KD kanalında genişbant haberleşme teknikleri
Wideband communication techniques in the HF channel
Yazar: ÖMER ÖZDİL
Danışman: DOÇ. DR. CENK TOKER
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
İyonosfer üzerinde sinyallerin uzun mesafeler katedebilmesi sayesinde, pahalı altyapılara ihtiyaç
duymadan uzun mesafeler arasında iletişim yapılabilmektedir. 3-30 MHz arasında dünya üzerinde çok
uzak iki nokta arasında veri iletimi yapılabilmektedir. Her ne kadar, iyonosfer kendine özgü yapısı
ile, sinyallerin çok uzak noktalara iletimine izin verse de, KD kanalında iletişimin bir çok zorluğu
da vardır. İlk olarak, Kısa Dalga (KD) bandı girişimin yoğun olduğu bir banttır. Amatör radyocular, askeri ve
devlet kurumlarının kullandığı kanallar, KD bandında çalışan radarlar, KD bandında yayın yapan radyo
istasyonları girişime sebep olan yayınlardan bazılarıdır. Bunun yanında, atmosferik gürültünün
gücünün düşük frekanslarda daha yüksek olması, iyonosferin zamanla değişmesi ve buna bağlı olarak
kanalın gün içinde değişmesi gibi nedenler KD bandının kullanımını zorlaştırmaktadır.

Bu zorluklara rağmen iyonosferin yapısını ve hareketlerini anlamaya yönelik çalışmalar hızlanarak
devam etmektedir. Toplam elektron miktarının GPS uyduları ile ölçülmesi çalışmaları, farklı
koordinatlar için yapılan aradeğerleme çalışmaları ve International Reference Ionosphere (IRI) ile
elektron yoğunluğu, elektron sıcaklığı vb. parametrelerin modellenmesi gibi çalışmalar,
iyonosferin farklı konum ve zamanlarda nasıl davranacağını önceden kestirebilmemize imkan
tanımaktadır. İyonosferin yapısı daha iyi anlaşıldıkça da, farklı konum ve zamanlardaki verici-alıcı
çiftleri arasında sinyallerin izlediği yollar da ışın izleme algoritmaları ile kestirilebilmektedir. 

Bu çalışmada, ilk olarak KD bandında genişbant iletişim yaparken veri hızını enbüyültecek bir algoritma
önermekteyiz. Önerdiğimiz algoritma, elektron yoğunluğunu modellemede ve sinyallerin iyonosferde
izleyecekleri yolları hesaplamadaki bilgi ve tecrübe birikiminin üzerine inşa edilmiştir. Önerilen
algoritmada, ışın izleme programlarının çıktıları kullanılarak kanal parametreleri hesaplanacak ve bu kanal
parametrelerine göre kablosuz iletişim sisteminin parametreleri eniyilenecektir. Dikgen Frekans
Bölmeli Çoklama (OFDM), Çok Taşıyıcılı Filtre Bankası (FBMC) ve Filtrelenmiş Çok Ton (FMT) gibi
çoktaşıyıcılı kablosuz iletişim teknikleri için farklı eniyileme algoritmaları tasarlanmıştır.
Algoritma sayesinde, hangi çoktaşıyıcılı sistemin kanalı daha verimli kullanacağı da
belirlenebilecektir. Bunun yanında, altkanallarda kullanılacak modülasyon derinliği, verici gücü,
altkanal sayısı, taşıyıcı frekansı, altkanal bantgenişliği, OFDM için çevrimsel önek sayısı, FMT
için altkanallar arası boşluk değerleri, veri hızını enbüyültecek şekilde belirlenebilecektir.
Ayrıca, algoritmanın önerdiği taşıyıcı frekansları VOACAP programının önerdiği frekanslar ile de kıyaslanmıştır.

Parametre en iyilemesi sonucunda, her kanal için bir çok-taşıyıcılı sistem önerilememektedir. Bazı
durumlarda, verilen kanal parametreleri için kısıtların sağlanması mümkün olmamaktadır. Bu
durumlarda, çok-taşıyıcılı sistemin alıcısının önüne kanal kısaltıcı filtreler yerleştirilmelidir.
Literatürdeki farklı kanal kısaltıcı metotlar incelenmiştir ve bu çalışmada En Büyük Kısaltıcı
Sinyal Gürültü Oranı (MSSNR) metodunun karmaşıklığını azaltacak bir yöntem önerilmiştir. Önerilen
yöntemin En Küçük Ortalama Karesel Hata (MMSE) metodu ile de kullanılabileceği gösterilmiştir ve literatürde önerilen MSSNR yöntemi ile kıyaslaması yapılmıştır.

Abstract:
Because ionosphere allow for the signals to propagate through long distances, very long-distance
communication is possible with relatively cheaper infrastructure. This type of communication allows
is realizable between frequencies 3-30 MHz. Although ionosphere allows this very long-distance type
of communication, communication in the HF band has many difficulties. First, HF bands are very busy
and interference on the HF bands are intense. Amateur radio users, military and government
transmission bands, HF radars and the radio stations on the HF bands are some of the interference
sources. In addition to man-made interference, atmosferic noise being higher on lower frequencies,
ionosphere changing with time and the HF channel changing as a result makes using the HF bands more
difficult.

In spite of all the harshness, research for understading the structure and movements of the
ionosphere is ongoing for a long time. Measuring the total electron content with GPS satellites,
using different interpolation techniques for different coordinates and modelling the electron
densities and electron temperatures with International Reference Ionosphere (IRI) is some of the
work which help us to estimate how the ionosphere will behave in a given coordinate and time. With
all the ongoing research for understanding the ionosphere, it is now possible to estimate the
propagation paths of the signals between transmitter-receiver pairs at the given coordinates and
time.

In this work, first we propose an algorithm which maximizes the bit rate of a given wideband
communication system operating in the HF band. The proposed algorithm is built on the work given in
the literature for estimating the electron densities in the ionosphere and estimating the
propagation path of signals throughout the ionosphere. Algorithm uses the outputs of the ray tracing
programs in order calculate the channel parameters and uses this parameters in order to optimize the
parameters of the wideband communication system. Different optimization algorithms for multicarrier
wireless communication systems like Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM), Filter Bank
Multicarrier (FBMC) and Filtered Multitone (FMT) have been designed. With the help of the algorithm,
it can be found which multicarrier system is more suited to the channel. Also, algorithm gives the
best modulation index in the subchannels, transmitter power, number of subchannels, carrier
frequency, subchannel bandwidth, cyclic prefix for OFDM, subchannel seperation for FMT parameters in
order to maximize the bit rate. Also, the carrier frequencies produced by the algorithm are compared
with the frequencies suggested by the VOACAP program.

The parameter optimization algorithm can not suggest parameters for every channel. In these cases,
the constraints of the multicarrier system can not be satisfied. So, for these cases, channel
shortening filters or channel equalizers should be used before the multicarrier receivers. In this
work, different channel shortening methods have been analyzed and proposed a new technique in order
decrease the compexity of the Maximum Shortening Signal to Noise Ratio (MSSNR) method. It is shown
that, the proposed technique can be used with the Minimum Mean Square Error (MMSE) method, too for
some cases. Lastly, comparisons with the symmetric MSSNR method from literature are given.