kadar geniş bant ölçüm yapmakta kullanılamazlar. Sistemin sadece yansıma katsayısı ölçümünü yapabilirler. Ayrıca kullanılan mimari ile reflektometre sistemlerinde güç dedektörü eşitlemesi yapılmadan da yansıma katsayısının oldukça düşük bir hata payıyla hesaplanabildiği gösterilmiştir. Ancak bunun için doğru kalibrasyon yöntemini seçmek ve doğru güç dedektörlerini seçmek hayati önem taşımaktadır.
5G uygulamaları için dairesel polarizasyonlu ve metayüzeyli mikroşerit MIMO anten tasarımı

(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2023) Koçer, Mustafa ; Günel, Murat Tayfun ; 782952 ; Telekomünikasyon Mühendisliği Bilim Dalı

Bu tez çalışmasında, 6 GHz altı 5G frekans spektrumuna yönelik n78 bandı olarak adlandırılan 3.3-3.8 GHz frekans aralığında 4x4 çok girişli çok çıkışlı bir anten tasarımı hedeflenmiştir. Öncelikle çok girişli, çok çıkışlı anten tasarımında kullanılacak olan mikroşerit anten tasarımı gerçekleştirilmiştir. Mikroşerit antenin dairesel polarizasyonda çalışması için kare yama tercih edilmiştir. Tercih edilen kare yamanın köşelerinde sol el dairesel polarizasyona yönelik kesik daire ve kesik üçgen kullanılmıştır. Yapılan tasarımlara göre köşelerinden kesik daire kullanılarak yapılan mikroşerit anten tasarımı kesik üçgen kullanılarak yapılan tasarıma göre daha iyi sonuç vermiştir. Sol el dairesel polarizasyona yönelik köşelerinde kesik daire oluşturularak tasarlanan mikroşerit antenin performansını artırmak için üzerine hava boşluğu olmadan 4x4 metayüzey yerleştirilmiştir. Böylece metayüzeyin oluşturduğu yüzey dalgalarının kesim frekanslarında mikroşerit anten rezonansa girmiştir. Mikroşerit antenin istenilen yansıma katsayısı ve eksenel oranı aşağı frekansta (3.4 GHz) iken metayüzeyin yüzey dalgaları yukarı frekanslardadır (3.9-4 GHz). Bu sayede anten geniş bantta çalışmaktadır. Kullanılan metayüzey sayesinde FR-4 alttaş malzemesi ile tasarlanan bu antenin verimliliği, kazancı artmıştır ve geniş bantta dairesel polarizasyonda çalışması sağlanmıştır. Ayrıca mikroşerit yama antenin ortasında çapraz yarık oluşturularak metayüzeyli mikroşerit anten daha düşük yansıma katsayısına sahip olmuştur. Metayüzeyli mikroşerit antenin tasarımında kullanılan alttaş malzemesinin kalınlıkları ve kullanılan alttaş malzemesinin performansa etkileri incelenmiştir. Ayrıca tasarımda kullanılan 4x4 metayüzeyin köşelerinden kesik daire şekli oluşturularak antenin dairesel polarizasyon bant genişliği artırılmış ve daha geniş bantta yüksek kazanç elde edilmesi sağlanmıştır. TLC-32 alttaş malzemesi kullanılarak tasarlanan metayüzeyli mikroşerit anten ile 6 GHz altı 5G uygulamalarına yönelik 3.3-3.8 GHz' te dört kapılı (iki kapı sağ el dairesel, iki kapı sol el dairesel polarizasyon) olacak şekilde MIMO anten tasarımı gerçekleştirilmiştir. Tasarlanan MIMO antenin 1. ve 3. kapıları sol el dairesel polarizasyona yönelik iken 2. ve 4. kapıları sağ el dairesel polarizasyona yöneliktir ve her kapı kendi aralarında 90° döndürülerek tasarlanmıştır. MIMO antenin izolasyonunu artırmak için MIMO antenin ortasında alttaşa entegreli dalga kılavuzu yapısı kullanılmıştır. Buna ek olarak mikroşerit anten katmanına ve metayüzey katmanına parazitik elemanlar eklenmiştir. Böylece tasarımı gerçekleştirilen MIMO anten yüksek izolasyonlu ve kapılarının hepsi yüksek kazançlı olacak şekilde dairesel polarizasyonda çalışmaktadır.
The performance evaluation of ai based resource allocation algorithms for donwlink NOMA systems

(Graduate School, 2023) Karakuş Kurt, Eda ; Çırpan, Hakan Ali ; 815283 ; Telecommunications Engineering Programme

From first generation of mobile networks to 5G, different multiple access techniques such as Frequency Division Multiple Access(FDMA), Time Division Multiple Access(TDMA), Code Division Multiple Access(CDMA), and Orthogonal Frequency Division Multiple Access are used. Except from CDMA, all these techniques uses same frequency/time slot for serving a single user. In contrast, CDMA makes it possible for several users to be served by a single frequency/time slot by using various distinctive, user-specific spreading sequences. For 5G and later, these traditional methods does not satisfy the needs for the new system requirements. With the increase of mass communication and IoT technologies, different requirements such as low latency, high throughput and wide range have emerged. Various techniques such as Multiple-Input Multiple-Output(MIMO) and Non-orthogonal multiple access (NOMA) have proposed to meet these requirements. In MIMO, data is transmitted simultaneously as various signals over a single channel using different antennas. On the receiver side, these signals are recombined with the help of the MIMO module tuned with the same number of antennas. In NOMA, the users are multiplexed in the power or code domain by using the same time slot and the same frequency band. NOMA provides efficient resource allocation and bandwidth utilization. There are three important services in 5G and beyond wireless mobile networks: enhanced mobile broadband (eMBB), ultra reliable low latency communication (URLLC), and massive machine type communication (mMTC). Each service has its own challenging requirement such as the URLLC service needs reliable data transfer with the end-to-end delay of less than 1 ms while the mMTC service requires supporting a huge amount of devices simultaneously connected to the network. NOMA is one of important technologies to provide the spectral efficient utilization of limited bandwidth resources for 5G and beyond networks. As the number of IoT devices increase significantly, NOMA becomes more important to support the mMTC service by allowing multiple users share the same frequency resource simultaneously, where different power levels are assigned for the users within the same frequency resource. In this thesis, we develop three different artificial intelligence (AI) based resource and power allocation algorithms, namely Hill Climbing (HC), Simulated Annealing (SA), and Genetic Algorithm, for downlink NOMA systems. In the proposed approach, one of the AI algorithms is used to determine the NOMA user groups along with the frequency resource block for each group. Then, the optimum power allocation is performed to maximize the geometric mean of the user throughputs. The simulation experiments are performed to compare and contrast the performance of these three AI algorithms. The numerical results demonstrate that the GA provides the best results while the HC performs the worst.
Doğrusal anten dizileri için ölçeklenebilir örtüşen alt-dizi mimarisi ile x-bant hüzme yönlendirme sistemi

(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2023) Özer, Yasin ; Paker, Selçuk ; Telekomünikasyon Mühendisliği Bilim Dalı

Modern haberleşme sistemlerinde birden çok kullanıcıya yönelik iletişimin etkili bir biçimde gerçekleştirilmesi; elektronik harp ve radar gibi sistemlerde gelişmiş tehditlere karşı çoklu hedeflerin tespit edilmesi, anlık takibi ve görüntülenmesi amacıyla günümüzde faz dizili sistemler tercih edilmektedir. Bu sistemler elektromanyetik dalgaları istenilen formda şekillendirmek için dizi anten yapıları ve hüzme yönlendirme yapıları içermektedir. Bu yapılar ile oluşturulmak istenen hüzmenin kazancı uzayda istenen yönlerde arttırılıp azaltılabilmekte, hüzme genişliği ayarlanabilmekte ve aynı anda birden çok hüzme oluşturulabilmektedir. Dizi anten yapılarında anten kazancını arttırmak için efektif anten açıklığının arttırılması gerekmektedir ve eleman sayısını arttırmak bu açıklığın artmasını sağlar. Eleman sayısı arttıkça anten arkalarında bulunan hüzme yönlendirme yapıları daha karmaşık hale gelir, bir bütün olarak tasarlanmaları ve üretilmeleri zorlaşır. Bu nedenle dizi anten yapısının alt dizilere bölünerek incelenmesi, tasarım ve üretim aşamalarını kolaylaştırabilmektedir. Bu nedenle dizi anten içerisinde fiziksel olarak yakın konumlanmış elemanlar hüzme oluşumu için dizideki diğer elemanlara göre daha yakın faz ve genlik değerine ihtiyaç duyması nedeniyle bir alt dizi altında gruplanabilir. Antenlerin ihtiyaç duyduğu genlik ve faz değerleri, alt dizi içerisinde kullanılacak yükselteç ve faz kaydırıcıların kontrolü ile sağlanabilir, böylece alt dizi içerisinde analog hüzme yönlendirme tekniği kullanılmış olur. Her bir alt dizinin çıktıları örneklenmek üzere analog-dijital dönüştürücülere (ADC) aktarıldığında alt dizi seviyesinde sayısal hüzme yönlendirme yapılmış olur ve böylece eleman seviyesinde analog, alt dizi seviyesinde sayısal hüzme yönlendirme tekniği kullanılarak hibrit hüzme yönlendirme tekniği oluşturulabilir. Bu tez çalışmasının ilk bölümünde; hüzme yönlendirme yapıları incelenmiş ve fazlı dizi sistemlerde kullanılan hüzme yönlendirme yapıları karşılaştırılmıştır. İkinci bölümde, dizi anten tasarımı aşamalar halinde incelenmiş ve tasarımdan yola çıkılarak üretilen 1×12 dizi anten yapısının benzetim ve ölçüm sonuçları karşılaştırılmıştır. Üçüncü bölümde, dizi anten yapılarının besleme devreleri incelenmiştir. Dizi yapısının alt diziler altında gruplanması ile anten arkasındaki hüzme yönlendirme yapılarının daha efektif kullanılmasını, tasarlanmasını, üretilmesini sağlayacak özel bir mimari olan örtüşen alt dizi mimarisine sahip almaç sistemi tasarımı yapılmıştır. Bu mimariyi içeren alt dizi kartının baskı devre kartı tasarımı yapılmış ve bu tasarımdan yola çıkarak üretilen baskı devre kartlarının benzetim ve ölçüm sonuçları karşılaştırılmıştır. Sonraki bölümlerde ise sırasıyla çalışma kapsamında karşılaşılan zorluklar, sonuçlar, öneriler ve gelecek planları irdelenmiştir. Sistem tasarımını gerçeklemek için anten dizisi ve örtüşen alt dizi mimarisi içeren alt dizi kartları tasarlanmış, üretilmiş, test edilmiş ve benzetim sonuçları ile kıyaslanmıştır. Çalışmalar kapsamında X-bant frekans aralığında bulunan 8000MHz–9250MHz frekanslarında çalışabilen, 1250MHz bant genişliğine sahip, 16dBi kazançlı, merkeze göre ±50°'ye kadar uzaysal yönlenme yapabilen 1×12 elemanlı doğrusal bir anten dizisi tasarlanmıştır. Anten dizisi ile uyumlu çalışabilmesi için aynı frekans bandında çalışan hüzme yönlendirme kartları tasarlanmıştır. Hüzme yönlendirme kartları, dizi yapısına istenilen faz ve genlikte sinyal aktarabilecek şekilde, alt dizi tekniği kullanılarak tasarlanmıştır. Alt dizi mimarisinin özel bir tekniği olan örtüşen alt dizi mimarisi kullanılması sayesinde, alt dizi içerisindeki anten elemanları, kendisine komşu olan diğer alt diziler tarafından da kullanılmaktadır. Bu sayede bir anten elemanı, birden fazla alt diziye hizmet etmekte ve aynı anda birden fazla hüzmenin oluşmasına katkı sağlamaktadır. Gerçeklenen sistem ile 26dB kazançlı, 3 dB gürültü figürüne sahip 3 adet hüzme yönlendirebilen alıcı ön kat devresi aynı anten elemanları üzerinde örtüşecek şekilde tasarlanmıştır. Anten elemanlarının eş genlik & faz ile beslenmesi durumunda 1×12 elemanlı dizi anten yapısı ölçümlerinde 16dBi kazanç elde edilmiş ve toplamda 42dB kazançlı 3 adet alıcı ön kat devresi içeren hüzme yönlendirme sistemi ölçümlerle doğrulanmıştır. Buna ek olarak alıcı ön kat devrelerinin çıkışlarının birleştirilmesiyle kazanç değeri 45dB seviyesine çıkartılabildiği ve ışıma diyagramınını örnekleyecek ADC ihtiyacının azaltılabildiği ölçümlerle doğrulanmıştır.
Frekans ve zaman-frekans uzaylarında music algoritması ile geliş açısı kestirimi

(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2023) Tuncar, Oğuz ; Pınar Kent, Sedef ; 810684 ; Telekomünikasyon Mühendisliği Bilim Dalı

Dizi anten ile dizi sinyal işleme, radar, sonar, tıp, deprem, uydu ve haberleşme sistemi gibi geniş uygulama alanlarına ve bu nedenle sinyal işlemede önemli bir role sahiptir. Dizi sinyali işleme, dizi anteni tarafından alınan sinyalleri işlemeyi, faydalı sinyalleri kuvvetlendirmeyi, paraziti ve gürültüyü sınırlamayı ve faydalı sinyal parametrelerini elde etmeyi amaçlar. Geleneksel tek elemanlı sensörle karşılaştırıldığında, sensör dizisi, yüksek sinyal kazancı ve güçlü girişim yeteneği ile ışını esnek bir şekilde kontrol edebilir. Bu nedenle, dizi sinyal işleme teorisi son yıllarda çok popüler bir konu haline gelmiştir. Geliş açısı (AoA) tahmini, dizi sinyal işleme alanının bir parçası olarak da araştırılır, bu nedenle bu alandaki birçok çalışma, sinyal kaynaklarının yerini belirlemeyi vurgular. Dizi anten kullanılarak çok kanallı bir alıcı ile elde edilen geliş açısı tahmini, radar, sonar ve haberleşme gibi birçok alanda navigasyon, konumlandırma ve askeri istihbarat uygulamalarında kullanılmaktadır. Bu tezin ana fikri, sinyal tespiti ve geliş açısı kestirimi görevlerini yerine getirebilen entegre bir algoritma sunmaktır. Bu çalışmada hem sinyal tespiti hem de geliş açısı tahmini için ayrı ayrı yapılan çalışmalardan yola çıkılarak uygun yöntemler birleştirilerek kullanılacak senaryolara uyarlanacaktır. Hem haberleşme sistemlerinde çoğunlukla kullanılan durağan sinyaller hem de ağırlıklı olarak radar, elektronik harpte kullanılan darbeli sinyaller, cıvıltı sinyalleri ve frekans atlamalı sinyaller gibi durağan olmayan sinyal türleri için sinyal algılama ve geliş açısı kestirimi fonksiyonlarının gerçekleştirilmesi amaçlanmaktadır. Akıllı anten sistemlerinde sinyal işleme, geliş açısı tahmini ve uyarlanabilir huzme oluşturma için verimli algoritmaların geliştirilmesine odaklanır. Ancak, geliş açısını tahmin ederken tek bir anten kullanırken birçok sınırlama vardır. Tek anten sistemleri iyi bir çözünürlüğe sahip değildir ve antenin ana lobuna düşen birden fazla sinyal varsa bunları ayırt etmek çok zordur. Tek bir anten yerine yenilikçi sinyal işleme özelliğine sahip bir dizi anten sistemi kullanmak, geliş açısı tahmininin çözünürlüğünü artırır. Sinyal tespiti ve parametre tahmininde, bir dizi sensör tek bir sensörden daha iyi performans gösterir. Birden fazla sinyal kaynağının geliş açısını tahmin etmek için en popüler ve yaygın olarak kullanılan alt uzay tabanlı tekniklerden biri çoklu sinyal sınıflandırma (MUSIC) algoritmasıdır. Bu tez çalışmasında da, yüksek çözünürlüğü ve iyi doğruluğu nedeniyle varış açısı tahmin yöntemi olarak MUSIC algoritması tercih edilmiştir. Sinyal işleme teknikleri, zaman uzayı, frekans uzayı veya zaman-frekans uzayı tabanlı algoritmalar olarak 3 sınıfa ayrılabilir. Bu tezin ana odağı frekans uzayı ve zaman-frekans uzayı tabanlı yöntemler olduğundan, zaman uzayında uygulanan klasik MUSIC algoritmasına kısaca değinilmiş, sinyal modeli ve klasik MUSIC algoritmasının formülasyonları verilmiştir. Bölüm 2'de açıklanan klasik MUSIC algoritması ve sinyal modeli, sonraki bölümler için temel oluşturacak ve bazı farklılıklarla farklı alanlarda uygulanacaktır. Gerçek hayat senaryoları göz önüne alındığında, frekans spektrumundaki sinyallerin algılanabilmesi için uyarlanabilir bir şekilde eşik seviyesinin belirlenmesi gerekmektedir. Darbeli sinyaller ve cıvıltı sinyalleri de tespit edilmek istendiğinden, darbeli sinyaller ve cıvıltı sinyallerinin tespiti için sıklıkla kullanılan sinyal algılama algoritması olarak frekans alanında sabit yanlış alarm oranı (CFAR) yönteminin kullanılması uygun olacaktır. Geleneksel CFAR yöntemi ile sinyal tespitinde, radar yankıları zaman uzayında işlenir. Bu çalışmada frekans uzayında CFAR yöntemi uygulanmış ve iyi sonuçlar alınmıştır. Ayrıca CFAR yöntemi, DFT'nin sağladığı sinyal gürültü oranı (SNR) kazancı nedeniyle frekans alanında iyi bir uyarlanabilirliğe sahiptir ve bu yöntem kullanılarak -31 dB SNR düzeyinde tek taşıyıcı sinyal için %99,5 algılama olasılığı elde edilmiştir. Frekans-MUSIC yönteminde, zaman alanındaki tüm örnekleri kullanan klasik MUSIC algoritmasından farklı olarak, tüm frekans spektrumu yerine sadece sinyallerin bulunduğu DFT noktaları kullanılır. Sinyalin bant genişliğine bağlı olarak, bu sinyal bir DFT noktası veya daha fazlası tarafından temsil edilebilir. Sinyalin birden fazla DFT noktası ile ifade edildiği bir geniş bant sinyali söz konusu olduğunda, bu noktaların tümü kullanılarak bir hesaplama yapılır. Klasik MUSIC yöntemindeki kovaryans işlemine benzer şekilde, sinyalin bulunduğu DFT noktaları ile bir vektör oluşturulur ve kovaryans matrisi yerine hermit eşlenik ile çarpılan bu vektör kullanılır. Elde edilen matrisin gürültü ile ilişkisi, kovaryans matrisinin gürültü ile ilişkisine benzer. Bu şekilde, DFT noktaları kullanılarak varış açısı tahmini yapılabilir. Frekans-MUSIC yöntemi ile elde edilen sonuçlar şu şekilde sıralanabilir: - Özellikle SNR seviyesinin 0'dan küçük olduğu, düşük SNR seviyelerinde, frekans-MUSIC yönteminin hatası klasik MUSIC yöntemine göre oldukça düşüktür. - Frekans MUSIC ile sensör sayısından daha fazla sinyalin geliş açısı tahmin edilebilir ve bu işlem klasik MUSIC ile alternatif olarak geliştirilebilecek yöntemlere göre (sinyalleri filtrelemek gibi) yaklaşık 50 ila 100 kat daha az zaman alır (sinyal sayısına ve diğer parametrelere bağlı olarak). - Filtreleme ile birbirinden ayrılamayan, frekans alanında girişimde bulunan sinyallerin geliş açısı klasik yöntemle tahmin edilemezken, frekans-MUSIC ile bu sorun ortadan kaldırılabilmektedir. Geleneksel sinyal işleme yaklaşımları, sinyallerin durağan olduğunu varsayar, ancak bu genellikle pratikte karşılanmaz. Bu nedenle, yalnızca zaman veya frekans alanlarındaki analizler, bu tür sinyaller hakkında kapsamlı bilgi sağlamak için tek başına yetersiz kalmaktadır. Durağan olmayan sinyaller için zaman-frekans analizi daha uygundur. Uzaysal ve zaman-frekans analizinin birleştirilmesi, uzaysal zaman-frekans dağılımları (STFD) adı verilen bir çerçeve içinde gerçekleştirilir. Bu nedenle, yüksek çözünürlüklü varış açısı tahmini gerçekleştirmeden önce hem sinyal gürültü oranlarını hem de kaynak ayrımlarını iyileştirmek için sinyalin yerel davranışını ve gücün yerelleştirilmesini kullanır. STFD tabanlı yöntemler, aynı frekans bandını ve/veya aynı zaman dilimini işgal eden ancak farklı zaman-frekans imzalarına sahip sinyalleri işleyebilir ve kovaryans matrisini kullanan yalnızca zamana dayalı yaklaşımlardan daha iyi sinyal seçiciliği sunar. Beyaz gürültünün gücü tüm zaman-frekans düzlemini kapsarken, durağan olmayan darbeli sinyallerin veya doğrusal frekans modülasyonu (LFM) benzeri cıvıltı sinyallerinin gücü genellikle çok daha küçük zaman-frekans alanlarıyla sınırlıdır. STFD tabanlı yöntemler, kaynak sinyal gücünü zaman-frekans düzleminde lokalize ederken, gürültü gücünü yayarak etkin SNR'yi arttırır ve gürültüye karşı sağlamlık sağlar. Zaman-frekans dağılımına dayalı geliş açısı tahmininin avantajları, ancak STFD matrislerinde uygun zaman-frekans noktaları seçildiğinde ortaya çıkar. Bu nedenle sinyallerin anlık frekans (IF) ve anlık bant genişliği (IB) bilgilerine sahip olmak, diğer bir deyişle sinyallerin zaman-frekans imzalarını doğru olarak belirlemek çok önemlidir. Zaman-frekans nokta seçiminde artan hata, zaman-frekans alanındaki efektif SNR'nin azalmasına neden olur ve geliş açısı tahmin performansını düşürür. Wigner dağılımı gibi ikinci dereceden dağılımlar, uzaysal zaman frekans dağılımlarını hesaplamak için birçok çalışmada kullanılmıştır. Bu tezde, kolay uygulanabilmesi ve sinyallerin zaman-frekans içeriğini çapraz terimler olmadan temsil edebilmesi nedeniyle kısa zamanlı Fourier dönüşümü (STFT) tercih edilmiştir. Frekans CFAR yöntemi, geliş açısı tahmininde kullanılacak uygun noktaları içeren zaman-frekans imzalarını belirlemek için kullanılır. Güç cinsinden zaman-frekans dağılımını ifade eden spektrogram matrisi, CFAR eşik seviyesi ile ikilileştirilir ve tuz ve biber gürültüsünü azaltmak için bir düzeltme işlemi uygulanır. Daha sonra ikili matrisin satır ve sütunları taranarak sinyallere ait varış zamanı (ToA), ayrılış zamanı (ToD), darbe genişliği (PW), merkez frekansı, bant genişliği gibi önemli parametreler tahmin edilir. Bu sayede sinyallerin zaman-frekans imzaları da tespit edilmiş olur. Zaman-frekans MUSIC yönteminde, sinyalin varlığının tespit edildiği zaman-frekans noktaları yardımıyla kovaryans matrisine benzer bir yapı oluşturulmakta ve bu yapı sayesinde varış açısı tahmin edilebilmektedir. Geliş açısı tahmin sonuçlarına bakıldığında durağan sürekli dalga sinyali için zaman-frekans MUSIC yönteminin performansının klasik MUSIC yöntemine göre daha iyi, frekans-MUSIC yöntemine göre biraz daha kötü olduğu görülmektedir. Ayrıca kullanılan pencere uzunluğu arttıkça sonuçlar frekans-MUSIC sonuçlarına yaklaşmaktadır. Bu nedenle zaman ve frekans çözünürlüklerini etkileyen pencere uzunlukları uygulamaya uygun olarak seçilmelidir. Ancak durağan olmayan, gözlem süresinin küçük bir bölümünde var olan sinyaller için zaman-frekans MUSIC yönteminin performansı diğer iki yönteme göre daha iyi sonuçlar vermektedir. Geliş açısı tahmininin yanı sıra hem geliş açısı tahmini hem de tespit edilen sinyallerin diğer parametreleri sayesinde aynı kaynağa ait sinyalleri gruplandırma imkanı sağlamaktadır.
A compact two stage GaN power amplifier design for sub-6GHz 5G base stations

(Graduate School, 2023) Türk, Burak Berk ; Savcı, Hüseyin Şerif ; Şimşek, Serkan ; 809122 ; Telecommunication Engineering Programme

Both commercial and military systems use wireless communication networks. The range of applications is wide, including radar, mobile communications, Wi-Fi, SATCOM and many more. They all have different requirements and different solutions to meet their needs. The development of mobile communications began with 1G in the 1970s, and new generations have found their place in the radio communications market. In 2019, 5G New Radio has started to be expanded worldwide with higher data rate, wider frequency bands, lower latency features. Moreover, there are more frequency bands are available for 5G New Radio. These are called sub-6GHz and mmWave. As the name suggests, the sub-6 GHz frequency bands are below the 6 GHz frequency bands, including the bands of the previous generation. On the other hand, mmWave frequency bands are above 24 GHz. With the goal of low latency, engineers are developing new solutions for the next generation of base stations. One solution is to deploy smaller base stations more frequently than traditional macro base stations. These small cell base stations are called Micro, Pico, Femtocells. As the size of base stations has decreased, the transmitters and receivers of the cells require new technological developments. As the transmitters contain power amplifiers, they are known to dissipate significant amounts of DC power and require appropriate thermal protection. Also, with the increasing demand for small cells, the size of the transmitters must also be considered, along with the nuisance of heat. One of the most important component of the transmitters is power amplifiers. They are the last element of the transmitter before the antenna and amplify the RF power using DC power. In this work, the power amplifier is studied. The size of the power amplifiers play important role for the 5G New Radio small base station cells. Also, due to the size of power amplifiers being small, the power density and thermal conductivity managements are examined. GaN transistors gained popularity over GaAs and Si semiconductor technologies since their thermal conductivity is better and their power density is higher. They are also capable of amplifying higher power levels and have broader bandwidths. For these reasons a compact GaN HEMT power amplifier module is designed to meet the requirements of 5G small cell base stations. For thermal reasons, the efficiency of the power amplifier is crucial. The traditional power amplifiers are divided into classes that is determined by their bias points. These are Class A, Class B, Class C and Class AB. Class A is theoretically the least efficient and Class C is the most efficient. Also, the linearity is important factor in telecommunications because of complex modulation systems. Class A is the most linear and Class C is the least linear of all classes. As a result of this compromise, our power amplifier module operates in Class AB, which balances efficiency and linearity. In this work, a compact two-stage power amplifier module is designed with high gain, high linearity and high efficiency. 2 bare die GaN HEMT transistors are used with 0201 packaged lumped components for matching circuits on a laminate PCB. The PA module measures 10x6 mm. Given these dimensions, the alternative design option is MMIC technology, but the cost of a GaN-based wafer is significantly higher than our solution. A large signal model of the transistor is used and simulated with the EM co-simulation. The simulations are resulted as the output power level of 5W with 0.1 dB gain compression at the center frequency 3.5 GHz. The stability of the PA module is secured with series resistors. The designed power amplifier module is manufactured and implemented with the die transistors and components by using die bonder and wire bonder machines. Small signal and large signal measurement setups are prepared and the device is tested. Due to the mesh settings the designed power amplifiers matching circuits are shifted. 18.5 dB gain is measured with 30% PAE at the output power level of 2W. The simulations are repeated with accurate EM simulations and the results are matched.
A doherty power amplifier for 5G applications

(Graduate School, 2023) Konanç, Hasan ; Savcı, Hüseyin Şerif ; Akıncı, Mehmet Nuri ; 900834 ; Telecommunication Engineering Programme

The ever-increasing need for high data rates and low latency steered modern communication systems toward massive MiMo architectures. In this architecture, each antenna element requires its amplifier unit. Smaller cell sizes and more user service have forced a significant increase in antenna elements, so the Power Amplifier units. Each amplifier is a substantial contributor to the power consumption budget. Therefore, efficiency is a primary concern in Power Amplifiers of cellular infrastructure systems. This study focuses on an architectural solution for Power Amplifier efficiency by demonstrating a Doherty PA (DPA) design in a widely used 5G sub-6GHz band of n78. This thesis focuses on the efficient RF output power generation of 5G base stations from an architectural perspective. A Doherty Power Amplifier is designed using for n78 5G band that is prioritized for the upcoming deployment. The design is optimized for an operation between the 3.6 - 3.8 GHz frequency band. The output power of 43 dBm (20 W) was obtained by using two of the 10W GaN HEMT transistors and a drain efficiency of 73% was obtained. The Doherty region starts at 38 dBm output power which allows an efficient operation with 6 dB power back off. A drain efficiency of up to 53% was obtained in the Doherty region and a gain of 10 dB is obtained over the entire band. The requirement of unconditional stability at all frequencies under small and large signal conditions demands a thorough analysis at different phases of design. For multi – stage stability analysis, the Ohtomo approach was also utilized in this study, for its convenience of being based on S – parameters and not requiring access to the transistor's internal components. Nyquist method is used in Ohtomo approach. Nyquist method was applied for frequencies between 10 MHz and 10 GHz. As a result, the proposed DPA is stable because there is no loop gain surrounding the 1+ j∗0 point. The prototype of the proposed DPA was fabricated and real-time small and large signal tests were performed. During the tests, it was found that the prototype DPA did not work only in the desired frequency range of 3.6 - 3.8 GHz during the design period, and after the tuning process, Doherty drain efficiency characteristics were obtained in the frequency range of 3.2 - 4 GHz (n77 5G band). Accordingly, The output power of 41.6 dBm (approximately 15 W) was obtained by using two of the 10W GaN HEMT transistors and a drain efficiency of 67% was obtained. The Doherty region starts at 32 - 38.2 dBm output power, allowing an efficient operation with 0.5 - 7.8 dB power back off. A drain efficiency of up to 67 % was obtained in the Doherty region, and a gain of 3.5 - 7.9 dB was obtained over the entire band.

Gözat

Çıkarma tarihi ile LEE- Telekomünikasyon Mühendisliği-Yüksek Lisans'a göz atma

Sayfa başına sonuç

Sıralama Seçenekleri