Müşterek Radar ve Haberleşme Sistemleri

Abstract

Son yıllarda kablosuz haberleşme alanındaki hem askeri hem de sivil ürünlerin çeşitlenmesiyle birlikte frekans spektrumu yoğunlaşmıştır. Bu durum, haberleşme ağı sağlayıcılarını diğer kullanım konseptlerine atanmış frekans bantlarının değerlendirilmesine yönlendirmiştir. Radar bandı, geniş spektrumu ve ortak kullanıma uygun yapısı ile öne çıkmaktadır. Günümüzde 10 GHz ve altındaki radar bantlarının 5G yeni radyo (NR), Uzun Vadeli Evrim (LTE) ve Kablosuz Bağlantı Güvenliği (Wi-Fi) gibi sistemlerle ortak kullanımı yaygın hale gelmiş olup, gelecekte 6G sistemleri için milimetre dalga bantlarının radar sistemleriyle paylaşımı gündemdedir. Ancak, bu ortak kullanım frekans spektrumu yoğunluğunu azaltmak için uygun bir çözüm gibi görünse de enterferans yönetimi gibi teknik zorlukları da beraberinde getirmektedir. Entegre algılama ve haberleşme (ISAC) sistemleri, radar ve haberleşme işlevlerini birleştirerek aynı RF sinyali üzerinden hem algılama hem de haberleşme yapılmasını mümkün kılan yeni bir konsept olarak öne çıkmaktadır. ISAC, hücresel ağlardan insansız hava aracı (İHA) ağlarına, Wi-Fi ağlarından askeri haberleşme sistemlerine kadar geniş bir uygulama alanı sunmaktadır. Bu tez çalışmada ISAC konsepti için hem algılama hem de haberleşme işlevlerine uygun dalga biçimleri incelenmiştir. Bu kapsamda darbe içi cıvıltı, ikili faz ve Zadoff-Chu modülasyonlu, radar dalga biçimleri kullanılarak hem algılama hem de haberleşme fonksiyonlarını uygulamak üzere analizler gerçekleştirilmiştir. Radar alıcısında menzil ve hız tahmini performansı artırmak amacıyla yeni bir teknik önerilmiş, radar sinyali haberleşme sembolleri içerdiğinde ve içermediğinde performans analizleri yapılmıştır. Ayrıca, haberleşme alıcısında sembol hata oranı değerlendirilmiştir. Ardından, ISAC konseptinin uygulandığı bir kullanım durumu olarak hava savunma ağ yapısı ele alınmıştır. Modern hava tehditleri, yüksek hız, üstün manevra kabiliyeti, gelişmiş aviyonik ekipmanlar, bireysel ve koordineli elektronik harp kabiliyetleri ve düşük radar kesit alanı gibi hava savunma sistemlerinin tespit ve angajman kabiliyetlerini sınırlayan özelliklere sahiptir. Bu teknolojik gelişmeler, hava savunma sistemlerinde daha geniş kapsama alanı, müşterek operasyonlar, gelişmiş algılayıcı sistemleri, sensör füzyonu, elektronik harp tekniklerine karşı koruma ve bölgesel hava savunma sistemlerinin merkezi komuta kontrol sistemleriyle etkin haberleşme gibi yeteneklerin geliştirilmesini gerektirmektedir. Bu durum, tehditlerin evrilen kabiliyetleriyle birlikte savunulan bölgeler için tehlike alanlarının genişlemesini ve dolayısıyla hava savunma sistemlerinin menzilinin artırılmasını zorunlu kılmıştır. Bu kapsamda, bir hava savunma sistemi için korunan bölgeyi tarayan radarların sayısının artırılması ve bu radarların kaynakları etkin bir şekilde kullanmasını sağlayacak bir strateji planlaması gerekmektedir. Bu tez çalışması kapsamında darbe içi cıvıltı modülasyonu kullanılarak oluşturulan ISAC dalga biçimi kullanan bir müşterek radar ve haberleşme ağ yapısında kaynak tahsisi problemi ele alınmıştır.

In recent years, the frequency spectrum has become increasingly congested due to the diversification of both military and civilian products in the field of wireless communication. This trend has prompted communication network providers to explore the utilization of frequency bands allocated to other usage concepts. Radar bands, with their wide spectrum and suitability for shared use, have emerged as a focal point. Currently, radar bands below 10 GHz are commonly shared with systems such as 5G New Radio (NR), Long-Term Evolution (LTE), and Wireless Fidelity (Wi-Fi). In the future, sharing millimeter-wave bands between radar systems and 6G systems is also on the agenda. However, although shared usage appears to be a suitable solution for reducing frequency spectrum congestion, it also introduces technical challenges, such as interference management. Integrated Sensing and Communication (ISAC) systems have emerged as an innovative concept enabling simultaneous sensing and communication using the same RF signal. ISAC systems find applications across a wide range of areas, from cellular networks to unmanned aerial vehicle (UAV) networks, Wi-Fi networks, and military communication systems. In this study, waveforms suitable for both sensing and communication functions under the ISAC concept were examined. The analyzed waveforms included intra-pulse chirp modulation, binary phase modulation, and Zadoff-Chu modulation for enabling dual functionalities. This thesis investigates the use of a chirp pulse radar waveform to implement both sensing and communication functionalities. A novel technique was proposed to enhance range and velocity estimation performance at the radar receiver, with performance analysis conducted for radar signals containing communication symbols and those that did not. Symbol error rate evaluations were also performed for the communication receiver. Additionally, as a case study of ISAC implementation, the air defense network structure was analyzed. Modern air threats possess advanced features, such as high speed, superior maneuverability, cutting-edge avionics, coordinated electronic warfare capabilities, and low radar cross-sections. These advancements challenge the detection and engagement capabilities of air defense systems and necessitate enhancements in coverage, interoperability, sensor fusion, electronic warfare resilience, and communication with centralized command systems. Consequently, extended ranges for air defense systems are required, increasing the number of radars in protected zones. This study addresses the resource allocation problem in radar networks with a monostatic ISAC concept that employs a chirp pulse modulation waveform. The findings contribute to optimizing resource usage and overcoming interference challenges in radar communication networks.