Hücresel haberleşme sistemlerinde İHA haberleşme kanal modellerinin incelenmesi
Investigation of UAV communication channel models in cellular communication systems
Yazar: EDİZ NAZMİ ORHAN
Danışman: PROF. DR. CENK TOKER
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
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.

Abstract:
There are a number of challenges involved in establishing air corridors for flight routes and integrating unmanned aerial vehicles into an automated system that will not pose a threat to the society. The primary objective of this thesis study is to examine the received power and coverage area provided by ground-based base stations up to heights of 120 meters for UAV applications. Therefore, how we will communicate with unmanned aerial vehicles is one of the most crucial factors to take into account. Among the research topics are the usefulness of terrestrial communication systems for drone communication, the received signal power values, and the sufficiency of coverage at various altitudes.
Due to the dynamic nature of Unmanned Aerial Vehicles, the main goal in this study is to create a physical channel model between the base stations we use in terrestrial communication systems and Unmanned Aerial Vehicles for different scenarios. In order to model the air coverage that will be affecting the low-altitude unmanned aerial vehicles for next-generation communication systems, the features such as path losses and probabilities of the multi-path signals that undergo different interactions were examined by using realistic approaches while modelling the physical channel in different scenarios. The objective is to arrive at a conclusion within acceptable errors. Due to that, a simulation model of a terrestrial base station consisting of three sectors is prepared on a Manhattan-grid city model, which is generated according to different statistical parameters. Three-dimensional ray tracing method was used for different altitudes and buildings.
In addition, field studies are carried out for 3 different altitudes in a rural area with multiple base stations. This field is modeled in the MATLAB environment. The missing information during the modelling is completed according to the ITU-R recommendations and a mathematical path-loss model is created. By comparing the simulation data and measurement data in terms of RSRP RSRQ, the validity of the model is determined with acceptable mean average error. Frequency transitions between two cells were also evaluated. Considering the electromagnetic properties of the vegetation, the excessive attenuation due to vegetation is modeled within the ground reflected signals. The thesis work investigation of uav communication channel models in cellular communication systems is concluded by making additions to the two-ray model.