AFD anten ile konumsal modülasyon ve fiziksel katmanda güvenli haberleşme yöntemi
Positional modulation with FDA antenna and secure communication method on physical layer
Yazar: AHMET AKKOÇ
Danışman: PROF. DR. ERKAN AFACAN ; PROF. DR. ERDEM YAZGAN
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Anten = Antenna ; Anten dizileri = Antenna arrays ; Modülasyon = Modulation ; Radar sistemleri = Radar systems

Özet:
Ayrık Frekanslı Dizi (AFD) antenler ortaya çıktıkları günden bu yana mesafe-açı-zaman bağımlı ve otomatik tarama yapan kendine özgü ışıma karakteristikleri ile dikkat çekmektedirler.  Özellikle mesafeye bağlı hüzme yapısı radar, haberleşme, seyrüsefer ve güdüm gibi birçok uygulama alanında yeni imkân ve kabiliyetler sunmaktadırlar.  Bu bağlamda, birçok araştırmacı tarafından zaman modülasyonlu frekans kayması tekniği ile zamanla değişmeyen sabit konumlu hüzme elde eden çalışmalar gerçekleştirilmiştir. Ancak yakın zamanda literatürdeki bu çalışmaların teorik olarak hatalı olduğu, zaman modülasyonu kullanarak zamanla değişmeyen sabit konumlu hüzme yapısının oluşturulamayacağı ortaya konmuştur. Böylece bu tekniğe dayanan fiziksel katmanda güvenli haberleşme yöntemi çalışmaları da yanlışlanmıştır. Bunun başlıca sebebi, bağımsız bir parametre olan zamana bağlı olarak ilerleyen elektromanyetik dalgaya, yayınlandıktan sonra müdahale edilememesi, yani herhangi bir parametresinin değiştirilememesidir. Ancak bağımsız zaman parametresinin alıcı sistemlerde kontrolü mümkündür. Zira gelen dalganın ne zaman ve hangi parametrelerle alınacağı, alıcı tarafından kontrol edilebilir bir husustur. Buradan hareketle, bu tez çalışmasında uzayda üç boyutlu olarak tanımlanan sabit bir noktadan, güvenli veri alınmasına imkân veren bir haberleşme yöntemi geliştirilmiştir. Bu yöntemle sadece istenilen noktadan gelen veriler düzgün bir şekilde alınabilir iken bunun dışında başka herhangi bir noktadan gelen ve karıştırıcı/aldatıcı nitelikteki veriler alınmamaktadır. Böylece iki nokta arasında alıcı bakımından fiziksel katmanda güvenli bir haberleşme tesis edilmiş olmaktadır. Bu kapsamda, bu çalışmada, üç boyutlu noktasal hüzme oluşturabilen Diskular AFD anten geometrisi, Konumsal Modülasyon (KoM) yöntemi ve Sıralı Çok Taşıyıcılı Alıcı AFD (SÇTA-AFD) Anten Sistemi özgün olarak geliştirilmiş ve önerilmiştir. Önerilen bu güvenli haberleşme tekniği ile ilgili bit hata oranı, güvenli bölge, gizlilik kapasitesi gibi performans parametreleri ortaya konmuş ve bunlar için gerekli olan optimizasyon çalışması gerçekleştirilmiştir.

Abstract:
Frequency Diverse Array (FDA) antennas have drawn substantial attention because of their unique range-angle-time dependent and automatic-scanning beam pattern. In particular, the range-dependent beam pattern offers new possibilities and capabilities in many application areas such as radar, communication, navigation and guidance. In this context so far, many studies have been realized to obtain a time-invariant range-focused beam pattern by using time-modulated frequency shift technique. However, it has recently been revealed that these studies in the literature are theoretically erroneous such that a time-invariant range-focusing beam pattern cannot be obtained by using time modulation. Thus, the studies which proposed secure communication methods in the physical layer based on this method have been falsified. This is because, the electromagnetic wave propagates with time and the parameters of the electromagnetic wave cannot be changed after it is broadcast to air. On the other hand, it is possible to control the independent time parameter in a receiving system. Since the acquisition time and the relevant parameters are directly controllable by the receiver system. Therefore, based on this idea, a communication method that provides secure data reception from a three-dimensionally defined point in the space has been developed. By this method, a receiver accepts the data only from the transmitter that is located in the desired position. Thus any other interfering or deceptive data coming from another location is eliminated. Hence, a secure communication on the physical layer is established between two points. In summary, in this study, the Discular AFD antenna geometry, Positional Modulation (PoM) technique and Sequential Multi-Carrier Receiver FDA (SMCR-FDA) antenna system, which can create a three-dimensional focusing beam, have been developed and proposed. The performance parameters of the proposed method such as bit error rate, secure region, and secrecy capacity have also been calculated and the necessary optimization studies have been realized.