LEE- Telekomünikasyon Mühendisliği Lisansüstü Programı
Bu topluluk için Kalıcı Uri
Gözat
Çıkarma tarihi ile LEE- Telekomünikasyon Mühendisliği Lisansüstü Programı'a göz atma
Sayfa başına sonuç
Sıralama Seçenekleri
-
ÖgeMicrowave imaging of breast cancer with contrast agents(Fen Bilimleri Enstitüsü, 2020) Yıldırım, Sema ; Çayören, Mehmet ; 648935 ; Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim DalıThe prevalence of breast cancer is seen in both sexes worldwide, however, it is the second type of cancer, which is diagnosed especially in women and results with a fatal outcome among cancer types. Breast cancer like other types of cancer manifests itself by changing breast cells for various reasons, firstly spreading to the surrounding cells and then to the tissues in the body. The spread of other cells under the influence of changing breast cells causes malignant tumors to appear. Hence, it is great of importance to control or stop the spread of from breast cells to other cells in the body. For this purpose, early-stage diagnosis studies for breast cancer have been a working area in which researchers showed great interest. In other words, early diagnosis techniques play a key role in determining the course of the disease. In this point, mammography technologies containing ionizing x-ray radiation are most frequently used for the early-stage breast cancer detection. The usage of x-ray radiation can damage to the body tissues. These technologies, which contain x-rays that can ionize tissues, bring along various limitations during measurement due to the prevalence of the disease especially in elderly people. The disadvantages of mammography techniques exhibit the need for new and alternative imaging methods. In recent years, many researchers have worked on breast imaging systems to handle the particular disadvantages of mammography technologies. In this context, the non-ionizing microwave imaging (MWI) method, reducing the risk of patient health, is seen as a more reliable and alternative imaging technology for the early-stage breast cancer detection. The breast imaging with MWI methods is based on the reconstruction of the dielectric permittivity profile of cancerous and healthy breast tissues. After completed the breast reconstruction, the cancerous tissues are diagnosed due to illustrate a higher dielectric permittivity profile than other healthy tissues in the breast. The purpose of these methods is to diagnose and display any cases other than normal that occur in the body. The most important feature of MWI methods is to carry a low-level risk of harm to the patient because of using non-ionizing electromagnetic waves. In addition to this, it can be used in ambulances and many other emergency points for early diagnosis. Notwithstanding all these advantages, the clinical acceptance of MWI methods for breast cancer has not been realized yet. Hence, MWI methods need to improve with new approaches to receive clinical acceptance. The process of imaging or reconstructing the electromagnetic properties of tissues is based on the inverse scattering theory, and there are several quantitative and qualitative imaging methods developed in this area. Benefit from these methods, the positions, shapes, and electromagnetic properties of diseased tissues in the body are obtained in two or three dimensions. The qualitative imaging methods generally give information about the positions and shapes of diseased tissues. The scattered fields from tumors are higher than other normal tissues allows the qualitative imaging methods to be easily applied. While the quantitative imaging methods provide information about the geometric shapes and positions of tumors, as well as numerical information about the dielectric properties. The most widely used the quantitative imaging methods available in the literature are contrast source inversion (CSI) and Newton-based methods. Within the scope of this thesis, all studies have been realized mainly on the solution methods of the inverse scattering problems. In other words, the alternative methods based on enhanced contrast agents are recommended for scatterer objects with different relative dielectric permittivity and magnetic permeability constants, especially for the microwave imaging methods used in breast cancer. The main purpose of these studies is to eliminate the resolution limitation of microwave imaging methods by using dielectric and magnetic contrast agents and to enable the proposed method to be used more efficiently for the diagnose of early-stage breast cancer. All studies can be categorized under three main headings: i) the reconstruction of dielectric permittivity profile based on quasi-Newton method ii) the enhanced-dielectric contrast agents based on the quasi-Newton method for microwave imaging, ii) the enhanced-magnetic contrast agents based on factorization method for microwave imaging. are higher than other normal tissues allows the qualitative imaging methods to be easily applied. While the quantitative imaging methods provide information about the geometric shapes and positions of tumors, as well as numerical information about the dielectric properties. The most widely used the quantitative imaging methods available in the literature are contrast source inversion (CSI) and Newton-based methods. Within the scope of this thesis, all studies have been realized mainly on the solution methods of the inverse scattering problems. In other words, the alternative methods based on enhanced contrast agents are recommended for scatterer objects with different relative dielectric permittivity and magnetic permeability constants, especially for the microwave imaging methods used in breast cancer. The main purpose of these studies is to eliminate the resolution limitation of microwave imaging methods by using dielectric and magnetic contrast agents and to enable the proposed method to be used more efficiently for the diagnose of early-stage breast cancer. All studies can be categorized under three main headings: i) the reconstruction of dielectric permittivity profile based on quasi-Newton method ii) the enhanced-dielectric contrast agents based on the quasi-Newton method for microwave imaging, ii) the enhanced-magnetic contrast agents based on factorization method for microwave imaging. In the second part of the thesis, all studies on the use of dielectric contrast agents for breast cancer have been conducted. Unlike the first part here, the QN-CSI method by using the dielectric contrast agents is explored in more different and realistic cases. Firstly, a canonical breast model is designed using the HFSS electromagnetic 3-D simulation program. The designed breast model consists of structures had different dielectric permittivity and conductivity values, which are lined up from the outermost muscle, skin, glandular breast tissue, and tumor respectively. Firstly, the breast model is simulated to generate the forward scattering solution for two different cases, which are the presence and absence of dielectric contrast agents. After that, the scattered fields from the breast model are collected from different illumination angles and the field difference is calculated by using these two simulation results. The proposed QN-CSI method realizes the inverse scattering solution with this difference dataset and in this manner, the tumorous tissues placed in the breast model are imaged. Within the scope of this section, the image acquisition skill of the proposed method for different status parameters is examined. In this context, all simulations are operated at f = 2GHz, and two spherical tumors with radius of 1cm are located at (x1, y1,z1) = (3cm,4cm,−2cm) and (x2, y2,z2) = (3cm,4cm,2cm). The dielectric permittivity and conductivity constants of the placed tumors are selected as εr = 43 and σ = 1S/m. Later, the values of these dielectric constants are increased up to 37% under the assumption of using contrast agents at the second simulation. After completed these two simulations, the difference dataset is calculated and the tumors are imaged by the QN-CSI method. The fact notwithstanding that this image is not an anatomical breast model, it contains the expected tumorous tissues. At the end of this section, several simulations according to different status parameters are performed by changing the number of plane waves, the radiuses of tumors, and the conductivities of tumors In this chapter, all numerical results are given by comparison with the CSI method. In the third and last part of the thesis, the magnetic contrast agents are carried out instead of the dielectric contrast agents. Similar to the second part, but here, the changing of magnetic permeability constant (µr) depended on the frequency and the effect of an externally applied magnetic field are taken into account. Namely, magnetic nanoparticles(MNPs) are employed for the magnetic contrast enhancement. The different types of MNPs such as superparamagnetic iron oxide nanoparticles (SPIONs), which are most often preferred, are used to detect abnormality in several medical imaging methods. Since the biocompatible SPIONs are functionalized by the effect of the polarized magnetic field externally applied from the outside. While normal tissue cells do not react to the external magnetic fields, the magnetic nanoparticles nonlinearly behave depending on the value of the applied magnetic field. As a result of this, the changing of magnetic contrast is displayed. In this thesis, UWCEM numerical breast phantom repository, which includes several realistic experimental breast models, is used as a database to investigate the enhanced magnetic contrast agents. The phantom repository consists of numerical breast phantoms produced from anatomically realistic magnetic resonance imaging (MRI) for breast cancer detection and treatment applications. Here, the third phantom in ACR class 3, which contains heterogeneously dense fibroglandular breast phantom is selected and embedded into a 3D electromagnetic simulation program adding two tumors with a diameter of 0.5cm located into the model. The relative dielectric permittivity εr = 4 is chosen for the background medium. In the following step, the simulations are performed for two different cases over the 1.91GHz − 2.04GHz frequency band with N = 18 dipole antennas. After both simulations are completed for the given frequency range, the difference between the multi-static response matrices included reflection coefficients are calculated and the inverse problem solution is realized. In this part of the thesis, the factorization method is chosen to reconstruct the breast model. Eventually, the locations and shapes of the tumors are easily determined by the factorization method based on SPIONs contrast agents.
-
ÖgeAnalytical models and cross-layer delay optimization for resource allocation of noma downlink systems( 2020) Gemici, Ömer Faruk ; Çırpan, Hakan Ali ; Hökelek, İbrahim ; 648904 ; Telekomünikasyon Mühendisliği Bilim Dalı5G is introduced by 3rd Generation Partnership Project (3GPP) to satisfy the stringent delay and reliability requirements of 5G services such as industrial automation, augmented and virtual reality, and intelligent transportation. Non-orthogonal multiple access (NOMA) is one of the promising technologies for low latency services of 5G, where the system capacity can be increased by allowing simultaneous transmission of multiple users at the same radio resource. The resource allocation in NOMA systems including user scheduling and power allocation determine the mapping of users to radio resource blocks and the transmission power levels of users at each resource block, respectively. In this thesis, we first propose a genetic algorithm (GA) based multi-user radio resource allocation scheme for NOMA downlink systems. In our set-up, GA is used to determine the user groups to simultaneously transmit their signals at the same time and frequency resource while the optimal transmission power level is assigned to each user to maximize the geometric mean of user throughputs. The simulation results show that the GA based approach is a powerful heuristic to quickly converge to the target solution which balances the trade-off between total system throughput and fairness among users. The most of the resource allocation studies for NOMA systems including our GA based approach assumes full buffer traffic model where the incoming traffic of each user is infinite while the traffic in real life scenarios is generally non-full buffer. As the second contribution, we propose User Demand Based Proportional Fairness (UDB-PF) and Proportional User Satisfaction Fairness (PUSF) algorithms for resource allocation in NOMA downlink systems when traffic demands of the users are rate limited and time-varying. UDB-PF extends the PF based scheduling by allocating optimum power levels towards satisfying the traffic demand constraints of user pair in each resource block. The objective of PUSF is to maximize the network-wide user satisfaction by allocating sufficient frequency and power resources according to traffic demands of the users. In both cases, user groups are selected first to simultaneously transmit their signals at the same frequency resource while the optimal transmission power level is assigned to each user to optimize the underlying objective function. In addition, the GA is employed for user group selection to reduce the computational complexity. When the user traffic rate requirements change rapidly over time, UDB-PF yields better sum-rate (throughput) while PUSF provides better network-wide user satisfaction results compared to the PF based user scheduling. We also observed that the GA based user group selection significantly reduced the computational load while achieving the comparable results of the exhaustive search. The low latency objectives of URLLC services such as industrial control and automation, augmented and virtual reality, tactile Internet and intelligent transportation requires delay analysis which cannot be possible using the rate limited traffic demands. The packet based traffic model with random inter-arrival times and packet sizes have to be utilized. New analytical models using packet based traffic model with random inter-arrival times and packet sizes are of paramount importance to develop high performance resource allocation strategies satisfying the challenging latency requirements of 5G services. As the third contribution, we propose an analytical model to characterize the average queuing delay for NOMA downlink systems by utilizing a discrete time M/G/1 queuing model under a Rayleigh fading channel. The packet arrival process is assumed to be Poisson distributed while the departure process depends on network settings and resource allocation. The average queuing delay results of the analytical model are validated through Monte Carlo simulation experiments. One of the main results is that the ergodic capacity region of NOMA is a superset of OMA indicating that the NOMA can support higher service rate and lower latency using the same resources such as transmission power and bandwidth. Furthermore, the proposed analytical model is applied for the performance evaluation of the 5G NR concept when the NOMA is utilized. The model accurately predicts that the average queuing delay decreases when wider bandwidth and shorter time slot duration are employed in 5G NR. The outage probability becomes an important metric that should be minimized to address the reliability aspect of the URLLC services. We utilize the common outage condition such that the user fails either decoding its own signal or performing SIC for the signals of other users at the receiver when the SINR is lower than a predefined outage threshold. As the fourth contribution, the optimum power allocation for a single resource block that minimizes the system outage probability under Rayleigh fading channel, where a common signal to interference plus noise ratio (SINR) level is utilized as an outage condition, is provided as a closed form expression. The accuracy of the proposed optimum power allocation model is validated by the Monte Carlo simulations. The numerical results show that the outage probability of OMA with the fractional power allocation is lower than NOMA with the optimum power allocation. The results indicate that the trade-off between the outage and spectral efficiency in NOMA should be carefully controlled to meet higher throughput and lower latency objectives of 5G. The last contribution considers the reliability and latency aspects jointly such that the discrete time M/G/1 queuing model of a NOMA downlink system is extended by taking the outage condition into account. The departure process of the queuing model is characterized by obtaining the first and second moment statistics of the service time that depends on the resource allocation strategy and the packet size distribution. The proposed model is utilized to obtain the optimum power allocation that minimizes the maximum of the average queuing delay (MAQD) for a two-user network scenario. The Monte Carlo simulation experiments are performed to numerically validate the model by providing MAQD results for both NOMA and orthogonal multiple access (OMA) schemes. The results demonstrate that the NOMA achieves lower latency for low SINR outage thresholds while its performance is degraded faster than OMA as the SINR outage threshold increases such that OMA outperforms NOMA beyond a certain threshold. Another important result is that the latency performance of NOMA is significantly degraded when the 5G NR frame types having wider bandwidth are utilized. The results provide powerful insights for 5G ultra-reliable low-latency communication (URLLC) services.
-
ÖgeSimultaneous transmission based communication techniques(Graduate School, 2020-07-17) Altun, Ufuk ; Kurt Karabulut, Güneş ; Özdemir, Enver ; 0504171355 ; Telecommunications EngineeringAny 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.
-
ÖgeHierarchical 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 EngineeringTerahertz (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
-
ÖgeMetamalzeme tabanlı sensörler ve bu sensörlerin mikrodalga algılamada kullanılması(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2022-01-14) Sili, Güliz ; Yapar Akleman, Funda ; 504181344 ; Telekomünikasyon Mühendisliği ; Telecommunication EngineeringMetamalzemeler 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.
-
ÖgeGenetic algorithm based ARINC-664 worst case delay optimization using network calculus(Graduate School, 2022-01-17) Akpolat, Eyüp Can ; Çırpan, Hakan Ali ; 504181313 ; Telecommunication EngineeringThe 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.
-
ÖgeKutupsal kodlar ve uydu iletişimindeki başarımı(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2022-02-02) Aydoğan, Oğuzhan ; Altunbaş, İbrahim ; Pusane, Ali Emre ; 504181327 ; Telekomünikasyon Mühendisli˘giGünden 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.
-
ÖgeSignal detection and parameter estimation of frequency hopping signals(Graduate School, 2022-02-02) Kaplan, Batuhan ; Çırpan, Hakan Ali ; 504181341 ; Telecommunication EngineeringUnmanned 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.
-
ÖgeBenek 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 MühendisligiTeknolojinin 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.
-
ÖgeMachine learning based design of gap waveguides(Graduate School, 2022-06-02) Alkaşı, Uğur ; Çayören, Mehmet ; 504181336 ; Telecommunication EngineeringThe 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.
-
ÖgeDerin öğrenme tabanlı görevlerin kenar bilişim yöntemiyle uzak sunucuya taşınması(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2022-06-09) İlhan, Hüseyin Enes ; Çırpan, Hakan Ali ; 504191322 ; Telekomünikasyon Mühendisligiİnsansız 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.
-
ÖgeDerin öğrenme tabanlı görüntü gürültü giderme için yoğun bağlantı kullanan yeni yaklaşımlar(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2022-06-29) Acar, Vedat ; Ekşioğlu, Ender Mete ; 504191342 ; Telekomünikasyon MühendisliğiÇeşitli 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.
-
ÖgePhysical layer security performance of satellite networks(Graduate School, 2022-07-06) Yahia, Ben Olfa ; Kurt Karabulut, Zeynep ; Erdoğan, Eylem ; 504162314 ; Telecommunications EngineeringA vision of a three-layer Vertical Heterogeneous Network (VHetNet) is being discussed in the state-of-the-art Sixth Generation (6G) network design. This concept is in line with the 3rd Generation Partnership Project (3GPP)'s non-terrestrial network (NTN) activities. A satellite (space) network, an aerial network, and a terrestrial network represent the three levels. The space layer includes geostationary Earth orbit (GEO) satellites and non-GEO satellites including low Earth orbit (LEO) and medium Earth orbit (MEO) satellites. This layer will provide orbit or space Internet services in applications including space travel as well as wireless coverage for unserved and underserved areas not served by terrestrial networks by densely deploying LEO, MEO, and GEO constellations. By intensively utilizing flying base stations (BS), including unmanned aerial vehicles (UAV), and floating BSs, such as high altitude platform systems (HAPS), the aerial layer would enable a more flexible and better quality of service for critical events or in inaccessible areas. For most human activities, the terrestrial layer will continue to be the primary method for delivering wireless coverage. Satellite communication (SatCom) systems are typically radio frequency (RF)-based, with multiple frequency bands employed for different applications. However, RF channels suffer from spectrum congestion, license issues, interference with other frequency bands, and security threats. To address these issues, free-space optical (FSO) communication has lately been recommended for use in SatCom links because of its capacity to provide exceptionally large bandwidth, unlicensed spectrum, better security, low interference, ease of deployment, and other features over its RF counterpart. Nevertheless, similar to RF channels, FSO communication presents several drawbacks related to atmospheric effects, including atmospheric turbulence, scattering, and attenuation. Furthermore, FSO communication suffers from beam wander, beam divergence, and pointing issues. Different techniques have been proposed in the current literature to reduce these effects and enhance the overall performance including the incorporation of the RF link with the FSO to benefit from their complementary characteristics. This combination includes two possible architectures: mixed RF-FSO and hybrid RF/FSO communications. In mixed RF-FSO communication, a dual-hop network is considered, in which an RF channel is employed at one hop and an FSO channel is used at the other. For hybrid RF/FSO communication, RF and FSO channels are used in parallel. These combinations may reap all the advantages of both RF and FSO communications while minimizing weather-related issues. On the one hand, hybrid RF/FSO communication has received much attention in the recent literature. On the other hand, for satellite networks, there is a substantial gap in hybrid RF/FSO communication. In addition, there are a few works about mixed RF-FSO networks in NTNs while sending the same information to a group of users on a particular multicast group address, known as multicast services. Due to the broadcasting nature of the wireless channel, security is the most critical issue and challenging concern in NTNs. Unlike conventional methods, which often handle security at the application layer, physical layer security (PLS) guarantees information-theoretic security by extracting the variations in the physical properties of channels such that a degraded signal at an eavesdropper is always assured and therefore the original message can be hardly obtained regardless of how the signal is processed at the illegitimate receiver. PLS has been investigated as a good alternative to provide a solid form of security. Many studies have been conducted up to date to determine the fundamental performance limits of PLS under various wiretap channel models. It's worth noting that none of the available studies have investigated PLs in NTN systems. This Ph.D. research has been motivated by these key challenges involving future networks. In this thesis, our work sheds light on the PLS performance in NTNs. Therefore, understanding the outage and error performance of the physical layer for future networks from the communication point of view is of great importance to studying the security aspect. In the first part of the thesis, we study the hybrid RF/FSO transmission and mixed RF-FSO approaches for SatCom motivated by the complementary characteristics of RF and FSO communication. In the first proposed model, we assume a single-hop SatCom system where the satellite selects RF or FSO links based on weather conditions collected from sensors and employed for context awareness. We obtain the outage probability (OP) expressions by considering various weather situations to assess the performance of the proposed network. In addition, asymptotic analysis is carried out to determine the diversity order. We also consider the effects of non-zero boresight pointing errors and show how aperture averaging can significantly mitigate the effects of misalignment and atmospheric turbulence. The results reveal that the suggested technique outperforms dual-mode traditional hybrid RF/FSO communication in terms of OP while providing some power gain. Then, we present a novel downlink dual-hop SatCom model using an intermediate HAPS node. FSO communication is adopted between the LEO satellite and the HAPS node, whereas a hybrid FSO/RF transmission mechanism is considered between the HAPS node and the ground station (GS). The satellite chooses the HAPS node with the best signal-to-noise ratio in the initial phase of transmission. The signal is decoded and forwarded to the GS in the second phase by the designated HAPS. To examine the proposed system's performance, OP expressions for exponentiated Weibull and shadowed-Rician fading models are obtained, by considering atmospheric turbulence, scattering, stratospheric attenuation, path loss, and pointing errors. Aside from that, asymptotic analysis and diversity gain are obtained. The effect of the aperture averaging technique, wind speed, and temperature are also explored. Finally, the results show that using a HAPS node increases system performance and that the suggested model outperforms all other models currently in use. Thereafter, we investigate the performance of a multiple-hop mixed RF-FSO communication-based decode-and-forward protocol for multicast networks. So far, delivering real-time applications to a large number of users at the same time has been seen as a promising technique to deal with high data traffic demands. Thus, we present two realistic use-cases. In the first model, we propose a mixed RF/FSO/RF communication strategy assisted by a HAPS node, in which a terrestrial node communicates with a cluster GSs via two HAPS systems. In the second model, we consider that due to substantial attenuation produced by wide propagation distances, we consider that line of sight (LOS) connectivity between the two HAPS systems is unavailable. As a result, we propose a mixed RF/FSO/FSO/RF communication system supported by an LEO satellite. Closed-form expressions of OP and bit error rate are obtained for the given scenarios. In addition, diversity gains are derived to show the asymptotic behavior of the proposed models. For both scenarios, ergodic capacity and energy efficiency (EE) are also presented. Finally, simulation results are presented in order to verify the theoretical derivations. The obtained results demonstrate that the satellite-assisted mixed RF/FSO/FSO/RF model outperforms the HAPS-assisted mixed RF/FSO/RF model in terms of OP, whereas the HAPS-assisted mixed RF/FSO/RF scenario achieves better EE. From the security perspective, we propose different wiretap models and analyze the PLS performance. At first, for a HAPS-aided SatCom system, we study the secrecy performance of RF eavesdropping. In the proposed architecture, FSO communication is used between HAPS and the LEO satellite, while RF communication is used between HAPS and the GS as LOS communication cannot be established. Closed-form of secrecy outage probability (SOP) and probability of positive secrecy capacity (PPSC) expressions are derived to interpret the overall secrecy performance of the proposed approach. We also consider the impact of the pointing error and shadowing severity parameters. In what follows, we introduce optical eavesdropping in NTNs for different practical scenarios. In this context, we consider that a HAPS eavesdropper node is seeking to collect sensitive data from an LEO satellite, and a UAV eavesdropper is attempting to intercept confidential data from a HAPS node. We obtain closed-form SOP and PPSC expressions and validate them with Monte Carlo (MC) simulations to evaluate the overall performance of both scenarios. Secondly, a satellite eavesdropping strategy is presented, in which an attacker spacecraft trying to intercept optical communications established between an LEO satellite and a HAPS node. We assume satellite-to-HAPS (downlink) and HAPS-to-satellite (uplink) optical communications, in which the eavesdropper spacecraft can capture either the transmitted or received signal. The average secrecy capacity and SOP expressions are obtained and validated with MC simulations to quantify the secrecy performance. We also investigate secrecy throughput performance. Finally, according to our findings, turbulence-induced fading has a considerable impact on the secrecy performance of FSO communication.
-
Öge4.5G frekanslarında çok bantlı geniş geliş açısı aralığında etkili yeni bir frekans seçici yüzey tasarımı(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2022-07-18) Balta, Şakir ; Kartal, Mesut ; 504132311 ; Telekomünikasyon MühendisliğiDünyada artan nüfüs ve gelişen teknolojiyle birlikte hücresel kablosuz sistemlerinin kullanımı artmakta, kısıtlı miktardaki frekans bantlarının yoğun bir şekilde kullanımı dolayısıyla artan işaretler arası girişimler, birçok hassas elektronik aygıtın çalışmasını etkileyebilmektedir. Bunun yanında, bu frekansları önlemeye yönelik herhangi bir sistem olmaması nedeniyle insanlar, günlük hayatlarında, evde, ofiste, her an her yerde bu frekanslara maruz kalmakta, bunun neticesinde sağlıklarını kaybederek yaşam kaliteleri düşebilmektedir. Bu nedenlerle böylesi sorunlara bir çözüm olabilmesi açısından bu tezde yer verilen çalışmalarla imalatı kolay, maliyeti düşük ve geniş bir kullanım alanına sahip olabilecek frekans seçici yüzey (FSY) kaplama ürünlerinin geliştirilmesi, teknolojinin insan sağlığına verebileceği zararların önlenerek insan yaşam kalitesinin artırılması açısından önemlidir. Günümüzde dünyada mobil haberleşme alanında IMT Advanced, ülkemizde de kısaca 4.5G olarak bilinen ve 800, 900, 1800, 2100 ve 2600 MHz frekans bantları içeren mobil haberleşme sistemi kullanılmaktadır. Tezin ana amacı bu frekans bantlarını engellemektir. Bu frekansların engellenmesi ile radyo dalgalarının insan sağlığına olan etkileri azaltılacak, mobil haberleşmenin olmasının istenmediği yerlerde bir engelleyici olarak kullanılabilecek, bunun yanında farklı frekanslardan gelecek işaretler arası girişimler de engellenebilecektir. Diğer bir amacımız da bir yandan bu frekansları engellerken, bir yandan da belirttiğimiz frekanslar aralığında kalan, ancak günlük hayatta oldukça yoğun kullanım alanı olan, örneğin 2.4 GHz kablosuz ağlar gibi serbest frekans bantlarını da engellememektir. Yakın gelecekte nesnelerin interneti kullanımı ile birlikte kablosuz ağların çok daha yoğun olarak kullanılacağı düşünüldüğünde, sadece ilgili frekansları engelleyen ama kablosuz ağları engellemeyen bu çalışmanın önemi giderek artacaktır. Bu nedenle yürüttüğümüz tez kapsamında, 4.5G frekans bantlarında oluşan radyo dalgalarını engelleyen aynı zamanda diğer frekans bantlarında herhangi bir engelleme yapmayan, bant durduran filtre görevi görecek yapısal yüzey malzemesi tasarlamak, bunun yanında bu frekans bantlarında ortaya çıkan işaret girişim etkilerini en aza indirmek hedeflenmiştir. Bunlara ek olarak çalışmayı yaparken tasarlanan FSY'lerin mümkün olduğunca farklı geliş açılarında etkinliğini koruması amaçlanmıştır. Bu malzemenin, durdurma bandında iletim katsayısının (S_21) minimum -10dB, iletim bandında iletim katsayısının (S_11) 0dB'e yakın bir değerde olması ve ayrıca elektromagnetik dalganın farklı geliş açılarında, ve farklı polarizasyonlarında da amaçlanan frekans karakteristiklerini sağlaması hedeflenmiştir. FSY'lerin frekans karakteristiği yüzeyi oluşturan periyodik eleman geometrilerine bağlı olduğundan çok çeşitli eleman geometrileri literatürde incelenmiştir. Benzer biçimde periyodik eleman geometrilerinin üzerine baskısının gerçekleştirildiği dielektrik tabakaların da yüzeyin frekans karakteristiği üzerine etkileri bulunmaktadır ve bu etkiler literatürde ayrıntılı olarak incelenmiştir. Tez çalışmasında FSY'lerin analiz yöntemleri de incelenmiştir. Dalga denkleminin analitik çözümü sadece bazı basit FSY geometrileri için görülmüştür. Dalga denkleminin diğer bütün FSY geometrileri için çözümü sadece sayısal çözüm yöntemleri ile elde edilebildiği görülmüştür. Bilgisayar teknolojisindeki hızlı gelişmeyle beraber sayısal analiz yöntemleri bu konuda uygulama alanı bulmaya başlamıştır. FSY geometrilerinin analizlerinde Sonlu Farklar Metodu (Finite Difference Time Method), Sonlu Eleman Metodu (Finite Element Method), Momentler Metodu (Method of Moments) gibi sayısal çözüm yöntemlerinin kullanıldığı, bunun yanında Eşdeğer Devre Modeli'nin de FSY yüzey analizlerinde kullanıldıkları literatürde görülmüştür. Yukarıda belirtilen sayısal analiz yöntemleri içinde tasarım aşamasında belirlenen FSY'lerin analizleri "Sonlu Elemanlar Metodu" ile gerçekleştirilmiş ve ilgilenilen frekans aralığında iletim ve yansıma katsayıları hesaplanmıştır. Ansoft HFSS programı "Sonlu Eleman Metodu" ile bu tür yapıların analizlerini yapabilmektedir. FSY'lerin eniyilemesi HFSS programında eşdeğer devre yönteminin yansıması ile, programın parametrik analiz özelliği kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Tez aşamasında bu programdan aktif olarak faydalanılmıştır. Tasarımlarda mümkün olan en az sayıda rezonans ile frekans bantları arasındaki girişimler azaltılmaya çalışılarak, birden fazla frekans karakteristiğine sahip olan üç farklı tasarım geliştirilmiştir. Bunun yanında da durdurmak istenilen frekansların haricinde kalan çalışma frekanslarını engellememek amacıyla mümkün olan en dar durdurma bantlarını sağlayan, oldukça keskin kenarlı bant durduran filtreler oluşturulması için çaba harcanmıştır. Tüm bunları yaparken tasarlanan FSY'lerin mümkün olduğunca farklı geliş açılarında ve farklı polarizasyonlarda etkinliğini koruması hedeflenmiş, bu amaçla simetrik ve dalga boyuna göre çok küçük boyutlardaki geometriler kullanılmıştır. Birden fazla bandı durduran FSY tasarımlarında karşılaşılan en büyük problemlerden biri herbir frekans bandı için tasarlanan farklı geometrilerin birbirlerine olan girişim etkileri olmuştur. O nedenle birçok geometri üzerinde araştırmalar yapılmış ve problemin çözümü için farklı yaklaşımlar getirilmiştir. Tasarımlarda düşük maliyetli ürün geliştirmek amacıyla, 1mm kalınlığında, dielektrik sabiti 4.54 ve kayıp tanjant değeri 0.02 olan tek katlı FR4 tabaka üzerinde gerçeklenmiş, radyo frekanslarına FR4 tabakanın tepkisi kötü olmasına rağmen istenilen hedefler gerçekleştirilebilmiştir. Tasarımların analizleri ve eniyileştirme çalışmaları Ansoft HFSS programında yapılmış, yüzey akım yoğunluk grafikleri çıkarılarak herbir frekans bandı için geometrilerin etkinlikleri gösterilmiştir. FR4 tabakalar üzerine gerçeklenen tasarımların ölçümleri alınmış ve benzetim sonuçlarıyla karşılaştırılarak tasarımlar doğrulanmıştır. Geniş bir literatür taraması yapılmış ve 4.5G frekansları üzerinde etkin olan, çoklu rezonans gösteren böyle bir çalışmaya literatürde rastlanmamıştır. Bu çalışma bu alanda yapılmış ilk ve tek başarılı çalışma olması nedeniyle litaratüre katkı sağlamıştır.
-
ÖgeHomojen olmayan ortamlara ilişkin green fonksiyonları ve çeşitli uygulamaları(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2022-09-14) Arıcı Konakyeri, Eda ; Yapar, Ali ; 504102300 ; Telekomünikasyon MühendisliğiElektromanyetik teoride homojen olmayan ortamlara veya homojen olmayan ortamların içerisinde yer alan saçıcı cisimlere ilişkin düz ve ters saçılma problemleri üzerine yapılan araştırmalar literatürde çok önemli bir yer tutmaktadır. Gerçekte pratik hayattaki tüm elektromanyetik uygulamalarda karşılaşılan ortamlar doğrudan bu türden homojen olmayan yapılardır. Bu kapsamda gerek düz saçılma gerekse ters saçılma olsun herhangi bir elektromanyetik probleminde ortam ve saçıcıların herhangi bir yaklaşıklık yapılmadan olduğu gibi gerçek profillerinin göz önüne alınması yüksek doğruluk ve hassas analizler için oldukça önemlidir. Saçılma problemleri genel olarak diferansiyel denklemler içerir. Bilindiği üzere bu denklemlerin çözümünde Green fonksiyonları hayati öneme sahiptir. Temel olarak Green fonksiyonları, saçılma problemlerinde karşılaşılan diferansiyel denklemleri veya denklem sistemlerini yüzey veya hacim integral denklemlerine dönüştürmek için kullanılır. Green fonksiyonu, verilmiş bir diferansiyel denklem için sağ tarafın normalize edilmiş noktasal kaynak (iki boyutta çizgisel kaynak), başka bir deyişle Dirac delta genelleştirilmiş fonksiyonu olması halindeki çözüm olup sistemin birim dürtü (impuls responce) cevabı olarak düşünülebilir. Klasik saçılma problemlerinde saçıcının içerisinde yer aldığı arka plan uzayı çoğu zaman homojen basit bir ortam, bazı özel problemlerde de tabakalı ortamlar olarak düşünülür. İlk halde Green fonksiyonlarının doğrudan analitik ifadeleri mevcuttur. İkinci durumda (tabakalı ortamlar) ise Fourier teorisine dayanan integral gösterimler veya sonsuz seri ifadeler yardımıyla Green fonksiyonları kolaylıkla hesap edilebilir. Oysa saçıcıyı barındıran arka plan uzayı homojen değilse ya da doğrudan saçıcının kendisi ve arka plan uzayının bir arada homojen olmayan bir ortam olarak modellenmesi durumunda Green fonksiyonu doğrudan analitik olarak ifade edilemez. Gerçekte böyle bir problemin kendisi de normalize bir noktasal (iki boyutta çizgisel) kaynakla aydınlatılmış homojen olmayan bir cisme ilişkin bir düz elektromanyetik saçılma problemine karşı düşer. Böyle genel bir konfigürasyona diğer bir deyişle homojen olmayan ortamlara ilişkin Green fonksiyonlarının hesabı ancak sayısal yöntemlerle gerçekleştirilebilir. Sözü edilen bu problemin bilinmeyeni Green fonksiyonu olduğundan kaynak noktası uzayın herhangi keyfi bir noktası olabilmelidir. Tüm uzay, arka planı homojen bir ortamın içerisindeki homojen olmayan bir yapı olarak düşünüldüğünde, kaynağın homojen olmayan bölge dışarısında olduğu durum için Green fonksiyonu bilinen yöntemlerle elde edilebilir. Burada klasik düz saçılma problemi noktasal kaynak halinde sayısal olarak çözülür ve doğrudan sonuca gidilebilir. Ancak kaynak noktası (Dirac delta kaynağın yerleştirildiği nokta) homojen olmayan bölgenin içinde kaldığında kaynak ve gözlem noktalarının üst üste gelmesi halinden (çakışmasından) dolayı yüksek dereceden tekillikler meydana gelir ve problem klasik yaklaşımlarla çözülemez. Bu tez çalışmasında bu tekilliğin çözümüne ilişkin momentler yöntemine dayanan orijinal bir sayısal yöntem önerilmiştir. Böylelikle kaynak noktasının konumuna bağımlı olmaksızın herhangi bir kaynak-gözlem konfigürasyonu için herhangi bir homojen olmayan ortama ilişkin Green fonksiyonunun sayısal olarak hesaplanabileceği gösterilmiştir. Uygulanan yöntemin ana yaklaşımı ilgili Green fonksiyonunu tekil ve tekil olmayan iki ayrı fonksiyonun toplamı olarak ifade etmeye dayanmaktadır. Bu dekompozisyon öncelikle ilgili noktadaki tekilliği başarılı bir şekilde yansıtmakta daha sonra da tekil olmayan kısmın uygun bir integral denklem yardımıyla sayısal olarak çözülmesini sağlamaktadır. Önerilen bu yeni yaklaşımda ilgili homojen olmayan bölge dikdörtgen formda küçük alt bölgelere (hücrelere) ayrılarak her bir hücre için analitik hesaplar yapmaya elverişli eşdeğer dairesel hücre yaklaşımı kullanılmıştır. Bu hücrelerin boyutlarının yeteri kadar küçük seçilmesi halinde, hücre içerisinde ortama ilişkin ilgili parametrelerin yaklaşık olarak sabit olduğu kabul edilerek çözüme gidilmiştir. Bu nedenle yeteri kadar hücre sayısı olması önemlidir. Green fonksiyonunun tekil olmayan bu parçası ile ilgili sayısal çözümü elde etmek için kurulan integral denklem, yüksek dereceden tekillikler içerir. Bu aşırı-tekil (hyper-singular) integral denklemde eşdeğer hücreler üzerindeki integraller analitik olarak hesaplanarak oldukça basit ve güvenilir bir çözüm elde edilmiştir. Hücre integralleri analitik olarak hesaplanabildiğinden eşdeğer hücre ve hücre içinde elektromanyetik parametrelerin sabit kabul edilmesi dışında fazladan bir yaklaşıklık yapılmamıştır. Bu nedenle oldukça yüksek doğrulukta sonuçlara erişilmiştir. Sonuç olarak homojen olmayan ortamlara ilişkin Green fonksiyonu kaynağın konumundan bağımsız olarak önerilen yöntem ile elde edilmiştir. Bu sonuç düz ve ters saçılma problemi araştırmaları için oldukça önemlidir. Daha önce belirtildiği üzere, yukarıda özetlenen yöntem ile bulunan homojen olmayan ortam Green fonksiyonlarının doğrudan uygulama alanı bulabileceği temel alan elektromanyetik saçılma problemleridir. Bu kapsamda bu tez çalışmasında öncelikle düz saçılma problemlerine ilişkin uygulamalar yapılmış ve elde edilen sonuçlar analitik sonuçlarla kıyaslanarak yöntem ve yaklaşımların doğruluğu ispatlanmıştır. Ayrıca literatürde yer alan bir çalışma ile kıyaslama yapılarak yöntemin etkinliği ve doğruluğu bağımsız bir örnekle de desteklenmiştir. Devamında gerçek homojen olmayan ortamlarda yöntemin işlerliğini görmek adına insan beynine ilişkin bir kesit ele alınmış ve kaynak hem kesit içerisine hem de kesit dışarısına ayrı ayrı yerleştirilerek Green fonksiyonu ve alan dağılımı incelenmiştir. Bu tip yüksek kontrasta sahip ortamlarda yapılan analizlerde gelen dalganın ortam içerisine yeteri kadar nüfuz etmesi için uygun bir arka plan uzayı gereksinimine dikkat çekilmiş ve bununla ilgili sonuçlar paylaşılmıştır. Ayrıca önerilen yöntemle elde edilen Green fonksiyonu kullanılarak bir saçılan alan ifadesi verilmiştir. Bu saçılan alan hesabının, klasik olarak bilinen ve toplam alanı içeren saçılan alan ifadesine göre hesaplama yükü açısından daha verimli olduğu söylenebilir. Bu durum, literatürde yer alan birçok yinelemeli yöntem açısından önemlidir. Düz saçılma problemi analizinde elde edilen etkili sonuçlar ve yapılan analizler bu yöntemin etkinliğini açık bir şekilde ortaya koymaktadır. Homojen olmayan ortamlara ilişkin Green fonksiyonlarının bir diğer uygulama alanı olan ters saçılma problemlerinde öncelikle düz saçılma problemi çözümünden sağlanacak verinin yüksek derecede doğru olması kritiktir. Bu tez çalışmasında düz saçılma problemleri için yapılan kıyaslamalı uygulamalar yöntemin ters saçılma problemlerinde güvenilir bir şekilde kullanılabileceğine bir kanıttır. Yöntemin ters saçılma problemlerinde etkinliğini görmek adına ise iki farklı ters saçılma problemi analizi yapılmıştır. Bunlardan ilki mikrodalga beyin görüntüleme uygulaması olup kanamalı bir beyindeki kanamanın yer tespiti çalışmasıdır. Sağlıklı ve sağlıksız beyinlerden saçılan alanların farkından yola çıkarak elde edilen kontrast fonksiyonunun hesaplanması ile sağlıksız beyinde yer alan kanamalı bölgenin yer tespiti yapılmıştır. Burada sağlıklı ve sağlıksız beyin Green fonksiyonlarının birbirlerine çok benzer olması sebebiyle fark saçılan alan ifadesinde sağlıklı beynin Green fonksiyonu kullanılmıştır. Problem kötü oluşturulmuş bir sistem olduğundan Tikhonov regülarizasyon yöntemine başvurulmuştur. Bu özel görüntüleme probleminde daha iyi sonuç elde etmek amacıyla çoklu aydınlatma kullanılmıştır. Ayrıca özellikle dalgaların beyin içine nüfuz edebilmesi için uygun arka plan uzayı seçimi bu problemin çözümü için önemlidir. Önerilen yöntem ile farklı büyüklük, adet ve elektromanyetik özelliklerdeki kanamalı bölgelerin tespiti yapılmıştır. Kanamalı bölge ile beynin elektromanyetik özellikleri arasındaki fark arttıkça görüntülemede netlik bir miktar azalmaktadır. Bu durumda kanamalı bölge için arka plan uzayı beynin kendisi olduğundan bu beklenen bir sonuçtur. Bu yöntemin kullanılabilmesi açısından en kritik konu, görüntülenecek beynin kanama olmadan önceki saçılan alan analizinin biliniyor olmasıdır. Bir diğer ters saçılma problemi uygulaması olarak mevcutta uygulamaları olan Ters Zaman Göçü yöntemi incelenmiştir. Homojen olmayan ortamlara ilişkin Green fonksiyonu bu yöntemde kullanılmış ve klasik Green fonksiyonu ile elde edilen sonuçlarla kıyaslama yapılmıştır. Yapılan incelemeler sonucunda önerilen yöntemin bu ters saçılma problemi uygulamasında da etkili olduğu görülmüştür. Klasik Green fonksiyonu ile elde edilen sonuçlar kıyaslandığında önerilen yöntemin birçok uygulamada görece daha net sonuçlar verdiği görülmüştür. Bu yöntemde uygulamalar basit kanonik yapılar üzerinde yapılmış, daha yüksek kontrasta sahip yapılara ilişkin yapılan analizler sonraki çalışmalarda incelenmek üzere plana alınmıştır. Sonuç olarak önerilen yöntemle elde edilen homojen olmayan ortamlara ilişkin Green fonksiyonu hem düz hem de ters saçılma problemlerinde etkin sonuçlar vermektedir. Özellikle düz saçılma problemleri için yapılan kıyaslamalı uygulamalar yöntemin doğruluğunu net bir şekilde ortaya koymaktadır. İlgili yöntem saçılan alanın hesaplama verimliliği açısından mevcuttaki yinelemeli yöntemlere göre avantajlıdır. Yöntem uygulanırken ilgili ortamın hücre sayısının yeteri düzeyde belirlenmesi önemlidir. Mikrodalga beyin görüntüleme alanında önerilen ters saçılma problemi yaklaşımı bu tip problemlere basit ve etkili bir yöntem sunmaktadır. Bu problemde uygun arka plan uzayı seçimi son derece önemlidir. Ayrıca mevcutta kullanılan bir ters saçılma problemi ile yapılan kıyaslama sonucunda da önerilen yöntemin etkinliği incelenmiş ve basit kanonik yapılarda uygulanabilir olduğu görülmüştür. Bu yönteme ilişkin daha geniş incelemeler yapılabilir. Homojen olmayan ortamlara ilişkin Green fonksiyonunun moment tabanlı sayısal bir yöntem ile elde edilmesi sonucunda literatüre özgün bir çalışma kazandırılmış, bu alandaki düz ve ters saçılma problemlerine katkılar sağlanmıştır.
-
ÖgeDerin öğrenme ile süper çözünürlüklü radar görüntüleme(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2022-11-04) Erim, İrem Fadime ; Erer, Işın ; 504191323 ; Telekomünikasyon MühendisliğiRadarlar (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.
-
ÖgeFrom media-based modulation to reconfigurable intelligent surfaces: Novel index modulation solutions(Graduate School, 2022-11-11) Yiğit, Zehra ; Altunbaş, İbrahim ; Başar, Ertuğrul ; 504172313 ; Telecommunication Engineering. In these studies, we adapt the classical Hurwitz-Radon family of matrices and the new circular matrix-based STBC design to MBM in order to achieve various orders of transmission diversity gains over a single RF chain. Moreover, through extensive analyses, we obtain the theoretical bit error rate (BER) and capacity performance of the proposed schemes, which are supported via comprehensive computer simulations. In the subsequent study, we deploy an RIS with passive reflecting elements, which are capable of inducing plain phase shifts to assist the classical multiple-input multiple-output (MIMO) and IM-based MIMO transmission systems. In this study, in order to maximize the signal-to-noise (SNR) of the overall cascaded system, without applying computationally complex beamforming techniques, we propose a cosine similarity theorem-based low-complexity algorithm for adapting the phase shifts of the RIS reflecting elements. Moreover, a semi-analytical probabilistic approach is developed to derive the theoretical average bit error probability (ABEP) of the system. Furthermore, the validity of the theoretical analysis is supported through extensive computer simulations. Although a massive literature has grown up around passive RIS-aided studies, most recently, the potential of active RISs that are capable of achieving ultimate capacity gains at the expense of additional power constraints stimulates novel research domains. In that sense, we develop a novel IM scheme in which a hybrid RIS with both active and passive reflecting elements acts as a transmit information unit. In this study, according to incoming information bits, the corresponding RIS is divided into sub-groups which consist of either passive elements with simple phase shifts or active elements with adjustable amplitudes and phases in a way that each RIS realization creates a signal with clearly distinguishable magnitude. In other words, the proposed scheme constitutes a virtual amplitude shift keying (ASK) modulation. Moreover, through comprehensive theoretical analyses and computer simulations, the BER, achievable rate and energy efficiency performance of the proposed scheme are compared with existing fully passive RIS, fully active RIS and reflection modulation (RM) systems. In the last study of this thesis, in order to simplify transceiver complexity of classical multi-user transmission schemes, we propose a new over-the-air beamforming concept that completely transfers the inter-user interference cancellation duties of the transmitter to an active RIS. In the proposed concept without resorting to any hardware-complex pre/post signal processing techniques at the transmitter and the receiver, the amplitudes and phases of the active reflecting elements at the RIS are optimized to maximize sum-rate gains of a multi-user downlink transmission system. Moreover, taking inspiration from this over-the-air beamforming concept, a new receive IM scheme that transmits additional information bits to specify the index of the effective received antenna is also proposed. Contrary to the existing receive IM system designs that conduct transmit beamforming to steer the overall information to the specified received antenna, in the proposed receive IM scheme, without applying any transmit beamforming techniques, the reflection coefficients of the active RIS are adjusted to orient the overall reflected signal in direction of the effective received antenna. In these proposed over-the-air beamforming concepts, to optimize the reflection coefficients of the active RISs, two distinct semidefinite relaxation (SDR)-based optimization problems are formulated, which can be effectively solved through the CVX convex optimization toolbox. Moreover, through comprehensive simulation results, the sum-rate and BER performance of the proposed designs are investigated. In summary, this thesis presents novel IM-based physical layer solutions for future generation networks in various facets starting from the classical MBM to the emerging RIS-aided systems. Through this process, we resort to different approaches including STBC techniques, low-complexity algorithms, convex optimization, physical channel models, etc. Moreover, in order to demonstrate the performance of the systems, through comprehensive computer simulations, we compare our all system designs with the classical systems and their state-of-the-art competitors. Then, in order to support these results, we attempt to derive theoretical performance analyses.
-
ÖgeA novel antenna configuration for microwave hyperthermia(Graduate School, 2022-11-28) Altıntaş Yıldız, Gülşah ; Akduman, İbrahim ; Abdulsabeh Yılmaz, Tuğba ; 504182309 ; Telecommunications EngineeringBreast cancer affects approximately 2.5 million women each year and the consequences can be fatal. When treated correctly, however, the survival rates are very high. Surgical operation such as lumpectomy or mastectomy are invasive techniques that remove the partial or the whole breast. With early diagnosed cancers and the post-surgical patients, the most used therapy techniques are the radiotherapy, chemotherapy and the use of other anti-cancer agents. The economic and the psychological repercussions may be minimized by the increase efficiency of the treatments. It has been shown that with the artificial hyperthermia, elevated temperature levels at the cancer regions, the effectiveness of these modalities increase. Microwave breast hyperthermia (MH) aims to increase the temperature at the tumor location over its normal levels. During the procedure, the unwanted heated regions called hotspots can occur. The main aim of the MH is to prevent the hotspots while obtaining the necessary temperature at the tumor. Absorbed heat energy per kilogram at the breast, specific absorption rate (SAR), needs to be adjusted for a controlled MH. The choice of the MH applicator design is important for a superior energy focus on the target. Although hyperthermia treatment planning (HTP) changes for every patient, the MH applicator is required to be effective for different breast models and tumor types. In the first part of the thesis, the linear antenna arrays are implemented as MH applicators. We presented the focusing maps as an application guide for MH focusing by adjusting the antenna phase values. Furthermore, these focusing maps put forward the basic principle of focusing the energy at the breast. Sub-grouping the antenna, we obtained two phase main parameters that control the horizontal and vertical focus change. By adjusting these two phase values, we could focus the energy onto the target locations and we showed that with this simple structure, there is no need for optimization methods. However, the linear applicator performance was not successful for some target points, especially when the target is far away from both of the arrays. In the second part of the thesis, we improved the linear MH applicator. We concluded that the reason for the low performance of the linear applicator is mainly due to non-symmetrical geometry of the applicator and the resulting poor coverage. we proposed to radially re-adjust the position of the linear applicator for a better focusing ability while fixing the breast phantom. This generates multiple different applicator scheme without actually changing the applicator design. Particle swarm optimization (PSO) method is used for antenna excitation parameter selection. For the examined two targets, 135° rotated linear applicator gave 35-84% higher T BRS and 21-28% higher T BRT values than the fixed linear applicator, where T BRS stands for the target-to-breast SAR ratio and T BRT stands for the target-to-breast temperature ratio. Not only the rotated linear applicator gave higher performance, but also the circular array is rotated and the results were improved for one target. One of the main results of this study is that, for one target, the rotated linear applicator gave better results than the circular array, which is the state of the art. For the deep-seated target, 135° rotated linear applicator has 80% higher T BRS and 59% higher T BRT than the circular applicator with the same number of antennas. For the other target, the results of the linear and circular were comparable. However, the results obtained with the PSO were not robust. With different initial values (random in our study), the results were very different from each other, and we did 10 repetitions and took the best performing results. In the third part of the thesis, we presented deep-learning based antenna excitation parameter selection method. This method utilizes the learning ability of convolutional neural networks (CNN), rather than searching the solution space from random initial values as PSO does. The data set for CNN training was collected by superposing the electric fields obtained from individual antenna elements. We implemented a realistic breast phantom with and without a tumor inclusion. We used linear and circular applicators to validate the method. CNNs were trained offline with the data sets created first for the phase and then for the amplitude of the antennas. A mask of 1s and 0s is used to define the target region to be focused. This mask was given as the input to CNN models, and the corresponding phase and the amplitude values are calculated within seconds from the CNN models. The proposed approach outperforms the look-up table results, as the phase-only optimization and phase–power-combined optimization show a 27% and 4% lower hotspot-to-target energy ratio, respectively, than the look-up table results for the linear MH applicator
-
ÖgeNovel complex dielectric permittivity measurement methods with open ended coaxial probes(Graduate School, 2022-12-02) Dilman, ismail ; Çayören, Mehmet ; 504162313 ; Telecommunications EngineeringNowadays, microwave dielectric spectroscopy is a popular research topic for scientists with use in a broad area. Microwave dielectric spectroscopy is realized with various methods. The most commonly applied methods are coaxial probe methods, transmission line methods, free space methods, resonant methods, and parallel plate capacitor methods. The open-ended coaxial probe method differs from microwave dielectric spectroscopy by being broadband, non-destructive technique. In addition, it is suitable for measuring lossy materials. The open-ended coaxial probe techniques are based on retrieving the complex dielectric permittivity (CDP) from the aperture admittance of the probe. This process is carried out by using the reflection coefficients from the vector network analyzer. These are realized in two steps. In the first step, real reflection coefficients are determined from the measured reflection coefficients from the calibration procedure. Next step, by using the relation between the aperture admittance and CDP, electrical properties are obtained. The main weakness of the technique is a high error rate that prevents accurate and stable results. This thesis first gives a brief overview of the realization of microwave dielectric measurement with an open-ended coaxial probe. It will then describe one of the previous methods, the rational functional model, for an open-ended probe technique. Validation of the method is tested in both simulation and measurement setups. Moreover, the effectiveness of methods is shown in retrieving the biological sample. In addition, the mentioned technique for a commercial probe improved in the third section. In the following section, a new method to reduce the error rate of dielectric measurements of the open-ended coaxial probe has been developed. This method takes advantage of the observation that electrical properties of materials variations are continuous functions of frequency. In particular, we derive a mathematical model that enforces spectral continuity by directly incorporating the Debye relaxation model. In addition, the robustness of the proposed methods is tested with a low-sensitive pocket network analyzer. Finally, a novel approximation in which measurement uncertainty and experimental noise are addressed in determining the CDP processes is presented. However, these effects are not considered in previous open-ended coaxial probe measurement studies. Take advantage of this extra information to enhance the improving measurement accuracy and results in similar problems. Benefit from statistical information; we define a new cost function based on maximum-likelihood estimation. The obtained results have been compared with the values given in the literature. The results of that studies demonstrated that mentioned methods are achievable in reducing errors. In addition to the open-ended coaxial probe, the proposed approach can accurately obtain the Debye parameters of the MUT. Furthermore, extending the method for different relaxation models is straightforward by introducing additional partial derivatives of the new parameters.
-
ÖgeAltı port tekniği ile vektör reflektometre tasarımı(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2022-12-20) Dinçtürk, Mehmet ; Çayören, Mehmet ; 504201328 ; Telekomünikasyon MühendisliğiRadyo 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.