Prof. Dr. Cenk Toker danışmanlığındaki tezler
11 tez · Hacettepe University
Hücresel haberleşme sistemlerinde İHA haberleşme kanal modellerinin incelenmesi
İnsansız Hava Araçlarını gündelik yaşamda insan sağlığına herhangi bir tehdit yaratmayacak şekilde otomatik bir sistem halinde getirmek, uçuş rotaları için hava koridorları belirlemek farklı zorlukları da beraberinde getirir. Bu çalışmada asıl araştırılmak istenen ise yer yüzeyindeki baz istasyonlarının 120 metrelik irtifalara kadar sunduğu kapsama alanının İHA uygulamarını için incelenmesidir. Bundan dolayı dikkat edilmesi gereken en önemli noktalardan biri, İnsansız Hava Araçları ile nasıl iletişim kuracağımızdır. Karasal haberleşme sistemlerinin drone haberleşmesinde kullanılabilirliği, gökyüzüne sunulan sinyal gücü ve kapsamanın yeterliliği araştırma konuları arasındadır. İnsansız Hava Araçlarının dinamik yapısından dolayı bu çalışmada asıl hedef farklı senaryolar için karasal haberleşme sistemlerinde kullandığımız baz istasyonları ile İnsansız Hava Araçları arasında fizksel bir kanal modeli oluşturmaktır. Bu kanal modeli ile farklı etkileşimlere uğrayan çoklu-yol sinyallerinin yol kayıpları ve gerçekleşme olasılıkları gibi özelliklerini incelemek, 5G ve ötesi gibi yeni nesil haberleşme sistemleri için alçak irtifalı insansız hava araçlarının etkileneceği hava kapsamasını irtifalara göre modellemek, ayrıca bu şekilde bir kanal modellemesi yapılırken gerçekçi yaklaşımlar kullanarak kabul edilebilir hata payları doğrultusunda bir sonuca varmak amaçlanmaktadır. Farklı istatistiksel parametrelere göre şekillenmiş bir Manhattan şehir modeli üzerinde, üç sektörden oluşan karasal bir baz istasyonunun simulasyon modeli hazırlanmış, farklı irtifalar ve şehir yapıları için üç boyutlu ışın izleme yöntemi kullanılmıştır. Buna ek olarak birden çok baz istasyonunun bulunduğu kırsal bir bölgede 3 farklı irtifa için saha çalışmaları yapılmış, bu saha MATLAB ortamında modellenmiş, modelleme yapılırken eksik görülen bilgiler ITU-R önerilerine göre tamamlanmış ve matematiksel bir yol-kaybı modeli çıkartılmıştır. Simulasyon modeli ile ölçüm verileri kıyaslanarak belirli hata payları incelenmiş, iki hücre arasında yapılan frekans geçişleri değerlendirilmiştir. Bitki örtüsünün elektromanyetik özellikleri göz önünde bulundurularak yerden yansıyan sinyallere etkisi de incelenmiştir. İki-ışın modeline eklemeler yapılarak hücresel haberleşme sistemlerinde İHA haberleşme kanal modelleri incelenmiştir.
Kablosuz sensör ağlarında sıkıştırılmış örnekleme
Haberleşme günümüzün en önemli konularından biri olarak öne çıkmaktadır. Günden güne veri trafiği inanılmaz bir şekilde artış göstermektedir. Pratik açıdan kullanım kolaylığı ile birlikte kablosuz haberleşme teknolojisi bu zamana kadar önemli gelişmeler kat etmiştir. WSN'ler kablosuz haberleşmeyi kullanan, çeşitli fiziksel ölçümleri yapıp belli bir bölgeyi gözetlemeyi veya o bölgeden bilgi toplama imkânı veren ağlardır. Bu ağ kısıtlı enerjiye sahip düğümlerden ve bu düğümlerin verilerinin toplandığı ve işlendiği en az bir erişim noktasından oluşmaktadır. WSN'lerdeki düğümlerin yaşam sürelerini uzatmak için enerjilerinin verimli bir şekilde kullanılması gerekmektedir. Harcanan enerji, veri iletimi ve hesaplamalar ile doğrudan ilişkilidir. CS teorisi de bu noktada çözüm sunmaktadır; eğer ölçülen sinyal seyrekse, bu sinyal Nyquist oranına göre daha az sayıda ölçümle yeniden oluşturabilmektedir. Bundan dolayı CS, WSN için önemli bir tekniktir. Bu tez çalışmasında incelenen sinüzoidal, doğrusal ve ikinci derece alanlar için örnekleme noktaları tekdüze, Gauss, H-PPP ve eş aralıklı olarak seçilmiştir. Bu örnekleme noktalarından alınan ölçümler OMP ve CoSamp algoritmaları kullanılarak geri dönüşüm başarımları incelenmiştir. Düğümlerin alana rasgele dağıtılmasını öneren, bir başka deyişle örnekleme noktalarının rasgele seçildiği, tekdüze ve H-PPP dağılımları daha başarılı sonuçlar vermiştir.
5.9 GHz bandında hücresel V2X haberleşmesi için kanal ölçümü
Araçlar arası iletişimde alıcı ve vericinin hareketinin yanı sıra ortam da engel olunamaz biçimde dinamiktir. Bu sebeple kanalın zaman, frekans ve Doppler'e göre karakterize edilmesi gerekmektedir. Bu parametrelerin tespiti için Ankara'nın farklı trafik ve bina yoğunluklarına sahip semtlerinde farklı hız, mesafe ve göreli konumlarda sürüş testleri yapılmıştır. Birbirinden farklı yüz senaryo için bir adet verici ve bir adet alıcı içeren test düzeneğiyle ölçümler gerçekleştirilmiştir. Kanala verilen sinyalin incelenmesi ile başlayan çalışmaların sonunda Ankara için 5.89 GHz'de hücresel V2X kanal modelinin oluşturulmasını sağlayacak güç gecikme profili, saçılım fonksiyonu, Doppler spektrum yoğunluğu, rms gecikme yayılımı gibi temel parametreler elde edilmiştir. Bu parametreler için beklenen teorik değerler ile ölçümlerle elde edilen sonuçlar karşılaştırılmıştır. İncelemelerde uygulamadaki ve alt yapıdaki kısıtlamalar göz önünde bulundurularak çıkarımlar ve iyileştirme önerileri yapılmıştır. Uygulama Keysight Technologies Inc.'in hücresel V2X için kullandığı sinyali ile BTK'nın Piyasa Gözetleme Laboratuvarı'na kurduğu 5G Vadisi Test Altyapısı kullanılarak gerçekleştirilmiştir.
Yeni nesil yerküresel konumlama sistemi sinyalleri kullanılarak eğik-toplam elektron içeriğinin kestirilmesi
İyonküre, güneşten yayılan yüksek enerjili ışınların yüksüz parçacıkları iyonlaştırması sonucu meydana gelen serbest yüklü parçacıklardan oluşan, iyonize plazma yapısındaki havaküre tabakasıdır. İyonküre frekans dağıtmalı, her noktasında aynı etkileri göstermeyen, zamana göre değişen, yerçekimi ve dünyanın manyetik alanı gibi pek çok faktörden etkilenen karmaşık bir yapıya sahiptir. Kısa Dalga (KD) sinyalleri iyonküreden yansır, uydu sinyalleri iyonkürede kırılmaya uğrar. Bu sebeple iyonkürenin sinyaller üzerindeki etkilerinin anlık olarak çözümlenmesinin pek çok farklı sistem için kritik bir önemi vardır. İyonkürenin sinyaller üzerindeki etkilerinin sebebi yapısındaki serbest elektronlardır. İyonkürede iki nokta arasındaki serbest elektronlara Toplam Elektron İçeriği (TEİ) adı verilir. Bu parametre sayesinde iyonkürenin farklı frekanslardaki sinyalleri nasıl etkileyeceği değerlendirilebilmektedir. Bu tez kapsamında Eğik Toplam Elektron İçeriği (ETEİ) adı verilen, bir alıcı ve bir uydu arasındaki toplam elektron miktarını ifade eden parametrenin kestirimleri yapılmıştır. Yerküresel Konumlama Sistemi (YKS) sinyalleri kullanılarak bu parametrenin hesaplandığı pek çok çalışma yapılmıştır. Bu çalışmalarda L1 ve L2 frekanslarındaki YKS sinyalleri kullanılarak bir alıcı istasyonu ve bir YKS uydusu arasındaki ETEİ değerleri kestirilmektedir. Bu çalışmada L5 frekansındaki yeni YKS sinyalleri kullanılarak yeni bir ETEİ kestirim yöntemi önerilmiştir. Bu yöntem ile farklı alıcı ve farklı uyduların ayrı ayrı sözde menzil ve faz gözlemlerinin kullanıldığı denklem setleri oluşturularak, anlık düşük gürültülü ETEİ kestirimleri, uydu yanlılıkları ve diferansiyel alıcı yanlılıkları kestirimleri yapılabilmektedir. Dünyanın farklı enlem bölgelerindeki alıcılar, farklı uydular ve iyonkürenin pozitif ve negatif bozulmalı ve sakin günleri için yöntem test edilmiştir. Yapılan kestirimlerde elde edilen ETEİ sonuçları IONOLAB-STEC yöntemi ile hesaplanan ETEİ sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Bu yöntem ile karşılaştırıldığında sonuçların genel TEİ görünüşüne uygun olduğu gösterilmiştir. İki yöntem arasındaki farkların, dayanak noktalarının farklı olmasından kaynaklandığı değerlendirilmiştir. Bu tezde geliştirilen bu yeni yöntem ile L5 frekansındaki YKS sinyallerinin kullanımı ile ETEİ kestirim çalışmalarına yeni bir bakış açısı getirilmiştir, buna ek olarak L5 frekansında uydu yanlılıkları ve L1-L2, L1-L5, L2-L5 frekanslarındaki sinyaller için diferansiyel alıcı yanlılıkları da kestirilmiştir.
Yeni nesil yerküresel konumlama sistemi sinyalleri kullanılarak eğik-toplam elektron içeriğinin kestirilmesi
İyonküre, güneşten yayılan yüksek enerjili ışınların yüksüz parçacıkları iyonlaştırması sonucu meydana gelen serbest yüklü parçacıklardan oluşan, iyonize plazma yapısındaki havaküre tabakasıdır. İyonküre frekans dağıtmalı, her noktasında aynı etkileri göstermeyen, zamana göre değişen, yerçekimi ve dünyanın manyetik alanı gibi pek çok faktörden etkilenen karmaşık bir yapıya sahiptir. Kısa Dalga (KD) sinyalleri iyonküreden yansır, uydu sinyalleri iyonkürede kırılmaya uğrar. Bu sebeple iyonkürenin sinyaller üzerindeki etkilerinin anlık olarak çözümlenmesinin pek çok farklı sistem için kritik bir önemi vardır. İyonkürenin sinyaller üzerindeki etkilerinin sebebi yapısındaki serbest elektronlardır. İyonkürede iki nokta arasındaki serbest elektronlara Toplam Elektron İçeriği (TEİ) adı verilir. Bu parametre sayesinde iyonkürenin farklı frekanslardaki sinyalleri nasıl etkileyeceği değerlendirilebilmektedir. Bu tez kapsamında Eğik Toplam Elektron İçeriği (ETEİ) adı verilen, bir alıcı ve bir uydu arasındaki toplam elektron miktarını ifade eden parametrenin kestirimleri yapılmıştır. Yerküresel Konumlama Sistemi (YKS) sinyalleri kullanılarak bu parametrenin hesaplandığı pek çok çalışma yapılmıştır. Bu çalışmalarda L1 ve L2 frekanslarındaki YKS sinyalleri kullanılarak bir alıcı istasyonu ve bir YKS uydusu arasındaki ETEİ değerleri kestirilmektedir. Bu çalışmada L5 frekansındaki yeni YKS sinyalleri kullanılarak yeni bir ETEİ kestirim yöntemi önerilmiştir. Bu yöntem ile farklı alıcı ve farklı uyduların ayrı ayrı sözde menzil ve faz gözlemlerinin kullanıldığı denklem setleri oluşturularak, anlık düşük gürültülü ETEİ kestirimleri, uydu yanlılıkları ve diferansiyel alıcı yanlılıkları kestirimleri yapılabilmektedir. Dünyanın farklı enlem bölgelerindeki alıcılar, farklı uydular ve iyonkürenin pozitif ve negatif bozulmalı ve sakin günleri için yöntem test edilmiştir. Yapılan kestirimlerde elde edilen ETEİ sonuçları IONOLAB-STEC yöntemi ile hesaplanan ETEİ sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Bu yöntem ile karşılaştırıldığında sonuçların genel TEİ görünüşüne uygun olduğu gösterilmiştir. İki yöntem arasındaki farkların, dayanak noktalarının farklı olmasından kaynaklandığı değerlendirilmiştir. Bu tezde geliştirilen bu yeni yöntem ile L5 frekansındaki YKS sinyallerinin kullanımı ile ETEİ kestirim çalışmalarına yeni bir bakış açısı getirilmiştir, buna ek olarak L5 frekansında uydu yanlılıkları ve L1-L2, L1-L5, L2-L5 frekanslarındaki sinyaller için diferansiyel alıcı yanlılıkları da kestirilmiştir.
Gelecek nesil haberleşme sistemlerinde insansız hava araçları için kaynak yönetim teknikleri
İnsansız hava araçlarının uçan baz istasyonları olarak 5G ve ötesi ağlarda kullanımı, yersel haberleşme ağının karşılaştığı bazı sorunlara ümit vaadeden bir çözüm olarak ortaya çıkmıştır. Bu sorunların arasında, kör nokta, kapsama alanı dışında kalma, düşük servis kalitesi ve sürdürülebilir hizmet sayılabilir. İnsansız hava araçlarının yüksek hareketlilikleri, değişken yükseklikleri ve kolay kurulumları sayesinde, bu sorunlarla baş edebileceği öngörülmektedir. Özellikle, yüksek görüş hattı (line-of-sight, LoS) bağlantısı ihtimali sayesinde, bu araçlar hizmet talebi olan bölgelerde, yüksek veri hızı, yüksek güvenilirlik ve düşük gecikme gibi hizmetleri yerine getirerek sürdürülebilir kapsamayı sağlaması beklenmektedir. İHA haberleşmesinin bu avantajlarına rağmen, düşük uçuş süreleri, eniyi üç boyutlu konuşlandırma, rota planlama ve enerji verimliliği gibi araştırılmayı bekleyen sorunları mevcuttur. Bu tezin ana amacı, bu sorunlara çözüm bulmak adına, İHA haberleşmesinde, kaynak yönetim tekniklerinin incelenmesidir. Kaynak yönetimi konusu, uçan erişim noktasının (UxNB) görevini gerçekleştirirken uçmak ve haberleşmek için tükettiği kaynakların eniyilemesini ele alır. Böylelikle, bu tez çalışmasında bilinen literatürün aksine, düşük uçuş süresi, rota planı, eniyi üç boyutlu konuşlandırma, artağ sorunu ve başarım analizine yeni bir bakış açısı getirilmektedir. İlk olarak, döner kanatlı bir İHA'nın uçmak için harcadığı gücün, momentum ve pala eleman teorileri kullanılarak matematiksel analizi yapılmaktadır. Burada elde edilen sonuçlar, uçmak için harcanan gücün haberleşmek için harcanan gücün yüzlerce kat üzerinde olduğunu göstermektedir. Dolayısıyla, uçuş dinamiklerinin de haberleşme problemlerine dahil edilmesi gerekmektedir. Tek ve çok sayıda İHA için enerji verimli 3B konuşlandırma problemi farklı içeriklerde farklı bölümlerde ele alınmaktadır. Öncelikle, tek UxNB'nin konuşlandırılması, uçuş dinamikleri ve kullanıcıların hizmet kalitesi kısıtları altındaki bir haberleşme senaryosunda incelenmektedir. Sonrasında, çoklu İHA baz istasyonlarının oluşturduğu ağın çalışma süresini ve kapsama alanı yoğunluğunun enbüyütüldüğü bir doğal afet senaryosunda daire paketleme teorisinden faydalanılmıştır. Bunun yanında, farklı İHA tipleri ile oluşturulan havasal haberleşme ağının başarım analizi yapılmaktadır. İHA tipine özgü konuşlandırma problemlerinin çözümü için, K-means kümeleme ve DC programlama kullanılarak eniyiye yakın sonuç veren bir algoritma önerilmektedir ve bu algoritmanın yardımıyla detaylı bir karşılaştırma çevçevesi sunulmaktadır. Bilindiği kadarıyla burada yapılan kapsamlı çalışma İHA haberleşmesi alanı için ilktir. Akıllı şehir uygulamalarından olan akıllı ulaşım sistemlerinde İHA baz istasyonlarının kullanılması fikri literatürde daha önce ortaya atılmışsa da ilk kez bu çalışmada, bir V2X haberleşme senaryosunda uçan yol kenarı birimi olarak kullanımı gerçekleştirilmiştir. Gecikme süresi ve artağ kısıtının olduğu bir haberleşme senaryosunda, UxNB, uçan yol kenarı birimi olarak araçtan altyapıya bağlantısını kurmaktadır. Eğer İHA'lar ağdaki veri hızını arttırmak için kullanılacaksa, ağın artağ kapasitesi önemli bir sınır teşkil etmektedir. Bu sorunun araştırılması adına, tezde, yükseltilmiş mobil genişbant haberleşme senaryosunda enerji verimli konuşlandırma problemi ele alınmaktadır. Bu problemin maliyet işlevinin analitik olarak tek modlu olduğu gösterilerek buluşsal bir algoritma çözümü elde etmek adına sunulmaktadır. Uçan baz istasyonu olarak çalışacak olan İHA'lar, 5G teknolojisindeki yenilikçi yaklaşımlardan birini olarak ortaya çıkmaktadır. Bununla birlikte, bir UxNB ağı, ağ dilimleme işlemini de uygulayabilmelidir. Tezin son bölümünde, farklı hizmet talepleri olan kullanıcıların bulunduğu bir haberleşme senaryosu ele alınmaktadır. UxNB'nin harcadığı toplam gücü enküçültmek isteyen stokastik zaman ortalamalı bir problem önerilmektedir. Önerilen problemde, dilimlerden birinde ultra güvenli düşük gecikmeli haberleşme talep eden kullanıcıların olduğu ve diğerinde yüksek veri hızı talep eden kullanıcıların olduğu iki ağ dilimi bulunmaktadır. Bu senaryoda, dinamik radyo kaynak tahsisinin ve UxNB'nin rota planının ortaklaşa yapıldığı yinelemeli bir algoritma önerilmektedir. Özetle, bu tezde elde edilen analitik ve nümerik bulgular, gelecekte, kablosuz haberleşmede önemli bir yere sahip olacak insansız hava araçları ile oluşturulan yersel olmayan ağların tasarımında ve uygulama alanları hakkında genel bir çerçeve oluşturmaktadır.
Gelecek nesil haberleşme sistemlerinde insansız hava araçları için kaynak yönetim teknikleri
İnsansız hava araçlarının uçan baz istasyonları olarak 5G ve ötesi ağlarda kullanımı, yersel haberleşme ağının karşılaştığı bazı sorunlara ümit vaadeden bir çözüm olarak ortaya çıkmıştır. Bu sorunların arasında, kör nokta, kapsama alanı dışında kalma, düşük servis kalitesi ve sürdürülebilir hizmet sayılabilir. İnsansız hava araçlarının yüksek hareketlilikleri, değişken yükseklikleri ve kolay kurulumları sayesinde, bu sorunlarla baş edebileceği öngörülmektedir. Özellikle, yüksek görüş hattı (line-of-sight, LoS) bağlantısı ihtimali sayesinde, bu araçlar hizmet talebi olan bölgelerde, yüksek veri hızı, yüksek güvenilirlik ve düşük gecikme gibi hizmetleri yerine getirerek sürdürülebilir kapsamayı sağlaması beklenmektedir. İHA haberleşmesinin bu avantajlarına rağmen, düşük uçuş süreleri, eniyi üç boyutlu konuşlandırma, rota planlama ve enerji verimliliği gibi araştırılmayı bekleyen sorunları mevcuttur. Bu tezin ana amacı, bu sorunlara çözüm bulmak adına, İHA haberleşmesinde, kaynak yönetim tekniklerinin incelenmesidir. Kaynak yönetimi konusu, uçan erişim noktasının (UxNB) görevini gerçekleştirirken uçmak ve haberleşmek için tükettiği kaynakların eniyilemesini ele alır. Böylelikle, bu tez çalışmasında bilinen literatürün aksine, düşük uçuş süresi, rota planı, eniyi üç boyutlu konuşlandırma, artağ sorunu ve başarım analizine yeni bir bakış açısı getirilmektedir. İlk olarak, döner kanatlı bir İHA'nın uçmak için harcadığı gücün, momentum ve pala eleman teorileri kullanılarak matematiksel analizi yapılmaktadır. Burada elde edilen sonuçlar, uçmak için harcanan gücün haberleşmek için harcanan gücün yüzlerce kat üzerinde olduğunu göstermektedir. Dolayısıyla, uçuş dinamiklerinin de haberleşme problemlerine dahil edilmesi gerekmektedir. Tek ve çok sayıda İHA için enerji verimli 3B konuşlandırma problemi farklı içeriklerde farklı bölümlerde ele alınmaktadır. Öncelikle, tek UxNB'nin konuşlandırılması, uçuş dinamikleri ve kullanıcıların hizmet kalitesi kısıtları altındaki bir haberleşme senaryosunda incelenmektedir. Sonrasında, çoklu İHA baz istasyonlarının oluşturduğu ağın çalışma süresini ve kapsama alanı yoğunluğunun enbüyütüldüğü bir doğal afet senaryosunda daire paketleme teorisinden faydalanılmıştır. Bunun yanında, farklı İHA tipleri ile oluşturulan havasal haberleşme ağının başarım analizi yapılmaktadır. İHA tipine özgü konuşlandırma problemlerinin çözümü için, K-means kümeleme ve DC programlama kullanılarak eniyiye yakın sonuç veren bir algoritma önerilmektedir ve bu algoritmanın yardımıyla detaylı bir karşılaştırma çevçevesi sunulmaktadır. Bilindiği kadarıyla burada yapılan kapsamlı çalışma İHA haberleşmesi alanı için ilktir. Akıllı şehir uygulamalarından olan akıllı ulaşım sistemlerinde İHA baz istasyonlarının kullanılması fikri literatürde daha önce ortaya atılmışsa da ilk kez bu çalışmada, bir V2X haberleşme senaryosunda uçan yol kenarı birimi olarak kullanımı gerçekleştirilmiştir. Gecikme süresi ve artağ kısıtının olduğu bir haberleşme senaryosunda, UxNB, uçan yol kenarı birimi olarak araçtan altyapıya bağlantısını kurmaktadır. Eğer İHA'lar ağdaki veri hızını arttırmak için kullanılacaksa, ağın artağ kapasitesi önemli bir sınır teşkil etmektedir. Bu sorunun araştırılması adına, tezde, yükseltilmiş mobil genişbant haberleşme senaryosunda enerji verimli konuşlandırma problemi ele alınmaktadır. Bu problemin maliyet işlevinin analitik olarak tek modlu olduğu gösterilerek buluşsal bir algoritma çözümü elde etmek adına sunulmaktadır. Uçan baz istasyonu olarak çalışacak olan İHA'lar, 5G teknolojisindeki yenilikçi yaklaşımlardan birini olarak ortaya çıkmaktadır. Bununla birlikte, bir UxNB ağı, ağ dilimleme işlemini de uygulayabilmelidir. Tezin son bölümünde, farklı hizmet talepleri olan kullanıcıların bulunduğu bir haberleşme senaryosu ele alınmaktadır. UxNB'nin harcadığı toplam gücü enküçültmek isteyen stokastik zaman ortalamalı bir problem önerilmektedir. Önerilen problemde, dilimlerden birinde ultra güvenli düşük gecikmeli haberleşme talep eden kullanıcıların olduğu ve diğerinde yüksek veri hızı talep eden kullanıcıların olduğu iki ağ dilimi bulunmaktadır. Bu senaryoda, dinamik radyo kaynak tahsisinin ve UxNB'nin rota planının ortaklaşa yapıldığı yinelemeli bir algoritma önerilmektedir. Özetle, bu tezde elde edilen analitik ve nümerik bulgular, gelecekte, kablosuz haberleşmede önemli bir yere sahip olacak insansız hava araçları ile oluşturulan yersel olmayan ağların tasarımında ve uygulama alanları hakkında genel bir çerçeve oluşturmaktadır.
Dynamic radio resource management for radio access networks by using machine learning techniques
In the next generation networks era, telecommunication area will serve any device that would leverage from being connected to environment such as household appliances, massive industrial machines, remote surgery robot, automated vehicles, etc.. Hence, the spectrum that has been used up until now, gets more crowded and not suficient to serve all these requests. In LTE which is current communication technology uses the 700 MHz - 2.7 GHz range of the spectrum where in 5G networks, 450 MHz - 6 GHz domain and 24.25 GHz - 52.6 GHz range frequencies is planned to use. In this thesis, radio admission and resource allocation process in the downlink channel of a next generation network is discussed. With the vertical industries' needs from the 5G networks, supporting all mobile service users who have different Quality of Service (QoS) requirements becomes the main challenge. To manage and satisfy the heterogeneous requirements, splitting the network into slices which have different properties (e.g., bandwidth requirements, delay tolerance, user density, etc.) can be a solution over a common physical infrastructure. Network slicing concept allows to manage and schedule the requests under the constraint of limited resources in an optimal way. The expected behavior from the admission mechanism to learn to serve the user requests which have low latency requirement with high priority. While the network is admitting these high priority users and allocate them required resources, it must provide the maximum spectrum efficiency. The problem is set on a single-cell scenario. Deep Q-learning algorithm is used as a solver to tackle this highly complex radio resource management problem instead of traditional convolutional optimization algorithms.
Makine öğrenmesi yöntemleri ile imha değerlendirme
İmha değerlendirme başlatılan bir angajman sonucunda ilgili tehdidin vurulup -vurulmadığı kararının verilebilmesi, başlatılan angajmanın başarılı olup olmadığının değerlendirilmesidir. Tehdit için belirtilen imha edildi-edilmedi bilgisi hem kullanıcı dikkatinin hem maliyetlerin hem de angajmanın doğru yönetilmesi için kritik önem ifade etmektedir. Bu tespit artık insan gözüyle yapılabilecek menzillerden ve büyüklüklerden çok uzaktır. İmha değerlendirmesinde, makine öğrenmesi ve derin öğrenme tekniklerinin kullanılmasıyla karar alma sürecinde kararlarının insan müdahalesinden bağımsız olarak verilmesi ve böylece hataların ve kaynak israflarının azaltılması hedeflenmektedir. İmha değerlendirmesinin makine öğrenmesi ve derin öğrenme algoritmaları ile yapılmasına dair gerçekleştirilen bu çalışmada, gerçek dünyaya ait radar verilerine sahip olunmaması nedeniyle radar sinyallerini sentetik veri olarak üreten ve imha-ıskalama gibi fiziksel olayları simüle eden bir simülatör geliştirilmiştir. Ham radar verilerinin gürültüye ve aşırı uyumlamaya açık olması, eğitim sürecinde donanımın yetersiz kalması ve eğitim süresinin uzun sürmesi gibi dezavantajlar nedeniyle sınıflandırma algoritmalarına girdi olarak kullanımı uygun bulunmamıştır. Bu nedenle sentetik ham radar sinyallerinden öznitelik çıkarım işlemleri yapılarak algoritmalara bu öznitelikler girdi olarak sağlanmıştır. Bu öznitelik tipleri noksansız öznitelik seti, noksan öznitelik seti ve belirsizlik analizi öznitelik seti olmak üzere üçe ayrılmaktadır. İmha değerlendirme işlemi Vurulma Öncesi, Iskalama ve İmha olmak üzere farklı durumları belirten bu üç sınıfa ayrılarak ifade edilmiştir. İmha durumu doğası gereği anlık ya da milisaniyeler mertebesinde gerçekleşen bir olaydır. Bu nedenle sınıflara ait veri setindeki denge gözetildiğinde vurulma öncesi anına ya da ıskalama anına ait veri yoğunluğu imha anına ait veri ile kıyaslandığında çok daha fazla olmaktadır. Bu sebeple sınıf dengesini sağlayan çeşitli yöntemler araştırılarak sınıf dengesinin sağlandığı öznitelik setleri ile eğitim işlemi gerçekleştirilmiştir. Sınıf dengesini sağlamak için SMOTE, ROS, RUS, Yakındakini Atma, SMOTE-ENN, SMOTE-TOMEK yöntemleri kullanılmıştır. Dengesiz ve dengeli hale getirilen veri setleri sırası ile girdi olarak kullanılarak imha değerlendirme algoritmaları test edilmiştir. Makine öğrenmesi algoritmalarından ada artırım, gradyan artırım, karar ağacı, rastgele orman, destek vektör makineleri, çok katmanlı algılayıcı, derin öğrenme algoritmalarından ise sinir ağları ve LSTM kullanılarak doğru bir imha kararının verilmesinde performans ve doğruluk açısından hangi yöntemin daha doğru ve en iyi çalıştığı kıyaslanarak saptanmıştır. Performans analizlerine bakıldığında üç ayrı öznitelik seti için de ROS uygulanmış öznitelik setinin girdi olduğu rastgele orman algoritmasının %99 üzerinde doğruluk oranı ile en iyi sınıflandırmayı gerçekleştirdiği sonucuna varılmıştır. Sınıf dengesinin sağlanıyor olmasının tüm sınıflandırma algoritmalarında performansı artıran bir unsur olduğu görülmüştür. Bu tez sonucunda yapay zekâ algoritmaları ile radar sinyalleri üzerinden çıkarılan öznitelikler kullanılarak başarılı bir şekilde imha değerlendirme yapılabileceği sonucuna ulaşılmıştır.
Zaman frekans analiz yöntemleri ile imha değerlendirme
İmha değerlendirme, bir savunma sisteminde tehdidin mühimmat tarafından önlenmesinin başarı veya başarısızlığını değerlendiren, sonraki işlemler için temel sağlayan bir karar, bir yetenektir. Değerlendirmenin en önemli amacı bir tehdidin yok edilmesi için ateşlenecek olan füze sayısını azaltarak savunma sistemlerinin maliyetlerini azaltmaktır. Yakın menzillerde aynı amaçla kullanılmak üzere bir imha değerlendirme ihtiyacı uzun menzillere göre çok daha azdır. Çünkü bu değerlendirme operatör veya ilgili kişiler tarafından manuel yapılabilmektedir. Uzun menzillerde ise imha veya ıskalama noktasının gözetleme noktasından çok uzakta olması değerlendirmenin yapılabilmesi için ayrı bir algoritmaya ihtiyaç duyulmasına sebep olmaktadır. Çalışmada gerekli analizin girdisi olarak radar verisi kullanılmasına karar verilmiş ve literatürde imha anına ait radar verisine ulaşılamadığından çalışmaya, farklı ıskalama ve imha senaryoları özelinde yapay radar verisi üreten bir simülatör tasarımı ile başlanmıştır. Hava hedeflerinin hem mesafe hem de hızlarının tespit edilebilmesi için birincil radarlardan darbe-Doppler radar tipli arama radarları esas alınmıştır. Menzil çözünürlük performans artırımı için darbe sıkıştırma yöntemleri karşılaştırılmış, avantaj dezavantajları değerlendirilerek lineer frekans modülasyonlu darbe sıkıştırma yönteminde karar kılınmıştır. Simülatörde kullanılan teknik verilerde LockHeed Martin'in RRP-117 radarı referans alınmıştır. Simülatör çıktısı yapay radar verilerinin işlenmesi için öncelikle bazı zaman frekans analiz yöntemleri çözünürlük, hesaplama hızı gibi parametrelere dayandırılarak karşılaştırılmıştır. Belirsizlik analizinin, favori zaman frekans yöntemi seçilen Wigner Ville dağılımı ile olan benzerliği vurgulanarak literatürdeki çalışmaları özetlenmiştir. Uyumlu filtre, Wigner Ville dağılımı ve belirsizlik analizi yöntemleri örnek hedef sinyalleri üretilerek sinyal işleme yöntemleri karşılaştırılmıştır. İşleme sonucu hedeflere ait radar tarafından tespit edilen gecikme ve Doppler frekanslarına, dolayısıyla da menzil ve hız değerlerine ulaşılması hedeflenmiştir. Hareketli hedef varlığında uyumlu filtre çıkışındaki bozulmalar, Wigner Ville kullanımında karşılaşılan girişimler ve girişimlerin engellenmesi için kullanılan filtrelemenin neden olduğu çözünürlük performans kayıpları sebepleri ile bu çalışmada radar belirsizlik analizi kullanılması kararı alınmıştır. Eşiklemenin uyarlanabilir olması için belirsizlik fonksiyon çıktılarına CFAR algoritması uygulanmış ve bu çıktılara öznitelik çıkarma algoritmaları uygulanarak senaryolar bazında öznitelik matrisleri çıkarılmıştır. İmha değerlendirmenin yapılabilmesi için öznitelik matrisleri kullanılarak analiz grafikleri gürültüsüz ve gürültülü ortam varsayımları ile çizdirilmiş ve performans tablolarında tespit oranı ve doğruluk parametreleri göz önünde bulundurularak yorumlanmıştır. Ayrıca bu öznitelik matrisleri makine öğrenmesi ve derin öğrenme yöntemleriyle imha değerlendirme kararının verilebilmesi için \cite{Goren2022} tezine girdi olarak verilmiştir. Analiz grafikleri hedeflerin radar dönüşlerine ait yansımalarının gecikme ve Doppler frekansı alanında gösterimlerini sağlamış ve imha/ıskalama senaryolarına ait bazı varsayımlarda bulunabilmeyi olası kılmıştır. Örneğin aynı Doppler değerinde, gecikme değeri değişen yansımaların menzili değişen tek bir hedefe ait olabileceği, iki farklı Doppler değerinde gecikme değerleri arasındaki farkın azaldığı yansımaların ise birbirine yakınlaşan iki hedef olabileceği çıkarımı yapılmıştır. Birbirine yaklaştığı tahmin edilen iki farklı hedefin gecikmeleri arasındaki farkın minimum olduğu noktadan sonraki davranışın ise senaryonun ıskalama mı imha mı olduğuna dair bir fikir verebileceği değerlendirilmiştir. Örneğin bu noktadan sonra mevcut Doppler değerlerinin değişmeden gecikme değer farklarının büyümesinin bir ıskalama senaryosu olabileceği düşünülmüştür. Ya da bu noktadan sonra Doppler ve gecikme değerlerinin ilk durumdan farklı, tespit edilen hedef sayısının beklenenden fazla olmasının ise bir imha senaryosunun sonucu olabileceği değerlendirilmiştir. Gürültüsüz ortam varsayımlarında yalnızca analizden doğan hataların vurgulanması sağlanmış, gürültülü ortam varsayımlarında da öncelikle farklı anten kazançlarının yani dolaylı yoldan SNR değerinin analize etkisi, daha sonra da farklı yanlış alarm oranı için uygulanan CFAR uygulaması sebebiyle eşiklemenin analiz üzerine etkisi karşılaştırılarak yorumlanmıştır. Bu şekilde uygun bir yanlış alarm oranı seçimi ile radar sinyallerden çıkarılan analiz grafikleri ile imha değerlendirmenin yapılabileceği sonucuna varılmıştır.
Tam çift yönlü haberleşme sistemleri için analog özgirişim giderme teknikleri
Günümüzde haberleşme sistemlerinin gelişmesi ile birlikte yüksek hızlara ve izgeye duyulan ihtiyaç artmaktadır. Bu ihtiyacı karşılamak amacıyla Tam Çift Yönlü Haberleşme sistemleri üzerine çalışılmaktadır. Tam Çift Yönlü Haberleşme sistemlerinde aynı zaman ve frekansta haberleşme yapıldığı için izge verimliliğini iki kat arttırmaktadır. Fakat, aynı zaman ve freksanta haberleşme yapıldığı için güçlü gönderme sinyali, alma hattını etkilemektedir. Bu etkiye özgirişim adı verilmektedir ve Tam Çift Yönlü Haberleşme yapmaya engel olmaktadır. Sağlıklı bir haberleşme yapılabilmesi için bu özgirişimin giderilmesi gerekmetedir. Bu giderim yapılırken anten, analog ve dijital olmak üzere farklı alanda çalışılmaktadır. Bu tez çalışmasında anten ve analog alanda özgirişim giderimi üzerinde durulmuştur. İlk olarak anten alanında farklı konfigürasyonlar denenmiştir. Burada sağlanan izolasyon ve karakteristik doğrultusunda analog alanda özgirişim giderimi yapılmıştır. Analog özgirişim giderimi yapılırken oluşan özgirişim taklit edilip alma hattından çıkarılmıştır. Analog alandaki çalışmalarda uyarlanır süzgeç alt yapısı kullanılarak ilk olarak teorik olarak özgirişim giderimi üzerine çalışılmış, daha sonra kart tasarıımı yapılarak bu özgirişim giderimi gerçeklenmiştir. Bu karttan alınan izge sonuçlarına göre 10 MHz bant genişliğinde 60 dB'ye yakın özgirişim giderimi sağlanmıştır. Bu yapılan özgirişim gideriminin haberleşme sistemlerine etkisini incelemek amacıyla Hata Vektör Büyüklüğü analizi yapılmıştır. Bu analize göre 0 dBm gönderme yapılırken yapılırken -55 dBm alma duyarlılık performansı ölçülmüştür.