M bil K bl Ağl Mobil ve Kablosuz Ağlar

Mobil ve Kablosuz AğlarBölüm 3. Antenler ve YayılmaDoç. Dr. Suat Özdemirhttp://ceng.gazi.edu.tr/~ozdemirGiriş• Anten bir iletken ya da iletkenlerden oluşan birelektromanyetik sinyal alıp verebilen sistemdir– İletim (Transmission) - elektromanyetik dalgalar yayar– Alım (Reception) – havadaki elektromanyetik enerjiyi toplar• İki yönlü bir iletişimde, bir anten hem iletim hem de alım içinkullanılabilir.Mobil ve Kablosuz AğlarDoç. Dr. Suat Özdemir2/541

Yayılma Desenleri• Yayılma deseni (Radiation pattern)– Bir antenin yayılma özelliklerinin grafiksel olarak gösterimi– 2-D bir düzlemde gösterilir• Alma deseni (Reception pattern)–Yayılma deseni ile aynı özellikleri gösterirMobil ve Kablosuz AğlarDoç. Dr. Suat Özdemir3/54Anten çeşitleri• Yön bağımsız (isotropic)anten (ideal anten)– Her yöne eşit güçte sinyalgönderir• Çift kutup (Dipole) anten– Half-wave dipole antenna (orHertz antenna)– Quarter-wave vertical antenna (orMarconi antenna)• Parabolic Reflective AntenHertz antennaParabolic antennaMobil ve Kablosuz AğlarDoç. Dr. Suat Özdemir4/542

Yönbağımsız (Isotropic) anten• Her yöne eşit güçte yayılım• Teorik, referans, model anten• S: power per unit area• P t : transmitted poweryzzSPt14d2xyxidealisotropicradiatorMobil ve Kablosuz AğlarDoç. Dr. Suat Özdemir5/54Anten kazancı (Antenna Gain)• Anten kazancı– Yönlülük ölçütü (Measure of the directionality of the antenna)– Belirli bir giriş gücü için, bir antendeki belli bir yöndeki güç çıkışının,aynı giriş gücüne sahip bir isotropic antenin herhangi bir yöndeki güççıkışına oranı– Örnek – Eğer bir antenin kazancı 3dB ise o anten isotropik anteninetkisini belli bir yönde 3dB artırıyor demektir.Mobil ve Kablosuz AğlarDoç. Dr. Suat Özdemir6/543

Etkin alan (Effective area)• Anten kazancı anten etkin alanı ile ilgilidir– Antenin fiziksel şekli ve boyutuMobil ve Kablosuz AğlarDoç. Dr. Suat Özdemir7/54Anten kazancı (Antenna Gain)• Anten kazancı ve etkin alan arasındaki ilişkiG 24Ae4fAe22• G = anten kazancı• A e = etkin alan• f = carrier frequency• c = speed of light 3 10 8 m/s)• = carrier wavelengthcMobil ve Kablosuz AğlarDoç. Dr. Suat Özdemir8/544

Örnek• Frekansı 12 GHz ve çapı 2 m olan Parabolik antenin etkinalanı ve anten kazancı nedir?A e = 0.56A = 0.56π=c/f=(3x10 8 )/(12x10 9 )=0.025 m.G=(7A)/ 2 = 7π/(0.025) 2 = 35186G dB =46.46dBMobil ve Kablosuz AğlarDoç. Dr. Suat Özdemir9/54Yayılma (Propagation) Modları• Ground-wave propagation• Sky-wave propagation• Line-of-sight propagationMobil ve Kablosuz AğlarDoç. Dr. Suat Özdemir10/545

Sky Wave PropagationMobil ve Kablosuz AğlarDoç. Dr. Suat Özdemir13/54Sky Wave Propagation• Sinyal atmosferdeki iyonosfer tabakası ve yerkabuğuarasında yansıtılır• Sinyal iyonosfer tabakası ve yerkabuğu arasında birçokkez gidip gelebilir• Yasıma etkisi ışın kırılmasıyla oluşur• Örnek– Amatör radio (telsiz iletişimi)– BBC international, Voice of AmericaMobil ve Kablosuz AğlarDoç. Dr. Suat Özdemir14/547

Line-of-Sight PropagationMobil ve Kablosuz AğlarDoç. Dr. Suat Özdemir15/54Görüş çizgisi yayılma (Line-of-Sight Propagation)• Sinyal yayan ve alan antenler mutlakabirbirlerinin görüş alanı içinde olmalıdırlar– Uydu iletişimi – 30 MHz in üzerindeki sinyalleriyonosfer tarafından yansıtılmaz– Yer iletişimi (ground communication) – antenlerbirbirlerinin etkin görüş alanı içindedirler•Kırılma (refraction)Mobil ve Kablosuz AğlarDoç. Dr. Suat Özdemir16/548

Kırılma (Refraction)• Kırılma (Refraction) –dalgaların atmosfer tarafındaneğilmesi– Elektromanyetik etik dalgaların hızlarıortam yoğunluğuna göre değişir– Ortam degiştiginde hız dadeğişir– Dalga ortam değişiminin olduğuyerde eğiilir•Yoğun olan ortama doğruMobil ve Kablosuz AğlarDoç. Dr. Suat Özdemir17/54Görüş Çizgisi Eşitlikleri• Optik görüş çizgisi - optical line of sightd 3. 57• Etkin ya da radyo görüş çizgisi - Effective, orradio, line of sight• d = anten ve ufuk çizgisi arasındaki mesafe(km)• h = anten yüksekliği (m)•K = kırılma faktörü, genel kural K = 4/3hd 3. 57 hMobil ve Kablosuz AğlarDoç. Dr. Suat Özdemir18/549

Etkin (radio) görüş çizgisiMobil ve Kablosuz AğlarDoç. Dr. Suat Özdemir19/54Görüş Çizgisi Eşitlikleri• Görüş Çizgisi (LOS) için iki anten arasındaki maksimummesafe.3.57h h• h 1 = 1. antenin yüksekliği• h 2 = 2. antenin yüksekliği12Mobil ve Kablosuz AğlarDoç. Dr. Suat Özdemir20/5410

Örnek• LOS yayılma moduna göre, birisi yer seviyesinde olan diğeriise 100m yüksekliğe sahip iki anten arasındaki maksimumuzaklık ne olabilir?d 3.57h 3.57 133 41kmMobil ve Kablosuz AğlarDoç. Dr. Suat Özdemir21/54LOS kablosuz iletimi zayıflatan etkenler1) Zayıflama ve zayıflamaya bağlı bozulma2) Uzaklığa bağlı dağılma (Free space loss)3) Gürültü4) Atmosferik emilim (absorption)5) Çoklu yol6) KırılmaMobil ve Kablosuz AğlarDoç. Dr. Suat Özdemir22/5411

1- Zayıflama• Sinyal gücü mesafe ile birlikte azalır• Zayıflama faktörleri–Alıcının sinyali doğru olarak yorumlayabilmesi için alınansinyalin yeterli güce sahip olması gerekir– Hatasız alınabilmesi için sinyal seviyesi gürültünün seviyesindenyüksek olmalıdır– Yüksek frekanslarda zayıflama daha çok olur ve bu dabozulmaya sebep olurMobil ve Kablosuz AğlarDoç. Dr. Suat Özdemir23/542- Free Space Loss• Uzaklığa bağlı olarak sinyal dağılır• Isotropik antenler için free space lossPtP 4d 2 4fd22r• P t = signal power at transmitting antenna• P r = signal power at receiving antenna• = carrier wavelength• d = propagation distance between antennas• c = speed of light 3 10 8 m/s)where d and are in the same units (e.g., meters)c2Mobil ve Kablosuz AğlarDoç. Dr. Suat Özdemir24/5412

Free Space Loss• Frekans ve uzaklığın karesi ile doğru orantılı• Uzak mesafeler için geçerli, yakın mesafede tutmazMobil ve Kablosuz AğlarDoç. Dr. Suat Özdemir25/54Free Space LossFSL P t/ P r• ‘yi etkileyen 2 faktör• 1. sinyalin elektromanyetik enerjisinin yayılması1S Pt4d• 2. Antenin etkin alanı A e : sinyalin ne kadar iyi alınabildiği2P r Sr 24Mobil ve Kablosuz AğlarDoç. Dr. Suat Özdemir26/5413

Free Space Loss• Free space loss eşitliği aşağıdaki gibi desibel olarak da ifadeedilebilir:LdBPt10logPr 4d 20log 20logd 21.98 dB 20log 4fdf20 log 20log c f20log d 147.56dBMobil ve Kablosuz AğlarDoç. Dr. Suat Özdemir27/54Free Space Loss• Isotropik olmayan antenler için anten kazancı da dikkatealınmalıdırPtPr2 22 4 d d cd2G G rtA• G t = gain of transmitting antenna• G r = gain of receiving antenna• A t = effective area of transmitting antenna• A r = effective area of receiving antennarAtf2Ar2AtMobil ve Kablosuz AğlarDoç. Dr. Suat Özdemir28/5414

Free Space Loss• Isotropik olmayan antenler için free space loss eşitliğiaşağıdaki gibi desibel olarak da ifade edilebilir:LdB20logd 10logAA 20logtr f 20log d 10log A A t 169.54dB 20logrMobil ve Kablosuz AğlarDoç. Dr. Suat Özdemir29/54Örnek• Dünyadan 35863 km uzaklıktaki bir uydu (isotropik ve 4Ghzile çalışıyor) için free space loss nedir?• L dB = -20(0.075) + 20log(35863000)+21.98L dB =195.6 dB• Eğer anten kazançları 44dB ve 48dB olsaydı?• L dB =195.6 – 44 – 48 = 103.6 dBMobil ve Kablosuz AğlarDoç. Dr. Suat Özdemir30/5415

Örnek (devam)• Eğer yerden 250W ile sinyal gönderiliyor ise, uyduda alınansinyalin gücü ne olur?• 250W 10log250W 24dBW• 24-103 103.6 =-79.6dBWMobil ve Kablosuz AğlarDoç. Dr. Suat Özdemir31/543- Gürültü• Termal gürültü– Elektronların hareketinden dolayı– Her elektronik alet ve iletim ortamında oluşur• Ortam üzerinde sabittir• White noise olarakta adlandırılır– Elimine edilemez– Sıcaklığın bir fonksiyonu– Özellikle uydu iletişiminde sorun olurMobil ve Kablosuz AğlarDoç. Dr. Suat Özdemir32/5416

Termal gürültü• 1 Hz lik bant genişliğinde oluşan termal gürültü miktarıN0 kTW/Hz• N 0 = noise power density in watts per 1 Hz of bandwidth• k = Boltzmann's constant = 1.3803 10 -23 J/K• T = temperature, in kelvins (absolute temperature)Mobil ve Kablosuz AğlarDoç. Dr. Suat Özdemir33/54Termal gürültü• Gürültünün frekansdan bağımsız olduğu kabul edilir• B Hertz lik bantgenişliğindeki gürültü (watt olarak):N kTBdecibel-watt olarakN10log k 10 log T 10logB 228 .6 dBW10 logT 10log BMobil ve Kablosuz AğlarDoç. Dr. Suat Özdemir34/5417

Örnek• 294K sıcaklığa ve 10Mhz bantgenişliğine sahip bir alıcıdakitermal gürültü nedir?• N= -228.6+ 10log(294)+10log10 7=-133.9 dbWMobil ve Kablosuz AğlarDoç. Dr. Suat Özdemir35/54E b /N 0 ifadesi• 1 bitlik bir sinyalin enerjisinin 1 Hertz deki gürültüyoğunluğuna oranıE bS / RN N0SkTR• Sayısal veri için bit error rate E b /N 0 oranının birfonksiyonudur– Verilen bir E b /N 0 oranı için istenilen bit error rate’i tutturmak içinbu eşitliği değerleri uygun şekilde seçilebilir– Bit rate R arttıkça, sinyal gücü E b artırılmalıdır0Mobil ve Kablosuz AğlarDoç. Dr. Suat Özdemir36/5418

Örnek• Bir sinyal işleyicinin 10 -4 lük bir hata oranı ileçalışabilmesi için E b /N 0 = 8.4dB oranına ihtiyacı var. Eğeroda sıcaklığı 290 K ve veri iletim hızı 2400 bps ise, sinyalişleyicinin alması gereken sinyalin gücü ne olmalıdır? E Nb0dB SdBW10logR 10logk 10logT8.4 = S dBW -10log2400+228.6dBW-10log290S = 161.8 dBWMobil ve Kablosuz AğlarDoç. Dr. Suat Özdemir37/54Diğer Gürültü Çeşitleri• Intermodulation noise – occurs if signals withdifferent frequencies share the same medium– Interference caused by a signal produced at afrequency that t is the sum or difference of originali frequencies–Örnek: ASSUME TWO TRANSMISSIONS OCCURS, ONE AT1000 HZ AND THE OTHER ONE AT 2500 HZ ON A VOICE -GRADE TRANSMISSION LINE. IF INTERMODULATION NOISEOCCURS, THE SIGNAL MAY COMBINE, PRODUCING ASIGNAL OF 3500 HZ.Mobil ve Kablosuz AğlarDoç. Dr. Suat Özdemir38/5419

Diğer Gürültü Çeşitleri• Crosstalk – unwanted coupling between signal paths• Impulse noise – irregular pulses or noise spikes– Short duration and of relatively high amplitude– Caused by external electromagnetic disturbances, or faults andflaws in the communications systemMobil ve Kablosuz AğlarDoç. Dr. Suat Özdemir39/54LOS u etkileyen diğer etkenler4) Atmospheric emilim (absorption) – su buharı ve oksijenzayıflamayı artırır5) Çoklu yol (Multipath) – büyük boyutlu engeller sinyalleriyansıtırlar bunu sonucu olarakda alıcı aynı sinyalin birdenfazla kopyasını değişik zamalarda alabilir6) Kırılma (Refraction) – sinyaller atmosferde yol aldıkçaeğilirlerMobil ve Kablosuz AğlarDoç. Dr. Suat Özdemir40/5420

Multipath Propagation• Reflection –yansıma sinyal dalga boyuna oranla çokdaha büyük bir cisme çarparsa oluşur• Diffraction –kırılarak dağılma sinyal dalga boyunaoranla çok daha büyük bir cismin köşesinde oluşur• Scattering –saçılma sinyal dalga boyuyla orantılı ya dadaha küçük bir cisme çarparsa oluşur.shadowingreflection scattering diffractionMobil ve Kablosuz AğlarDoç. Dr. Suat Özdemir41/54Multipath PropagationMobil ve Kablosuz AğlarDoç. Dr. Suat Özdemir42/5421

Multipath yayılmanın etkileri• Bu etkilerden ötürü sinyal değişik yollardan alıcıyaulaşabilir.– İletişim nasıl etkilenir?signal at sendersignal at receiverMobil ve Kablosuz AğlarDoç. Dr. Suat Özdemir43/54Multipath yayılmanın etkileriMobil ve Kablosuz AğlarDoç. Dr. Suat Özdemir44/5422

Multipath yayılmanın etkileri• Aynı sinyalin birden fazla kopyasını değişik zamanlardaalınabilir– If phases add destructively, the signal level relative to noise declines,making detection more difficult• Intersymbol interference (ISI)– Gecikmiş birkaç sinyal (signal pulse) aynı zamanda alıcıya ulaşarakgerçek bir sinyalin (signal pulse) yerini alır.Mobil ve Kablosuz AğlarDoç. Dr. Suat Özdemir45/54Hata düzeltme mekanizmaları• Multipath propagion sonucu oluşan hatalardüzeltilebilir– Forward error correction• Transmitter adds error-correcting code to data block– Adaptive equalization• Used to combat intersymbol interference• Time variant specs of a symbol– Diversity techniques• Diversity is based on the fact that individual channelsexperience independent fading eventsMobil ve Kablosuz AğlarDoç. Dr. Suat Özdemir46/5423

Diğer yayılma modelleri• Cep telefonu şebeke tasarımı• Alıcı sinyal gücü• Free space loss yeterli mi?– Şehir merkezleriMobil ve Kablosuz AğlarDoç. Dr. Suat Özdemir47/54Outdoor Propagation Models• Longley-Rice Model• Durkin’s Model• Okumura Model• Hata Model• PCS Extension to Hata Model• Walfisch and Bertoni Model• Wideband PCS Microcell ModelMobil ve Kablosuz AğlarDoç. Dr. Suat Özdemir48/5424

Okumura Model• One of most widely used model in urban areas• This model is applicable for– frequencies: 150 MHz to 1920 MHz– distances: 1 km to 100 km– base station antenna heights: 30 m to 1000 mMobil ve Kablosuz AğlarDoç. Dr. Suat Özdemir49/54Okumura Model• The model can be expressed asL 50 (dB)=L F +A mu (f,d)-G(h te )-G(h re )-G AREA– L 50 : the 50 th percentile (i.e., median) value of propagation pathloss– L F : free space propagation loss– A mu : median attenuation relative to free space– G(h te ): base station antenna height gain factor– G(h re ): mobile antenna height gain factorMobil ve Kablosuz AğlarDoç. Dr. Suat Özdemir50/5425

Okumura Model• G AREA : the gain due to the type of environment• Antenna gains:Mobil ve Kablosuz AğlarDoç. Dr. Suat Özdemir51/54Okumura ModelMobil ve Kablosuz AğlarDoç. Dr. Suat Özdemir52/5426

Quiz • 3Khz bantgenişliği ve 31dB gürültü seviyesi olan kanalınkapasitesi nedir?• Bu kapasiteye ulaşmak için uygun olan sinyal seviye sayısınedir?Mobil ve Kablosuz AğlarDoç. Dr. Suat Özdemir55/5428