Uydu haberleşme linklerinde kanal kapasitesinin maksimizasyonu
Maximization of the channel capacity of satellite communications links
Yazar: AHMET KASAPÇOPUR
Danışman: PROF. DR. MURAT TAYFUN GÜNEL
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Telekomünikasyon Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Uydu haberleşme ağları, insanların ses, data, yayıncılık gibi haberleşme ihtiyacının karşılanmasında en yaygın yollardan biridir. Uydular sayesinde dünya üzerinde bir çok nokta ile güvenilir iletişim imkanı sağlanılabilir. Gittikçe fazlalaşan veri ihtiyacından dolayı, uydu haberleşme sistemlerinde daha fazla kanal kapasite ihtiyacı oluşmuştur. Bu sebepten dolayı da sınırlı frekans spektrumuna sahip Ku ve Ka Bandın yanı sıra daha yüksek frekans bandları olan Q/V (33-75 GHz) bandına da ulaşma çalışmaları başlatılmıştır. Ayrıca, artan iletişim ihtiyacı talebiyle jeosenkron yörüngeki uydu fazlalığından kaynaklanan yoğun girişim ortamları da oluşmuştur. Tasarım mühendisleri, yaptıkları kanal kapasitesi çalışmalarında bu etkenleri de hesaba katmaktadır. Sağlıklı bir haberleşme için kanal kapasitesinin yeteri kadar iyi olması gerekmektedir.
Bu tez çalışmasında, kanal kapasitesini etkileyen faktörlerden olan yakın uydulardan gelen girişim etkileri, farklı frekans band kullanımına bağlı atmosferik olaylardan etkilenme gibi etmenler göz önüne alınarak uydu haberleşme linklerinde kanal kapasitesi maksimizasyonu ele alınmıştır. İlk olarak, çalışmada bahsedilen temel kavramlar detaylı bir şekilde incelenmiştir. Ardından, bir uydudan gelen girişim durumunda kanal kapasite hesabı yapılmış ve farklı lokasyonlar için karşılaştırmalar verilmiştir. Daha sonra, iki uydudan gelen girişim durumunda kanal kapasite hesabı yapılmış ve farklı lokasyonlar için karşılaştırmalar sunulmuştur. Yapılan çalışmalar, Ku-Band (D/L 11-12 GHz) ve Ka-Band (D/L 18-20 GHz) frekanslarında çalışan sistemlerin ITU (International Telecommunication Union) tavsiyeleri temel alınarak başka parametrelerin (yakın uydu açıklıkları, yakın uydulardan alınan girişim seviyeleri, vb.) de hesaba katılmasıyla kanal kapasitesinin hesaplanması olarak verilmiştir. Çalışmanın son aşamasında ise, ilgili parametrelerin optimimum değerlerine ulaşılabilmesi amacıyla temel optimizasyon yöntemi olan Genetik Algoritma (GA) yönteminin bir türü olan Sürekli Parametreli Genetik Algoritma (SPGA) optimizasyon yöntemi kullanılmıştır. Bu optimizasyon yönteminden önce, genetik bilimi temelli SPGA detaylı anlatılmış ve neden seçildiği açıklanmıştır.
Bu çalışmada, analizleri daha detaylı yapabilmek adına MATLAB üzerinde kullanıcı dostu iki arayüz geliştirilmiştir. Arayüzlerden biri, her bir lokasyon için ayrı ayrı ilgili parametre değerleri ile kanal kapasite hesabı yapılmasına olanak vermektedir. Diğer arayüz ise, belirli bir bölge için ( bu çalışmada Türkiye ve yakın çevresi seçilmiştir.) ilgili parametreler ile SPGA kullanarak kanal kapasitesini maksimize edilmesine olanak vermektedir. Yapılan arayüz sayesinde farklı parametre değerleri için farklı senaryo sonuçları da çalışmada verilmiştir.

Abstract:
Satellite communication networks are one of the most common ways for people needs such as voice, data and broadcasting. Reliable communication can be provided by satellites with many points on the world. Moreover, more capacity has been required on satellite communication systems due to the increasing need for data. For this reason, in addition to the Ku and Ka Band which have limited frequency spectrum, it has been started to reach the higher frequency bands, the Q / V (33-75 GHz) band. Furthermore, with the increasing communication needs, many interference situations have also occurred due to the excess of satellites in geosynchronous orbit. Design engineers take these factors into account for their channel capacity studies. For adequate satellite communication link, the channel capacity shall be efficient.
In this thesis, maximization of a channel capacity on satellite communication links are emphasized like distinct factors affecting channel capacity such as the effects of interference from adjacent satellites, and atmospheric attenuations depends on the different frequency band usage.
Firstly, fundamental terms are explained thoroughly in the study. These terms include satellite communication, frequency bands, polarization, cross-polarization, interference, rain attenuation, 0ºC isotherm height, carrier-to-noise ratio, interference-to-noise ratio, and channel capacity. In the satellite communication part, it is mentioned that how uplink/downlink chain is occured and what uplink/downlink equipments are. In the frequency bands part, frequency bands and their areas of usage are explained in detail such as X-Band for military, Ku-Band for broadcasting in generally, etc. In polarization part, lineer, circular and eliptic polarizations are mentioned. In cross-polarization part, cross-polarization isolation and cross-polarization discrimination are addressed. Also, in the following section, it is pointed out that how the cross-polarization discrimination is affected by depolarization of rain and ice crystals.
Later on, classification of interference is indicated in interference part. In rain attenuation part, it is mentioned that what the rain attenuation is and some maps about mean annual rain attenuation on the world and Turkey is depicted, individually. In the 0ºC isotherm height part, it is explained that what 0ºC isotherm height is and some maps about mean annual 0ºC isotherm height on the world and Turkey are given, seperately. In carrier-to-noise ratio and interference-to-noise ratio part, the terms related to carrier-to-noise-plus-interference ratio are described extendedly. The last section of the first part, it is quoted about channel capacity.
Secondly, in case of interference from one satellite, channel capacity is calculated, and also channel capacity comparisons for different locations are elucidated. Afterward, in case of interference from two satellite, the aforementioned procedure is followed. Channel capacity is calculated based on the ITU (International Telecommunication Union) recommendations regarding the parameters such as angular separation of satellites, interference level from adjacent satellites, rain attenuation level from adjacent satellites, carrier-to-noise ratio, the latitude of an earth station, the longitude of an earth station, polarization, the latitude of desired satellite, frequency, especially Ku-Band (D/L 11-12 GHz) and Ka-Band (D/L 18-20 GHz). Then, for every location, the graph of the channel capacity depending on p, the graph of how the CNIDR changed according to the position of the adjacent satellite, and the graph of how the channel capacity changed according to the position of the adjacent satellite are shown comparatively. Additionally, CNIDR and channel capacity maps (2D and 3D) of Turkey and its immediate surroundings are demonstrated.
In the last part of the study, the Continuous Parameter Genetic Algorithm (SPGA) optimization method, which is a type of the Genetic Algorithm (GA) is implemented in order to reach the optimum values of the relevant parameters. Before this optimization method, the genetic science-based SPGA and the reason why it is chosen for this study is implied elaborately. At this stage, the following fundamental terms such as gene, chromosome, population, defining cost function, cost and variables, precision, bounds, initial population, natural selection, pairing, mating, mutations, the next generation and convergence check are mentioned. Afterward, SPGA optimization is calculated in the geographical location ranges where Turkey and its immediate surroundings are located. This range is 33º - 45º north latitude in latitude, 23º - 45º east longitude in longitude. For this reason, calculations are made based on the TÜRKSAT satellites that are in use and which are the rights of Turkey in the area of used satellite latitudes. Turkey has the right to use the TÜRKSAT-5A satellite in 31 ºE orbit, the TÜRKSAT-3A and TÜRKSAT-4A satellites in the 42 ºE orbit and the TÜRKSAT-4B satellite in the 50 ºE orbit. Likewise, the CNR range is calculated 20 to 40 dB, angular separation of satellites are calculated 1.5º to 8º, and interference level from 1 º adjacent satellite is calculated -5 to 25 dB.
In the study, two user-friendly interfaces are also developed on MATLAB to make the analyzes in more detail. One of the interfaces allows channel capacity calculation with the relevant parameter values for any location. The other interface enables maximizing the channel capacity by using SPGA with the relevant parameters for a specific region (Turkey and its immediate surroundings were selected in this study). Different scenario results for various parameters by using interfaces are also given in the study.