5. nesil mobil haberleşme sistemleri için milimetre dalga kanal modellemesi
Millimeter wave channel modeling for 5th generation mobile communication systems
Yazar: CİHAT ŞEKER
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ MUHAMMET TAHİR GÜNEŞER ; PROF. DR. HÜSEYİN ARSLAN
Karabük Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Beşinci nesil (5N) mobil haberleşme teknolojisi, insanların çeşitli senaryolarda yüksek hız ve düşük gecikme ile veriye erişmelerini ve paylaşmalarını desteklemektedir. Mevcut dördüncü nesil (4N) teknolojisi ile kıyaslandığında, sistem kapasitesinde 1000 kat, veri hızında 100 kat, enerji verimliliğinde 10 ila 100 kat ve spektral verimlilikte ise 3 ila 5 katlık bir iyileşme beklenmektedir. 5N için en önemli ve en umut verici teknolojilerden biri milimetre dalga haberleşmesidir. Milimetre dalga bandı, sağladığı büyük bant genişliği ile saniyede birkaç gigabit gibi veri hızlarını kolaylıkla destekleyebilmektedir. Ancak yüksek frekans yayılımında, yüksek yol kaybı ortaya çıkmaktadır. Ayrıca atmosferik etkiler ve bitki örtüsü kayıpları da 5N mobil haberleşme sistemlerinin gelişimi için aşılması gereken engeller olarak görülmektedir. Yapılan ölçümlere göre hücresel erişimde, 100 ila 200  
m yarıçaplı küçük hücreler kullanılırsa, milimetre dalga sistemler yol kaybını azaltma da iyi bir performans gösterebilmektedir.

Bu çalışma, 5N hücresel haberleşme sistemi için, Karabük Üniversitesi Mühendislik Fakültesinin 4. Katında iç mekan ofis ortamında küçük hücrede gerçekleştirilmiştir. Milimetre dalga bandında 31.5 ila 32.5 GHz frekansları arasında geniş bant yönlü yayılım ölçümleri yapılmış ve ayrıntılı bir biçimde sunulmuştur. Her ölçüm noktasında 82.000'den fazla güç gecikme profili elde edilmiştir. Işın izleme temelli bir yazılım kullanılmıştır. Ölçümler sırasında verici kısımda da alıcı kısımda da dikey polarizasyonlu elektronik olarak yönlendirilebilir antenler kullanılmıştır. Verici kısımda tüm yönlü, alıcı kısımda 23° ışın genişliğine sahip, yönlü boynuz anten tercih edilmiştir. Gecikme çözünürlüğü 1 ns olarak ölçülmüştür. Işın izleme temelli ölçümler sonucunda, iç mekan ofis ortamında yer alan bir haberleşme kanalının yol kaybı, gölgeleme sönümlenmesi, gecikme yayılımı, açısal yayılım, açısal güç spektrumu, küme sayısı ve Ricean K faktörü gibi geniş ölçekli sönümlenme parametreleri elde edilmiştir.

Milimetre dalga bandında yer alması ve milimetre dalga görüntüleme uygulamalarında da en iyi sonucu vermesi sebebiyle merkez frekans 32 GHz olarak seçilmiştir. Gbps gibi veri hızlarına ulaşılabilmesi için bant genişliği 1 GHz olarak seçilmiştir. Elde edilen sonuçlara göre, yayılım mekanizması açısından 32 GHz bandı ile 6 GHz altındaki bant arasında büyük farklılıklar bulunmamaktadır. 6 GHz altındaki bantta olduğu gibi 32 GHz bandında da yansıma, kırınım ve saçılma alıcıda çoklu yollara neden olmuştur. Bu çalışmada 32 GHz'de elde edilen sonuçlar, 5N hücresel haberleşme sistemlerinin bağlantı ve sistem seviyesi simülasyonlarında uygulanabilir olması bakımından büyük önem taşımaktadır. Ayrıca elde edilen sonuçlar iletişim halinde olduğumuz, Bilgi Teknolojileri ve İletişim Kurumu (BTK)'nın ilgili birimleri ile ve Türkiye Bilimsel ve Teknolojik Araştırma Kurumu (TÜBİTAK) Bilişim ve Bilgi Güvenliği İleri Teknolojiler Araştırma Merkezi (BİLGEM) proje ekipleri ile paylaşılarak ulusal ortak faydanın üretilebilmesi için çalışmalar yürütülecektir.

Abstract:
Fifth generation (5G) mobile communication technology supports people to access and share data in various scenarios with high speed and low latency. Compared to the current fourth generation (4G) technology, a 1000-fold improvement in system capacity, 100 times in data rate, 10 to 100 times in energy efficiency and 3 to 5 times in spectral efficiency is expected. One of the most important and promising technologies for 5G is millimeter wave communication. With its large bandwidth, the millimeter waveband can easily support data rates of several gigabits per second. However, in high frequency propagation, high path loss occurs. Also, atmospheric effects and vegetation losses are seen as obstacles to the development of 5G mobile communication systems. According to measurements, if small cells with a radius of 100 to 200 m are used in cellular access, millimeter wave systems may also perform well to reduce path loss.
 
This study was carried out in a small cell for the 5G cellular communication system, on the 4th floor of Karabuk University Faculty of Engineering, in an indoor office environment. Wideband directional propagation measurements were made between the frequencies of 31.5 to 32.5 GHz in the millimeter waveband and presented in detail. More than 82,000 power delay profiles were obtained at each measurement point. A ray trace-based software has been used. During the measurements, electronically steerable antennas with vertical polarization were used in both the transmitting part and the receiving part. Omnidirectional antenna in the transmitting part and directional horn antenna with 23° beamwidth in the receiving part was preferred. The delay resolution was measured as 1 ns. As a result of ray trace-based measurements, large-scale fading parameters such as path loss, shadow fading, delay spread, angular spread, power angular spectrum, number of clusters and Ricean K factor of a communication channel in the indoor office environment were obtained.

The center frequency was chosen as 32 GHz because it is located in the millimeter wave band and gives the best result in millimeter wave imaging applications. Bandwidth has been selected as 1 GHz in order to reach data speeds such as Gbps. According to the results obtained, there are no big differences between 32 GHz band and sub 6 GHz band in terms of propagation mechanism. Reflection, diffraction and scattering in the 32 GHz band caused multiple paths in the receiver, as in the sub 6 GHz band. The results obtained in this study at 32 GHz are of great importance in that 5G cellular communication systems are applicable in link and system level simulations. In addition, the results obtained will be shared with the relevant departments of the Information Technologies and Communications Authority and with the Scientific and Technological Research Council of Turkey Center of Research for Advanced Technologies of Informatics and Information Security project teams and efforts will be carried out to produce the national common benefit.