Air-ground channel modeling and waveform containment

Abstract

The content of this work is divided into two main parts. Part I is dedicated for characterizing Air-Ground channels. Applications using Air-Ground communications are expected to grow in the future. Low altitude phases of these wireless links are considered severe channels, as they experience huge delay and Doppler spreads, however, they are not yet accurately characterized in the literature. Chapter 1 presents an analytic three-dimensional Air-Ground Doppler-delay spread spectrum model for dense scattering environments. In Chapter 2, a numerical terrain based Doppler-delay spread model simulator was proposed. It was demonstrated that the terrain topography affects the shape of the Doppler-delay spread spectrum. The scattering function becomes unique for each terrain and position of the ground station and air station. In Part II, waveform design and containment techniques are discussed. A scheme called Zero tail Filter Bank Spread Orthogonal Frequency Division Multiplexing (ZT FB-S-OFDM) is proposed in Chapter 3. In this scheme, Raised cosine (RC) pulses coexist in the same signal, with an abrupt transition of roll-off factors $\alpha$ at edges of the stream. The pulses near the edges are RC pulses with $\alpha=1$ and the ones in between have the value $\alpha=0$. In Chapter 4, the possibility of using the same scheme but with a smooth roll-off factors transition is introduced. This is proposed along with the time-frequency space warping principle to preserve the orthogonality between the pulses. Simulations show high containment gains for both of the proposed schemes.

Bu çalışma iki ana kısımdan oluşmaktadır. Birinci kısım Hava-Yer kanallarının karakterize edilmesine ayrılmıştır. İkinci kısım ise, dalga formu tasarım ve sınırlandırma teknikleri için ayrılmıştır. Gelecekte, Hava-Yer haberleşmesini kullanan uygulamaların artması beklenmektedir. Yüksek zaman ve frekans (Doppler) saçılması sebebiyle, bu tür kablosuz linklerin düşük irtifa fazı etkili kanallar olarak kabul edilmektedir. Ancak, literatürde bu tür kanalların karakterizasyonuna dair net bir çalışma bulunmamaktadır. Birinci bölümde, analitik üç boyutlu gecikme/Doppler yayılı spectrum modeli yoğun saçılımlı ortamlar için sunulmuştur. İkinci bölümde ise numerik bölge tabanlı bir Doppler/gecikme yayılım modeli simülatörü önerilmiştir. Bu şekilde, bölge topografisinin gecikme/Doppler yayılı spectrumunun şeklini etkilediği gösterilmiştir. Ayrıca saçılma fonksiyonu, yer ve hava istasyonunun pozisyonu ve bölgesine mahsus değerler almaktadır. İkinci kısımda, dalga formu tasarımı ve sınırlandırma teknikleri tartışılmıştır. Bu bağlamda üçüncü bölümde "Zero tail Filter Bank Spread Orthogonal Frequency Division Multiplexing (ZT FB-s-OFDM)" olarak adlandırılan yeni bir yöntem önerilmiştir. Bu yöntemde, Raised cosine (RC) darbeleri kenarlarda ani devrilme faktörü $\alpha$ geçişleri ile birlikte aynı sinyal içinde yer almaktadır. Kenarlardaki darbeler $\alpha=1$ değerine sahipken, ortalarda yer alanlar $\alpha=0$ değeri almaktadır. Dördüncü bölümde, aynı yöntem devrilme faktörü değerlerinde yumuşak bir geçiş ile önerilmiştir. Bu yöntem, darbeler arasındaki ortogonalliği korumak için zaman-frekans-uzay dolama prensibi ile birlikte önerilmiştir. Simülasyon sonuçları önerilen her iki yöntem için de yüksek sınırlandırma kazançları göstermiştir.