İleri Sayısal Haberleşme

1. İleri Sayısal Haberleşme Yrd. Doç. Dr. Birol SOYSAL Atatürk Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü

2. Haberleşme Kanalı ve Modellenmesi Kablosuz iletişim sistemlerinin başarımını belirlemede en önemli etken gezgin radyo kanalıdır. Verici ile alıcının birbirini direk görebileceği durumlar olsa da, genellikle binalar, dağlar, ağaçlar gibi çeşitli doğal ve insan yapımı engeller iletim ortamının bozulmasına neden olurlar. İşaret, vericiden alıcıya tek bir yolu takip ederek ulaşmaz. Genellikle işaretin bir çok kopyası farklı yollardan, farklı gecikmelerle, farklı genlik ve fazlara sahip olarak alıcıya ulaşırlar. Bütün bu işaretler alıcıda toplanmakta ve sonuçta seviyesi çok hızlı değişen bir işaret elde edilmektedir. Aynı zamanda kullanıcının hareket halinde olduğu da düşünülecek olursa, alınan işaretin seviyesindeki değişimler çok daha büyük ve hızlı olacaktır. Bunlara ek olarak, farklı yolları kat ederek gelen işaretlerin oluşturacağı gecikme yayılması (delay spread), yüksek hızlı veri iletiminin önündeki en büyük engel olarak görülen simgeler arası girişime neden olur. Birol SOYSAL DERS-2

3. Haberleşme Kanalı ve Modellenmesi Elektromagnetik dalga yayılımının arkasındaki mekanizmalar çeşitlilik gösterse de, genelde yansıma, kırılma ve saçılma niteliklerini taşır. Yansıma, elektromagnetik dalganın dalga boyuna oranla çok büyük bir cisimle etkileşimi sonucunda ortaya çıkar. Yansımalar daha çok yeryüzünden, binalardan ve duvarlardan olur. Kırılma, verici ile alıcı arasındaki yol kuleler, tepeler, bina kenar ve köşeleri gibi keskin düzensizliklere sahip yüzeyler tarafından engellendiğinde ortaya çıkar. Saçılma ise, dalganın ilerlediği ortamdaki nesnelerin boyutlarının dalga boyuna oranla daha küçük ve sayılarının büyük olduğu durumlarda ortaya çıkar. Pürüzlü yüzeyler, küçük nesneler ve ağaç dal ve yaprakları saçılmış dalgalara neden olurlar. Birol SOYSAL DERS-2

4. Haberleşme Kanalı ve Modellenmesi Özellikle kentsel alanlardaki hücresel sistemlerin çoğunda verici ile alıcı arasında direk görüş (Line of Sight, LOS) bulunmaz ve direk görüşü engelleyen yüksek binalar önemli ölçüde kırılma kayıplarına neden olurlar. Çeşitli engellerden yansıyarak ve farklı uzunlukta yollar kat ederek alıcıya ulaşan dalgalar çok yollu yayılıma (multipath propagation) neden olurlar. Bu dalgaların gücü de verici ile alıcı arasındaki uzaklığa bağlı olarak azalır. Birol SOYSAL DERS-2

5. Haberleşme Kanalı ve Modellenmesi Elektromagnetik dalga yayılım modelleri genel olarak iki guruba ayrılırlar: Birincisi, vericiden belirli uzaklıktaki bir noktada ortalama işaret gücünü tahmin ederek vericinin kapsama alanını belirlemeye yarayan büyük ölçekli yayılım modelleridir. Bu modeller verici ile alıcı arasındaki mesafenin birkaç yüz metreden birkaç kilometreye kadar olduğu durumlarda işaret gücünü karakterize etmeye yararlar. İkincisi ise, dalga boyu mesafelerde veya kısa sürelerle alınan işaret gücünü belirlemeye yarayan küçük ölçekli yayılım modelleridir. Bu modeller yardımıyla alınan işaretin gücündeki çok hızlı iniş ve çıkışlar modellenebilir. Birol SOYSAL DERS-2

6. Haberleşme Kanalı ve Modellenmesi Serbest Uzayda Yayılım Verici ile alıcı arasında hiçbir engelin olmadığı, direk görüşün var olduğu ve bütün yansıtıcı ve saçıcıların yeterince uzak olduğu durumda serbest uzay yayılım modeli geçerli olur. Bu durumda vericiden alıcıya tek bir işaret ulaşır, yansıyarak, kırılarak veya saçılarak gelen işaretler söz konusu değildir. Uydu iletişim sistemlerinde ve mikrodalga radyo linklerinde serbest uzay yayılımı söz konusudur. Verici anten ile alıcı anten arasındaki uzaklığa bağlı olarak alınan işaretin gücü değişecektir. Birol SOYSAL DERS-2

7. Haberleşme Kanalı ve Modellenmesi Serbest uzayda bütün yönlerde yaydığı güç düzgün dağılıma sahip olan bir verici anten kullanılması durumunda, Pt verici gücü olmak üzere, antenden uzaklığı d olan noktalardaki güç yoğunluğu Eğer anten bazı yönlerde yönlendiriciliğe sahip ise, o yöndeki güç yoğunluğu, anten kazancı olarak adlandırılan ve Gt ile gösterilen katsayı ile orantılı olarak artacaktır. Bu durumda güç yoğunluğu Birol SOYSAL DERS-2

8. Haberleşme Kanalı ve Modellenmesi EIRP, etkin izotropik (yönsemesiz) ışıma gücü (Effective Isotropic Radiated Power) olarak adlandırılır. İzotropik anten için Gt=1’dir. Gücün yayıldığı doğrultuda yerleştirilmiş olan alıcı anten, etkin anten yüzeyiyle orantılı olarak yayılan gücün bir kısmını toplayacaktır. Bu güç Birol SOYSAL DERS-2

9. Haberleşme Kanalı ve Modellenmesi Burada alıcı Ae antenin etkin yüzeyidir ve aşağıdaki gibi hesaplanabilir: Burada Gralıcı anten kazancını, ise işaretin dalga boyunu göstermektedir. Frekansı f olan bir işaretin dalga boyu Burada c ışık hızını göstermektedir. Birol SOYSAL DERS-2

10. Haberleşme Kanalı ve Modellenmesi Buna göre, İle verilen Ls serbest uzay yol kaybı olarak adlandırılır. Birol SOYSAL DERS-2

11. Haberleşme Kanalı ve Modellenmesi Atmosferik kayıplara benzer diğer kayıplar da La gibi bir katsayı ile göz önüne alınacak olursa, alınacak güç, Bir anten için en önemli parametreler onun kazancı ve dolayısıyla da etkin yüzeyidir. Bu parametreler çalışma frekansına ve antenin fiziksel boyutlarına bağlıdır. Çapı D olan parabolik bir antenin etkin yüzeyi Burada  ışıma verimlilik katsayısı olarak adlandırılır ve (0.5< <0.6) aralığında değişir. Böylece çapı D olan bir parabolik antenin kazancı Birol SOYSAL DERS-2

12. Haberleşme Kanalı ve Modellenmesi Antenler için önemli parametrelerden biri de, kazancı yönlendiriciliği belirleyen 3 dB açıklığıdır. Gücün, maksimum ışıma doğrultusunda yarıya düştüğü açı –3 dB açıklığı olarak tanımlanır. Parabolik antenler için –3 dB açıklığı yaklaşık olarak Anten kazancı, -3 dB açıklığı ile ters orantılıdır. –3 dB açıklığının iki kat azalması anten çapını iki kat arttırırken, kazanç 4 kat (6 dB) artar. Birol SOYSAL DERS-2

13. 0 dB -3 dB Haberleşme Kanalı ve Modellenmesi Bir antenin –3 dB açıklığı Birol SOYSAL DERS-2

14. T (verici) Ed ht R (alıcı) Er hr d Haberleşme Kanalı ve Modellenmesi İki Işınlı Yayılım Modeli Serbest uzayda yayılım incelenirken vericiden alıcıya tek bir ışının ulaştığı ve her türlü yansıtıcı ve saçıcının ortamda bulunmadığı kabul edilmişti. Verici ve alıcı antenlerin yer yüzeyine sabitlendiği düşünülecek olursa, yer yüzeyinden yansımanın meydana gelmesi kaçınılmazdır. Bir ışın vericiden direk olarak alıcıya ulaşırken, ikinci ışın ise yerden yansıyarak alıcıya ulaşacaktır. Birol SOYSAL DERS-2

15. Haberleşme Kanalı ve Modellenmesi Direk ışının alıcıda oluşturacağı elektrik alanı Edile, yansıyan ışının alıcıda oluşturacağı elektrik alanı ise Er ile gösterilsin. Alıcıdaki toplam elektrik alanı, bu iki ışının oluşturduğu elektrik alanlarının toplamına eşit olacaktır. Bir verici antenin kendisinden d uzaklıktaki bir noktada oluşturacağı elektrik alan şiddeti V/m Burada E0, d0referans uzaklığındaki elektrik alan şiddetini, ωcaçısal frekansı ve c de ışık hızını göstermektedir. Buna göre, yerin mükemmel yansıtıcı olduğu kabul edilerek, alıcıdaki toplam elektrik alan şiddeti Birol SOYSAL DERS-2

16. Haberleşme Kanalı ve Modellenmesi Burada Г=-1 yerin yansıtma katsayısını, d’ direk ışının aldığı yolun uzunluğunu ve d’’ de yansıyarak gelen ışının aldığı yolun uzunluğunu göstermektedir. Son denklem biraz daha düzenlenecek olursa Gelen dalganın yer yüzeyi ile yaptığı açı ile yansıyan dalganın yer yüzeyi ile yaptığı açı birbirine eşit olduğundan, şekildeki dik üçgenler birbirine benzerdirler. Bu benzerlik özelliği kullanıldığında, htverici antenin yüksekliği, hr alıcı antenin yüksekliğiolmak üzere Birol SOYSAL DERS-2

17. Haberleşme Kanalı ve Modellenmesi Antenler arasındaki mesafe d’nin anten boyları htve hr’den çok büyük olduğu düşünülerek Δd için Taylor serisel yaklaşıklığı kullanılacak olursa İki ışının aldığı yollar arasındaki fark belirlendikten sonra, bunlar arasındaki faz farkı ile gecikme zamanı kolaylıkla belirlenebilir. Birol SOYSAL DERS-2

18. Haberleşme Kanalı ve Modellenmesi Sonuçta, alıcıdaki elektrik alan şiddeti Alınan güç ise Dikkat edilecek olursa bu durumda güç d^4 ile orantılı olarak azalmaktadır. Oysa serbest uzayda d^2ile orantılı olarak azalmaktaydı. Genelde alınan güç, yayılım ortamının özelliklerine bağlı olarak d^n ile orantılı olarak azalmaktadır. Burada n yol kaybı üssünü göstermektedir. Birol SOYSAL DERS-2

19. Haberleşme Kanalı ve Modellenmesi Birol SOYSAL DERS-2

20. Haberleşme Kanalı ve Modellenmesi Birol SOYSAL DERS-2

21. Haberleşme Kanalı ve Modellenmesi İstatistiksel kanal modeli: • Vericiden gönderilen işaret yansımaya, kırılmaya ve saçılmaya uğrayarak alıcıya ulaşan bileşenlerden oluşmaktadır. • Bu bileşenlerin genlikleri eşit, fazları da düzgün dağılıma sahiptir. • Merkezi limit teoremine göre, N   için bunların toplamı Gauss dağılıma sahip olur. • N > 6 durumunda yapılacak hata göz ardı edilebilir. • N = 8 veya N = 16 ışınlı model yaygın olarak kullanılmaktadır. Biz çalışmalarımızda N = 8 alarak kanal modeli oluşturacağız. Birol SOYSAL DERS-2

22. Haberleşme Kanalı ve Modellenmesi Rayleigh kanal modeli: Ricean kanal modeli: Doppler kayması: Doppler kayması: Doppler kayması: Verici ile alıcının birbirini görmediği durumlarda, alınan işaretin genlik ve fazında büyük değişimler meydana gelebilir. Alınan işaretin zarfındaki değişimler Rayleigh dağılım fonksiyonu ile modellenebilir. Verici ile alıcının birbirini görebildiği durumlarda, alınan işaretin genlik ve fazında büyük değişimler meydana gelmez. Direk görüş bileşeninin genliği diğerlerine göre oldukça büyüktür. Alınan işaretin zarfındaki değişimler Ricean dağılım fonksiyonu ile modellenebilir. Birol SOYSAL DERS-2