MOBİL BAZ İSTASYONU PERFORMANS ANALİZİ

Transkript

1 T.C. KARADENİZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ Mühislik Fakültesi Elektrik-Elektronik Mühisliği Bölümü MOBİL BAZ İSTASYONU PERFORMANS ANALİZİ Alişan AKBULUT Ahmet ÜNAL Danışman Yrd. Doç. Dr. Salim KAHVECİ Haziran, 2013 TRABZON

2 T.C. KARADENİZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ Mühislik Fakültesi Elektrik-Elektronik Mühisliği Bölümü MOBİL BAZ İSTASYONU PERFORMANS ANALİZİ Alişan AKBULUT Ahmet ÜNAL Danışman Yrd. Doç. Dr. Salim KAHVECİ Haziran, 2013 TRABZON

3 LİSANS BİTİRME PROJESİ ONAY FORMU Alişan AKBULUT ve Ahmet ÜNAL tarafından YRD.DOÇ.DR.Salim KAHVECİ yönetiminde hazırlanan MOBİL BAZ İSTASYONU PERFORMANS ANALİZİ başlıklı lisans bitirme projesi tarafımızdan incelenmiş, içeriği ve kapsamı açısından bir Lisans Bitirme Projesi olarak kabul edilmiştir. Danışman : YRD.DOÇ.DR Salim KAHVECİ Jüri Üyesi 1 : Jüri Üyesi 2 : Bölum Başkanı : PROF.DR. İsmail H. ALTAŞ ii

4 ÖNSÖZ Bu Projenin hazırlanmasında emeği geçenlere, projenin ilerlemesinde ve son halini almasında bize yol gösteren kıymetli hocamız SALİM KAHVECİ ye ve yardımlarıyla bize destek olan hocamız Mehmet ÖZTÜRK e şükranlarımızı sunmak istiyoruz. Ayrıca yaptığımız bu çalışmayı destekleyen Karadeniz Teknik Üniversitesi Rektörlüğü ne Mühislik Fakültesi Dekanlığına ve Elektrik-Elektronik Mühisliği Bölüm Başkanlığına içten teşekkürlerimizi sunarız. Her şeyden öte, eğitimimiz süresince bize her konuda tam destek veren ailelerimize ve bize hayatlarıyla örnek olan tüm hocalarımıza saygı ve sevgimizi sunarız. Haziran 2013 Alişan AKBULUT Ahmet ÜNAL iii

5 İÇİNDEKİLER Lisans bitirme projesi onay formu ii Önsöz iii İçindekiler iv Özet vi Semboller ve Kısaltmalar vii Çizelge ve Şekiiler viii 1. Giriş 1 2. TEORİK ALTYAPI GSM MİMARİSİ GSM GSM BAZ İSTAYONUNUN YAPISI MS (Mobile Station) BTS (Base Transceiver Stations) BSC (Base Station Controller) MSC (Mobile Switching Centre) HLR (Home Location Register) VLR (Visitor s Location Register) Mobil İstasyonlarda Konuşmanın Kurulması 7 4. TASARIM ÇALIŞMALARI Zayıflama Log-Normal Zayıflama Rayleigh Zayıflaması Atmosfer Soğurması Çok Yollu Yayılma Kırılım Kırınım Yansıma Saçılma 14 iv

6 5. SİMÜLASYON ÇALIŞMALARI Yol Kaybı Deneysel Modellemeler Plane Earth Modeli Egli Modeli Lee Modeli Bertoni vewalfish Modeli COST 231 WI (Walfish-Ikegami) Yol Kaybı Kestirim Modeli Hata-Okumura Modeli Hata Okumura Modelinde Hız Etkisi COST-231 Hata Modeli SONUÇLAR YORUMLAR VE DEĞERLENDİRME KAYNAKLAR 41 Özgeçmiş 43 Ekler v

7 ÖZET Mobil baz istasyonu performans analizi başlığı altında yaptığımız bu bitirme çalışması, mobil haberleşme alanında gerek teorik gerekse uygulama olarak kapsamlı bir içeriğe sahip, bize ve bizden sonra bu alanda çalışmak yapmak isteyen kurum ve kuruluşlara faydalı olabilecek geniş kapsamlı bir kaynak oluşturma amacı ile yapılmıştır. Bu tasarım projesinde ele aldığımız konu olan mobil baz istasyonlarının performansını tanımlayabilmek için bir çok altyapı bilgisine ihtiyaç duyulmaktadır. Yapılan araştırmalar sonucu bir çok yerli ve yabancı kaynaklardan baz istasyonu ve mobil baz istasyonu haberleşme sistemiyle alakalı bir çok parametreyi ve denklemi kapsayan teorik ön bilgi ortaya konulduktan sonra, bunların görselleştirmesi amacı doğrultusunda uygun program ortamında karakteristikleri oluşturulmuştur. Oluşturulan bu karakteristikler hesaplanırken sadece tek bir parametre üzerinden işlem yapılmamış farklı parametrelerde irdelenerek hesaplamalar yapılmıştır. Elde edilen karakteristikler yorumlanmıştır ve pratiğe dönüşümü gerçekleştirilmiştir. Kapsamlı ve görsel(grafiksel) olması açısından mobil baz istasyonu haberleşmesi ile ilgili uğraşacak olan kişiler, bu bitirme çalışmasında ortaya konulmuş olan karakteristikler, değerlirmeler ve yorumlardan oldukça faydalı bilgilere ulaşabilirler. vi

8 SEMBOLLER VE KISALTMALAR GSM ETSI GPRS EDGE UMTS LTE : Global System for Mobile : European Telecomunications Standar Institute : General Packet Radio Service : Enhanced Data Rates for GSM Evolution : Universal Mobile Telecommunications System : Long Term Evolution WİMAX : Worldwide Interperability for Microwave Access MS BS MSC BSC BTS PSTN HLR VLR TDMA MHz 3G W db Km h d : Mobile Station : Base Station : Mobile Switching Centre : Base Station Controller : Base Trasceiver Stations : Public Switched Telephone Network (Genel aktarmalı telefon şebekesi) : Home Location Register : Visitor's Location Register : Time Division Multiple Access : Megahertz : 3. Nesil : Watt : Desibel : Kilometre : Hour (saat) : Uzaklık vii

9 ÇİZELGE VE ŞEKİLLER Şekil 1. Hücresel ağ yapısı 4 Şekil 2.1 Baz istasyonu gösterimi 5 Şekil 2.2 Baz istasyonu sisteminin mimarisi 6 Şekil 2.3 MS arama senaryosu 7 Şekil 2.4 Sinyal gücü mesafe eğrisi 8 Şekil 3.1 Gölgeleme etkisinin bir örneği 9 Şekil 3.2 Belirli bir d uzaklığında verici anteninde alınan sinyalin gösterimi 10 Şekil 3.3 Alıcı duyarlılığı ve gelen sinyal 11 Şekil 3.4 Kırılıma uğrayan dalga şekli 13 Şekil 3.5 Kırınıma uğrayan dalga şekilleri 13 Şekil 3.6 Yansıyan dalga şekli 14 Şekil 3.7 Saçılan dalga şekli 14 Şekil 4. Serbest uzay kaybı modelinin grafiksel gösterimi 16 Şekil 4.1 Plane Earth modeline göre uzaklık-iletim kaybı eğimi 17 Şekil 4.2 Egli modeli yol kaybının yükseklik ve uzaklığa bağlı grafiği 19 Şekil 4.3 Bertoni ve Walfish modelinde bina yüksekliğine göre kayıp grafiği 21 Şekil4.4 COST 231 WI modeli Walfish ve Ikegami modelinin frekans ve uzaklığa bağlı grafiği 24 Şekil 4.5 Kentsel bölgeler için frekans ve uzaklığa bağlı olarak yol kaybı grafiği 27 Şekil 4.6 Suburban bölgeler için frekans ve uzaklığa bağlı yol kaybı grafiği 28 Şekil 4.7 Rural (Kırsal) bölgeler için frekans ve uzaklığa bağlı yol kaybı grafiği 29 Şekil 4.8 Kentsel bölge için uzaklığa bağlı olarak yol kaybı grafiği 31 Şekil 4.9 Kentsel bölge için frekansa bağlı olarak yol kaybı grafiği 31 Şekil 4.10 Hata-Okumura modeli ile ölçüm değerlerinin karşılaştırılması 32 Şekil 5.1 Urban bölgede farklı hızda giden mobillerin iletim kaybı grafikleri 34 Şekil 5.2 Yarı kentsel bölge için farklı hızda giden cisimlerin iletim kayıpları 34 Şekil 5.3 Kırsal bölge için hız-iletim kaybı grafikleri 35 Şekil 6 COST-231 Hata modeline göre frekans ve uzaklığa bağlı yol kaybı ifadesi 37 viii

10 1.GİRİŞ Proje de amacımız insanların her türlü olumsuz koşullara rağmen haberleşmelerinin kesintisiz sağlanabilmesidir. Çeşitli ortam koşullarında haberleşmenin etkileneceği hava koşullarında insanlara mümkün olduğunca az radyasyon içinde bunun sağlanması için çalışılmıştır. Kurulacak olan mobil baz istasyonunda yerleştirildiği yerde geniş bir kapsama alanı oluşturulmuş o çevrede bulunan diğer baz istasyonlarıyla beraber iletişime geçerek şebeke kapsamı genişletilmiştir. Öncelikli olarak uygun şartlarla sadece baz istasyonunun performansına ait bölgesel kapsama ve çekim grafikleri program koşullarında bilgisayar ortamında görüntülenmiştir. Karadeniz Teknik Üniversitesinin yardımlarıyla gerçekleştirilmiş olan bu proje devamındaki projelere bir ön kaynak oluşturacaktır. Çünkü hemen hemen her gün dünyanın çeşitli yerlerinde doğal afetler olmaktadır ve yaşanılan bölgelerde haberleşmede sıkıntı yaşanılmaktadır, altyapısı oluşturulacak olan sistemle bunun mümkün olduğunca önüne geçilmiştir. Yaklaşık olarak 35 km çekim alanına sahip olacak kurulacak baz istasyonu gerekli olduğunda konserlerde, spor müsabakalarında, mitinglerde vb. durumlarda yaşanılan yoğun bir haberleşme trafik hattına da çözüm olacaktır. 1

11 2. TEORİK ALTYAPI 2.1.GSM MİMARİSİ GSM adını ilk olarak 2. jenerasyon sisteminin oluşturulması amacıyla kurulan çalışma grubundan aldı (Groupe Special Mobile). Daha sonra bu grup tarafından geliştirilen sistem Global System for Mobile, kısaca GSM olarak adlandırıldı. Grup ile sistemin isimlerinin karıştırılmaması için grubun adı Special Mobile Grup (SMG) olarak değiştirildi. Avrupa da geliştirilen bu sistem tüm dünyaya yayıldı[1]. ETSI (European Telecomunication Standart Institute) 1988' de kuruldu. Bu enstitü daha önceleri farklı standartlar ile ifade edilen tüm standartları tek bir standart altında topladı. GSM standartları da bunlardan birisiydi. Gsm'nin gelişimi aşağıdaki Tablo 1 de özetliği şekildedir.[2] Mobil istasyon ile baz istasyonu arasında ki iletim bütün nesillerde sayısaldır. Tablo 1. GSM Nesilleri 0G Analog veri iletimi 1G Analog veri iletimi 2G Sayısal veri iletimi 2,5G GPRS,EDGE Devre anahtarlamalı sisteme ek olarak paket bazlı veri ileitimi 3G UMTS Daha hızlı veri iletimi bant verimliliği daha yüksek 3,5G 4G LTE,WİMAX IP tabanlı veri iletimi GSM de ülkemizde kullanılan iki seçenek mevcuttur GSM MHz MHz Uplink 935 MHz MHz Downlink UPLINK - Mobil telefondan Baz istasyonuna doğru gerçekleşen iletim yolu DOWNLINK - Baz istasyonundan Mobil telefona doğru gerçekleşen iletim yolu olarak isimlirilmektedir. 2

12 Mobil istasyon pille çalıştığı için düşük frekansları kullanır. Çünkü güç kısıtlaması var, pilin süresi kısıtlı. Bu yüzden düşük frekanslar uplinke ayrılmış, daha yüksek frekanslar ise downlinke ayrılmıştır. Uplink ile downlink arasında da 20 MHz lik bant genişliği mevcuttur. Çünkü birbirine yakın frekansların harmonikleri çakıştığından interferance oluşacaktır GSM MHz MHz Uplink 1805 MHz MHz Downlink GSM 1800 de frekans yayılımı azalır. Sinyaller çabuk sönümlenir o yüzden çok sayıda baz istasyonu kurulması gereklidir. Daha çok baz istasyonu kurulduğunda ise interferance engellemek için daha çok frekans kullanmak gerekir.[1],[3] GSM 900 için: Downlink bant genişliği 25 MHz. Uplink bant genişliği 25 MHz, GSM 1800 için ise: Downlink bant genişliği 75 MHz. Uplink bant genişliği 75 MHz dir. Türkiye'de ki GSM operatörlerinden AVEA GSM 1800 ve GSM 900, Turkcell ve Vodafone GSM 900 kullanmaktadır. GSM 900 ve 1800 bandındaki taşıyıcılar 200 khz dir. Sadece GSM 1800 kullanıldığında, uzun yol iletişimi için çok sayıda baz istasyonu kurulması gerekmektedir. Yaklaşık olarak bir karşılaştırma yapacak olursak GSM 900 de 10km'de bir, GSM 1800 de ise 2-3 km de bir baz istasyonu kurulmalıdır. Yüksek frekansın bu dezavantajına rağmen avantajı ses kalitesinin yüksek olmasıdır. Bunların dışında 3G'nin gelişimi ile birlikte 2100 MHz bandı da kullanılmaya başlanmıştır. Tek taşıyıcı vardır, interferance riski yoktur ve bütün baz istasyonlarında çalışmaktadır. Operatörlerin kullandığı kanallara bakacak olursak; Turkcell [1,55] Vodafone [57,111] AVEA ise [113,124] (GSM 900), [512,587] ( GSM 1800) numaralı kanalları kullanmaktadır. Baz istasyonu cep telefonu arası mesafe en fazla 35 km olabilir.[4] Çünkü GSM de TDMA yapısını kullandığımızdan; zaman sınırlı olduğunda mesafede sınırlı olacaktır. 35 km'nin üzerindeki mesafelerde sinyal time slot un içine sığmamaktadır. Sinyal hem gidip hem de geri geleceği için bu süre time slota sığması gerekir. 3

13 Sadece GSM 900 de 124 kanal bulunmaktadır. En büyük hücre çapının 70 km olduğunu düşünürsek. Elimizde ki 124 kanal ile Türkiye'yi kapsama alanı içine almamız mümkün değildir. O yüzden bu kanalların tekrar tekrar kullanılması düşünülmüş ve hücresel ağ yapısı ortaya çıkmıştır. Yani frekans kanalları tekrar tekrar ve farklı hücrelerde kullanılmaya başlanmış, bu sayede kapsama alanı problemi çözülmüştür. Hücresel ağ yapısına ait temsili sistem şekil 1 de gösterilmiştir. Şekil 1.Hücresel ağ yapısı 3.BAZ İSTASYONUNUN YAPISI GSM sistemi birçok bağımsız birimden oluşmaktadır. Temel olarak bir GSM networku, mobil istasyon, baz istasyonu ve network alt sistemi denilen santral birimi olarak 3 temel parçadan oluşmaktadır: Cep telefonu MS (Mobile Station) Aboneler tarafından kullanılan mobil telefonlar. Baz istasyonu BS (Base Station) Mobil telefonlarla süreki haberleşen, radyo arabirimini kontrol eden birimdir. Özetle mobil telefon ve santral arası bağlantıyı kuran birim olarak adlandırılabilir.[5] Santral MSC (Mobile Switching Centre) Mobil telefondan mobil telefona veya kablolu telofon arası görüşmeleri sağlamak amacıyla bağlantının kurulduğu ana birimdir. MSC ayrıca GSM network ünün operasyon ve yönetiminden de sorumludur. Baz istasyonu sistemi BSC (Base Station Controller) ve BTS (Base Transceiver Stations) den oluşur. BSC, radyo dalgaları ile ilgili tüm fonksiyonların anahtarlama birimidir. 4

14 Bir baz istasyonu birden fazla hücreye servis verebilir. Baz istasyonlarının bağlı bulundukları birimlere BSC (Base Station Controller) denir. BSC ler konuşma için tahsis edilen kanallardan 2 tanesini kullanarak baz istasyonlarının kontrollerini yapar. Baz istasyonu kontrol merkezleri MSC lere bağlıdır ve baz istasyonları için yapmış olduğu kontol bilgilerini MSC lere aktarır. Böylelikle baz istasyonu havadan alınan telsiz sinyallerini direkt yere indirip santrala iletir. BSC ile MSC arasında hem operatörlerin kisine ait olan hatları hem de PTT den kiralanan leased line üzerinden taşınır[6],[7],[8]. 3.1 MS (Mobile Station) Handover, radyo kanalı tahsis etme ve hücre data bilgilerini toplama görevleri vardır.[6] 3.2BTS (Base Transceiver Stations) Radyo arabirimini kontrol eder. BTS ekipmanları, transceiver-receiver (alıcı-verici ünite) ve anten oluşmaktadır ve her bir hücreye servis vermektedir. BTS ler BSC'ler tarafından kontrol edilirler. Şekil 2.1 de bir baz istasyonun örnek bir şekli gösterilmiştir. Şekil 2.1 Baz istasyonu gösterimi 3.3 BSC (Base Station Controller) Baz İstasyonlarını denetler Cep telefonu konuşma başlatırken süreç kontrol eder Location update yapar Handover sürecini kontrol eder Paging i kontrol eder Sinyalleşme kanallarını denetler 5

15 Handover hücreler arası geçiş işlemidir. Paging; MSC kine gelen konuşma talebine cevap vermeden önce aradığı numaranını hangi hücrede ve nerede olduğunu anlamak için sinyal gönderir. Bu sinyal kontrol kanalından tüm mobil istasyonlara gider. Bu kanalı dinleyen MS kisi ile ilgili bir sinyal aldığında yerini bildirir. 3.4 MSC (Mobile Services Switching Centre) Aramaları birbirine bağlar, kontrolünü ve ücretlirilmesini sağlar. Hizmet verdikleri bölgede hangi baz istasyonunun aktif olup olmadığı ve kullanılan kanalları kontrol eder. Ayrıca, networkteki bağlantının, konuşma ve data haberleşmesinin yapıldığı birimdir. GSM-->GSM e, GSM -->PSTN e, GSM -->CLIENT server lara olan bağlantıyı sağlar. PSTN sabit hat telefon şebekesidir. Client ise ağ bileşenlerine olan bağlantıdır. 3.5 HLR (Home Location Register) Cep telefonunun nerede olduğu bilgisi ve abonenin kimlik bilgilerine dair her türlü veriyi tutan bilgi bankası, bir tür database dir. HLR, abonenin ülke genelinde nerede olduğu bilgisine sahiptir. 3.6 VLR (Visitor s Location Register) Ki servis sahasındaki abonelerin bilgilerini saklar. Şekil 2.2 de bir VLR nin baz istasyonunun diğer bölümleriyle yaptığı bağlantı şekli gösterilmiştir. Şekil 2.2 Baz istasyonu sisteminin mimarisi 6

16 3.7 Mobil İstasyonlarda Konuşmanın Kurulması GSM, TDMA (Time Division Multiple Access) teknolojisini kullanarak, her konuşma kanalını 8 adet timeslot a ayırarak, bu slotlar üzerinden data taşır. 8 timeslot, aynı anda 8 kişi için görüşmeyi olanak sağlar. Fakat bu slotlardan biri kontrol amaçlı kullanılır. 1. Öncelikle abone mobil istasyon konuşmaya başlamadan sinyalleşme kanalı sorar. 2. Eğer boş bir sinyalleşme kanalı varsa BSC bu abone için bir yer ayırır. 3. Bu aşamadan sonra MS servis aldığı MSC/VLR'a call setup için talepte bulunur. 4. MSC bu talebe karşılık BSC'ye giderek boş TCH (konuşma kanalı olup olmadığını kontrol eder. Bu bilgiler BTS (Base Transiever Station ve MS(Mobile station)'a TCH (konuşma kanalının) aktif edilmesi içi gönderilir. Herşeyin olumlu olması durumunda a-numarasının, b-numarası ile konuşması için gereken trafik kanalı verilir. B numarası aranan abonenin meşgul olup olmadığı kontrol edilir. Eğer b numarası (aranan abone) cevap verirse konuşma kurulur. Şekil 2.3 de bir arama sırasında ki mobil istasyonun arama akış diyagramı gösterilmiştir. Şekil 2.3 MS arama senaryosu Radyo dalgalarının baz istasyonu ve mobil istasyonlarda yayınladıkları belirli bir güç vardır. Baz istasyonu için 20 Watt ve mobil istasyon için 2 Watt gücündedir. [1] Bu radyo dalgaları çevre koşulları ile orantılı olarak zayıflarlar. İlave bir etki olmaksızın zayıflama mesafe arttıkça daha çok artar. Mobil istasyon ve baz istasyonunun sinyalleri minimum alış seviyesi 106 dbmw tır.[1] Şekil 2.4 de mobil istasyon ve baz istasyonu arsındaki sinyal gücü mesafe ilişkisi 7

17 gösterilmiştir. Bu seviyeden daha düşük güçte gelen sinyaller alıcı tarafından işlenememektedir. Sinyallerin eriştiği bu minimum seviye kapsama alanını belirlemede yaklaşık sınırları oluşturur. Bu sınırların dışında sinyal zayıflayarak da olsa yayılımını devam ettirmektedir ve sonsuz da sıfır seviyesine yaklaşır. Zayıflayan sinyaller aynı frekansta bir sinyalle karşılaşınca bu sinyal ile interferance oluşturur. İnterference seviyesi görüşme kalitesini doğrudan etkilemektedir. Hücreler planlama aşamasındayken coğrafi konum ve sinyal güçlerinin hangi seviyede olacağı ve frekans seçimi interference etkisi göz önünde bulundurulmalıdır. Şekil 2.4 Sinyal gücü mesafe eğrisi 8

18 4. TASARIM ÇALIŞMALARI 4.1 Zayıflama Log-Normal Zayıflama Mobil cihazlar çoğunlukla değişik engeller içeren ortamlarda kullanıldığı için iletim ortamı engeller, tepeler, binalar olur. Bu durumda iletilen sinyalin gücünü zayıflatan bir etki ortaya çıkarır. Bu etkiye gölgeleme etkisi denir.[7] Aşağıdaki şekilde binanın ve dağın baz istasyonları ile mobil cihaz arasında gölgeleme etkisi yaptığını görebiliriz. Gölgelemenin ortaya çıkarttığı durum sinyalin zaman zaman zayıflamasına ve sinyalin gücünde değişikliğe yol açar. Şekil 3.1 de mobil cihazın gölgelemenin etkisinde jkaldığı örnek bir durum gösterilmiştir. Minimum noktalara zayıflama dip noktaları denir. Sinyal gücünün logaritması alındığında log-normal zayıflama elde edilir. Elde edilen zayıflama ortalama değerin etrafında normal dağılımı gösterir. Şekil 3.1 Gölgeleme etkisinin bir örneği Rayleigh Zayıflaması Günümüzde nüfusun çok olduğu bölgelerde abone sayısı yüksek ve sürekli artmaktadır.mobil telefonların bu kalabalık şehirlerde kullanılması çoklu yol veya Rayleigh zayıflaması diye adlandırılan bir bozucu etki ortaya çıkartır.bu zayıflama verici Tx anteninden çıkan sinyalin alıcı Rx antenine ulaşırken birden fazla yol alması şekliyle olur.alıcı ve verici antenler birbirlerini görmezler, verici anten çıkan sinyal değişik yollarla(binalardan geçerek) mobil istasyona ulaşır.[7] Mobil istasyona ulaşan sinyal, genliği ve fazı farklı olan sinyallerin toplamı demektir.istasyona gelen sinyaller vektörel şekilde toplanırsa sinyalin gücü sıfır 9

19 olur.zayıflamanın olduğu iki dip noktası arasında geçen zaman,transmisyon ve mobil hızına bağlıdır. Rayleigh zayıflaması hesaplanırken iki dip noktası arasındaki uzaklığın dalga boyunun yarısı olarak hesaplanır.1800mhz için bu mesafe 8cm civarında olacaktır.eğer mobil 100km/h hızla hareket ediyorsa iki dip noktası arasındaki zaman ifadesi şöyle olur; V=100km/h=27,77m/s 25m/s λ=c/f=3*10^8/1800*10^6=0,15m (λ/v)/2=3ms V:hız, λ:dalga boyudur. BTS verici anteninden uzaklaştırıldığında alıcı anteninde mobil istasyona ait sinyal gücü gösterimi şekil 3.2 de gösterilmiştir. Şekil 3.2 Belirli bir d uzaklığında verici anteninde alınan sinyalin gösterimi[/] Belirli bir d uzaklığında verici anteninde alınan sinyal şekil 3.2 de ki gibi olacaktır. 10

20 Şekil 3.3 Alıcı duyarlılığı ve gelen sinyal[/] Çıkışın belli olduğu bir sistemde alıcının duyarlılığı istenilen en küçük sinyal gücü değerine bağlıdır. Eğer verici antenin gönderdiği sinyal en küçük sinyal gücü değerinden küçükse bu bilgi kaybolur. Bu ve benzeri durumların ortaya çıkmaması için zayıflamaya karşı bir önlem alınması gerekmektedir. Buna zayıflama aralığı denmektedir. Kesintisiz bir şekilde transmisyon yapmak istiyorsak şekil 3.3 de görüldüğü gibi alıcı duyarlılığının küresel ortalama değerin altında olması gerekmektedir. Şekil 3.3 den görüleceği üzere zayıflama aralığı alıcı duyarlılığı ile küresel ortalama değer arasındadır Atmosfer Soğurması (Atmospheric Absorption) Elektromanyetik dalga şeklinde alıcı ve verici antenler arasında ilerleyen sinyal atmosferin elektromanyetik dalgaları emmesi sonucunda bir zayıflamaya sebep olur. Örneğin atmosferde su buharının neden olduğu kayıp maksimum değere 22 GHz gibi bir değerde ulaşır(0,2db/km);oksijenin neden olduğu kayıp ise maksimum değere 60 GHz gibi bir değerde ulaşır(10db/km)[1]. Ayrıca yağıştan ve sisten etkilenen radyo dalgaları yağışlı hava koşulları durumunda saçılma yapar bu da sinyalin büyük ölçüde zayıflamasına sebep olur. Bu tür yağışların sık ve sürekli yaşandığı bölgede zayıflamadan az seviyede etkilenmek için kullanılan frekans bant genişliği düşük seviyede ve iletim mesafesi kısa olmalıdır. 11

21 4.2. Çok Yollu Yayılma (Multipath Propagation) Vericiden gönderilen sinyal alıcıya ulaşana kadar yön değiştirir, engellerden geçer, saçılım yapar ve saçılan sinyaller değişik yollar alır bu şekilde alıcıya gecikmeli olarak gelen sinyal çok yolluluk olarak tanımlanır. Çok yolluluk durumunda vericiden alıcıya gönderilen sinyal hem direk dalga olarak hem de sinyalin farklı kopyaları değişik zamanlarda alıcıya ulaşır. Alıcıya çok yollu kopyalarla gelen sinyalin gücünde azalmalar ve artmalar olur.oluşan bu olaya çok yolluluk etkisi denir. Eğer alıcıya, gönderilen sinyalin çok yollu kopyaları ulaşıyorsa bu en kötü durumdur. Yani bu durumda sinyalin direkt dalga bileşenleri alıcıya ulaşmamış olur. Gönderilen sinyalin, ortamda ki beton, cam, direk ve ağaç gibi çeşitli engellere çarpıp değişik yollarla alıcıya ulaşmasına ise çoklu yol etkisi denir. Çoklu yol etkisi en kolay şekilde kablosuz ev haberleşmesinin yapıldığı yerler gibi düşünülebilir. Engellerden geçip alıcıya ulaşan sinyalin bileşke sinyali alıcıda farklı olabilir. Bunun nedeni çok yollu yayılımın etkisidir ve bu etki veri aktarım hızında önemli düşüşler yaşatabilir. Çok yolluluğa neden olayları şu şekilde açıklayabiliriz: a-kırılım(refraction) b-kırınım(diffraction) c-yansıma (Reflection) d-saçılım(scattering) Kırılım(Refraction) Bir elektromanyetik dalga yayıldığı ortamdan farklı yoğunlukta ki başka bir ortama girdiğinde yayılma hızında ve yayılma yönünde değişme olur ve bu şekilde yayılmaya devam etmesi durumuna denir. Az yoğun ortamdan çok yoğun ortama doğru ilerleyen bir elektromanyetik dalga ortamın normaline yaklaşarak ilerler. Şekil 3.4 de kırılıma uğrayan bir dalga şekli gösterilmiştir. Buradan dalganın hızının ortam yoğunluğuyla ters orantılı olduğu çıkartılabilir. 12

22 Şekil 3.4 Kırılıma uğrayan dalga şekli. Geliş açısı:, Kırılım açısı : ise Kırınım(Diffraction) Bir elektromanyetik dalganın, dalga boyundan büyük boyutlarda(d>λ) bir cisme çarpıp yön değiştirmesi ya da ilerleyen dalganın küçük bir delikten yolunu değiştirip ilerlemesine denir. Şekil 3.5 de kırınıma uğrayan dalga şekilleri gösterilmiştir. Şekil 3.5 Kırınıma uğrayan dalga şekilleri 13

23 4.2.3 Yansıma(Reflection) Elektromanyetik dalganın yayılırken içine giremeyeceği bir yüzeye çarpıp yön değiştirmesi olayına denir. Şekil 3.6 da yansıyan dalganın izlediği yol gösterilmiştir. Şekil 3.6 Yansıyan dalga şekli Saçılma(Scattering) Elektromanyetik dalganın yayılırken içine giremeyeceği bir ortamla karşılaştığında daha zayıf elektromanyetik dalgalar şeklinde her yöne yayılması olayına denir. Şekil 3.7 de saçılıma uğrayan bir elektromanyetik dalga şekli gösterilmiştir. Şekil 3.7 Saçılan dalga şekli 14

24 5.SİMÜLASYON ÇALIŞMALARI 5.1. Yol Kaybı Mobil istasyon ve baz istasyonu arasın da elektromanyetik dalga şeklinde ilerleyen bir sinyal, çapı uzaklığa bağlı olarak artan küresel yüzeyler şeklinde yayılır.[5] Yayılan bu işarette birim alana düşen güç azalır ve işaret zayıflar bu durum serbest uzay kaybı olarak tanımlanır. İdeal bir izotropik anten için serbest uzay kaybı, verici(tx) antenine uygulanan sinyal gücünün alıcı(rx) antenine ulaşan sinyal gücüne oranı olarak tanımlanır. Alınan güç yoğunluğu, Tx ve Rx antenleri arasındaki mesafe ve transmisyon frekansının karesiyle ters orantılıdır. Buradan yola çıkarak aradaki mesafeye d, kullandığımız frekansa f dersek aradaki kaybı şöyle ifade edebiliriz: Ls (1) Bu ifadede kullanan d kilometre cinsinden, f MHz cinsinden, 33,4 ise sabittir. Alıcı ve verici antenler arasında ki iletişim aktarılan sinyalin gücüne bağlıdır. Aktarılan güç verilen ifadeden de yola çıkılarak d ve f nin vericinin kapsama alanını belirlediğini söyleyebiliriz. %free space loss clc; clear all; clf L=zeros(40,400); for d=1:40; for f=150:1500; if f<2000 L(f,d)= *log10(d)+20*log10(f); [f,d]=meshgrid(150:50:1600, 1:40); L= *log10(d)+20*log10(f); surf(d,f,l); grid on; title('free space loss') xlabel('uzaklık (km)');ylabel('frekans (MHz)');zlabel('kayıp (db)'); 15

25 Şekil 4. Serbest uzay kaybı modelinin grafiksel gösterimi Serbest uzay kaybı şekil 4 ten de görüldüğü gibi uzaklık ve frekans arttıkça iletim kaybı artmaktadır. Bu en genel yazılmış formülde iletim kaybı daha gelişmiş modellere göre çalışma frekansının yüksek değerlerinde daha azdır.1500 MHz ve 40 km uzaktaki iletim kaybı 130 db dir Deneysel Modeller Plane Earth Modeli Dünya yüzeyi nedeniyle kırılmaya neden olur. Serbest uzay modeliyle mesafe ile sinyal gücü hesaplaması yapılır. Bir zeminden yansıyan güç insidans ve toprak iletkenliğinin etkisine bağlıdır.plane Earth modeliyle yol kaybını ifade edersek:[9] (2) h:verici anten yüksekliği(m) D:verici-mobil uzaklığı(km) 16

26 %Plane Earth Modeli clear all clc clf L=zeros(40,400); L2=zeros(40,400); d=1:40; h=25; h1=1.5; L = *log10(h) + 40*log10(d); L2= *log10(h1) + 40*log10(d); plot(d,l,'r') grid on hold on plot(d,l2,'r') grid on xlabel('d [km]'); ylabel('l [db]'); Şekil 4.1 Plane Earth modeline göre uzaklık-iletim kayıbı eğimi Plane Earth modelinde iletim kaybı verici antenin yüksekliği ve alıcı verici arasındaki uzaklığa bağlı olarak değişmektedir. Şekil 4.1 de verici antenin yüksekliği 1.5 m ve 25m alınmış ve sırasıyla 40 km uzaktaki iletim kaybı 172 db ve 147dB olarak hesaplanmıştır. 17

27 Şekil 4.1 de görüldüğü gibi verici anten yüksekliği kayıp faktörünü önemli ölçüde azaltıyor Egli Modeli Bu model radyo frekans yayılımı için yapılmış bir arazi modelidir. İlk olarak 1957 de John Egli tarafından tanıtılmıştır. Birkaç büyük şehirde VHF ve UHF televizyon yayınları ile ilgili veriler elde edilmiştir. Bu modelde tek bir miktar olarak yol kaybını ifade eder. Denklemi (3) te ki gibidir.[9] (3) clear all; L=zeros(40,400); for h=1:20; d=1:50; L(h,d)= *log10(h)+40*log10(d); [d,h]=meshgrid(0:50, 0:20); L= *log10(h) + 40*log10(d); surf(d,h,l); grid on; title('egli modeli') xlabel('uzaklık (km)');ylabel('yükseklik (m)');zlabel('kayıp (db)'); Şekil4.2 Egli modeli yol kaybının yükseklik ve uzaklığa bağlı grafiği 18

28 Egli modeli 50 km ye kadar uzaklık için büyük şehirlerde iletim kaybı ifadesini vermektedir. Bulunan sonuçlara göre ve şekil 4.2 den de görüleceği gibi, anten yüksekliği arttıkça azalan kayıp ifadesi alıcı verici uzaklığı arttıkça azalmaktadır Lee Modeli Basit matematiksel formülü nedeniyle sıkça kullanılır. Model seksenli yıllarda büyük veri toplama kampanyasını bir sonucu olarak ABD de geliştirilmiştir.başlangıçta 900 MHz bandında ve çevresinde yayılım yaparken son zamanlarda 2 GHz de yayılım yapabilmektedir. Lee modelinin ilk hali 1982 de oluşturulan denklemi aşağıdaki gibidir.[8] (4) Egli ve Lee modelleri tasarım olarak ve 3 ve 4 no lu denklemlerden de görüldüğü gibi birbirine çok benzerdir. Lee modelinin grafiği de Şekil 4.2 de ki Egli modelinin yol kaybı grafiğine benzer olacağı açıkça gözükmektedir Bertoni ve Walfish Modeli Bazı teorik ve deneysel modellerde mobil iletişim sisteminde yol kaybı için kabul edilmiş bir modeldir. Ancak bir gerçek ortamda alınan sinyalin değişikliklere tabi olduğu bilinir. Genel olarak, kullanılan Bertoni-Walfish modelinde bina yüksekliği değişir veya satır merkez-merkez aralığı değişkenlik gösterir. Şekil 4.3 de görüleceği üzere Bertoni- Walfish modelinde bina yüksekliğine göre yol kaybı artmaktadır. (5) (6) h b :bina yüksekliği(m) d b: distance at building centers (m) 19

29 clear all clc hb=50;%bina yüksekliği hm=3; db=25; D=35; h=1:5:49; A=5*log10((db/2)^2 + (hb-hm)^2) - 9*log10(db)*(atan(2*(hb-2*hm)/db)); L= A -18*log10(h-hb) +38*log10(D); plot(h,l,'r'); grid on xlabel('h [m]'); ylabel('l [db]'); Şekil 4.3 Bertoni ve Walfish modelinde bina yüksekliğine göre kayıp grafiği COST 231 WI (Walfish-Ikegami) Yol Kaybı Kestirim Modeli COST 231 WI modeli Walfish ve Ikegami nin geliştirmiş olduğu yol kaybı denklem modellerinin ortak bir birleşimi sonucu COST 231 Yayılım Modelleri Alt Grubu üyeleri tarafından kullanılması için önerilmiş bir modeldir. Bu modelde asıl amaç kablosuz haberleşme sistemlerine daha uygun gerçekçi parametrelerin analizini sağlamaktır. [10],[11],[12] (7) 20

30 Yukarıda verilen yol kaybı ifadesin de L0 serbest uzay kaybı, Lrts çatı üzerinden sokağa doğru gerçekleşen saçılım ve kırınım kayıpları, Lmsd ise çoklu ekran kırınım kayıplarını göstermektedir. ifadesi: (8) Buradaki denklemde d km cinsinden uzaklığı f ise MHz cinsinden frekansı göstermektedir. ifadesi: (9) ifadesi: (10) ifadesinde ki q yönlenme açısı olup vericiden çıkan ve sokak arasında bulunan kullanıcıdan önceki çatı üzerine doğru gelen ışının sokak hattıyla yaptığı dar açıdır. Bu denklemde hesaplanacak olan bina yüksekliği ve sokak aralığı m cinsinden ifade edilir. (11) (12) ifadesi çoklu ekran kırınım kayıplarının belirlenmesi için kullanılan modeldir (13) (14) : Aktarıcı antenin boyu binanın boyundan küçük olması durumunda ortaya çıkan yol kaybının artması durumunu göstermektedir. 21

31 (15) : Aktarıcı anteni, bina yüksekliği ve kullanıcı anteni yüksekliğine bağlı durumu göstermektedir. (16) : Elektromanyetik dalga frekansına göre ortaya çıkacak durumu göstermektedir. (17) Yukarda belirtilmiş olan OBK orta seviye yüksekliğe sahip şehri, KD şehir merkezine uzak olan yerleşim bölgesini, BK ise büyük şehirleri göstermektedir. clear all clc w=25;%sokak genişliği hm=3; %1<hm<3 x=45; %bina aral??? %hbs=35; % Hb=60;%bina yüksekliği s1=1; for d=0.02:0.1:5 %km s2=1; for f=800:10:2000 for q=0:90 if q<35 Lori= *q; elseif q>35 && q<55 Lori= *q; elseif q>55 && q<90 Lori= *q; ahm=hb-hm; Lrts(s1,s2)= *log10(w)+10*log10(f)+20*log10(ahm)+Lori; L0(s1,s2)= *log10(d)+20*log10(f); 22

32 s2=s2+1; s1=s1+1; s1=1; for dd=0.02:0.1:5 s2=1; for fx=800:10:2000 for hbs=35:95 ahbs=hbs-hb; if hbs<=hb&&fx<400&&fx>250 Lbsh=0; ka=54-0.8*ahbs; kd=18-15*ahbs/hm; kf=-4+0.7*(fx/925-1); if hbs>hb&&fx>=400 Lbsh=-18*log10(1+ahbs); ka=54; kd=18; kf=-4+1.5*(fx/925-1); Lmsd(s1,s2)=Lbsh+ka+kd*log10(dd)+kf*log10(fx)-9*log10(x); s2=s2+1; s1=s1+1; ind1= (Lmsd + Lrts)>0; L(ind1)=Lmsd(ind1) + Lrts(ind1)+L0(ind1); L(~ind1)=L0(~ind1); L=reshape(L,size(Lmsd)); [f,d] = meshgrid(800:10:2000,0.02:0.1:5); surf(d,f,l) xlabel('uzaklık (km)');ylabel('frekans (MHz)');zlabel('kayıp (db)'); 23

33 Şekil 4.4 COST 231 WI modeli Walfish ve Ikegami modelinin frekans ve uzaklığa bağlı grafiği Bu model hem Walfish hem de Ikegami nin geliştirmiş olduğu modellemelerin daha geniş kapsamlı olması amacıyla COST 231 Yayılım Modelleri Alt Grubu üyeleri tarafından önerilmiş bir modeldir. Yapılan hesaplamalar sonucu baz istasyonundan çıkan veya mobil anten çıkan sinyaller in saçılma ve kırınıma uğrama gibi durumları da ele alınmıştır. Bu hesaplamalar yapılırken mobil cihazın binalar içerisindeki durumu, binalar arasında kalabileceği durum göz önüne alınmıştır. Şekil 4.4 de görüleceği üzere kayıp ifadesi Walfish ve Ikegami modellerine göre daha sağlıklı değerler göstermektedir. Ayrıca yapılan hesaplamalar, inceleme yapılan bölgelerin bulunduğu konumu da ele alarak sınıflandırılma yapılmıştır Hata-Okumura Modeli En geçerli modeldir. Bu modelde okumura modeli grafik bilgilerini içerir ve şehir yapıları nedeniyle dönme, yansıma ve saçılma etkilerini gerçekleştirmek için daha da geliştirilmiştir. Bölgeleri 3 kısma ayırır: Kırsal, kentsel ve yarı kentsel.[10],[13] 24

34 Urban(Kentsel) Bölgeler 69,55 sayısı Tokyo için geliştirilmiş bu model de bir sabittir. D:alıcı verici uzaklığı haberleşme mesafesi(km) f:haberleşme frekansı (MHz),taşıyıcı frekansı h m: mobil birim anten yüksekliği (1,5m) (18) (db) (küçük ve orta ölçekli kent) (19) (400MHz f c ) (20) (400MHz f c ) (21) (Büyükkentlerde) mobil anten yüksekliği düzeltme birimidir. Suburban(Yarı kent) Bölgeler (22) ı hesaplarken küçük ve orta ölçekli kentlerden hesaplanır. Rural(Kırsal) Bölgeler (23) 25

35 Tüm bunlar dışarıda yani açık havada geçerli olan modellerdir.bina içi modellerde ise mobil haberleşmede katlar arası 15dB lik bir kayıp hesaplanmıştır.bina içi için geliştirilmiş bir model aşağıdaki gibidir: (24) R 0:bina ile verici uzaklığı R:alıcı ile verici uzaklığı 2 5 (arasında değişen yol kaybı uzaklık eğrisinin eğimidir) clear all clc clf lurban=zeros(40,400); h=50;%verici anten yüksekliği hm=1.5;%mobil anten yüksekliği for d=1:40 for fc=150:1500%antenin kapsama alanı if fc<=250 ahm=(1.1.*log10(fc)-0.7).*hm-1.56.*log10(fc)-0.8; if fc<400&&fc>250 ahm=8.29*(log10(1.54*hm))*(log10(1.54*hm))-1.1; if fc>=400 ahm=3.2*(log10(11.75*hm))*(log10(11.75*hm)); lurban(d,fc)= *log10(fc) *log10(h)- ahm+( *log10(h)).*log10(d); [fc,d] = meshgrid(1:400, 1:40); lurban= *log10(fc) *log10(h)-ahm+( *log10(h)).*log10(d); lsuburban=lurban -2*log10((fc/28).*(fc/28) )- 5.4; lrural=lurban-4.78*log10(fc).*log10(fc)+18.33*log10(fc)-40.94; surf(d,fc,lurban) figure,surf(d,fc,lsuburban) figure,surf(d,fc,lrural) xlabel('uzaklık (km)');ylabel('frekans (MHz)');zlabel('kayıp (db)'); 26

36 Şekil. 4.5 Kentsel bölgeler için frekans ve uzaklığa bağlı olarak yol kaybı grafiği. Şekil 4.5 de görüldüğü gibi en düşük çalışma frekansı 400 MHz de en yakın noktada kayıp db dir. Aynı uzaklıkta frekansın artmasıyla kayıbın artığı grafik üzerinde görülmektedir. Frekansı sabit alıp uzaklık arttırıldığında yol kaybı yine artmaktadır. Bunlar daha detaylı olarak Şekil 4.7, Şekil 4.8 ve Şekil 4.9 da gösterilmiştir. Şekil 4.6. Suburban (yarı kentsel) bölgeler için frekans ve uzaklığa bağlı yol kaybı grafiği. 27

37 Suburban bölgeler için kullanılan hata okumura modelinde ki formül göz önüne alınıp programı yazıldıktan sonra Şekil 4.6 de ki grafik elde edilmiştir. En yakın noktada(0 km) ve en düşük frekans(400 MHz) için yol kaybı db dir. Şekil 4.7. Rural (Kırsal) bölgeler için frekans ve uzaklığa bağlı yol kaybı grafiği. Kırsal bölgeler de yol kaybı kentsel ve yarı kentsel bölgelere göre daha azdır. Bunun sebebi kentsel bölgeler de amaç daha yakın bölgelere daha güçlü sinyal ulaştırmak, kırsal bölge de ise en uzak noktalara daha güçlü sinyal ulaştırmak olduğundan kırsal bölge için çizdirilen grafiklerden de görüldüğü gibi yol kaybı kentsel ve yarı kentsel bölgelere göre daha azdır. Frekansa ve uzaklığa bağlı yok kayıpları clc; close all; clear all; fc = 150:5:1500; d = 1:0.01:35; hm = 5; % mobil anten alıcı hb1 = 30; % verici f = 1000; d1 = 15; % fc >= 400MHz ahm = 3.2*(log10(11.75*hm)).^2-4.97; 28

38 % Urban(Kentsel) Bölge Lurban1 = *log10(f) + ( *log10(hb1))*log10(d) *log10(hb1) - ahm; Lurban2 = *log10(fc) + ( *log10(hb1))*log10(d1) *log10(hb1) - ahm; % Suburban (Yarı Kent) Bölge Lsuburban1 = Lurban1-2*(log10(f/28)).^2-5.4; Lsuburban2 = Lurban2-2*(log10(fc/28)).^2-5.4; % Rural(Kırsal) Bölge Lrural1 = Lurban1-4.78*(log10(f)).^ *log10(f) ; Lrural2 = Lurban2-4.78*(log10(fc)).^ *log10(fc) ; figure(1); plot(d, Lurban1, 'r*-'); hold on; plot(d, Lsuburban1, 'b.'); hold on; plot(d, Lrural1, '--g'); hold on; xlabel('d [km]'); ylabel('l [db]'); grid on; title('uzaklığa göre yol kaybı') figure(2); plot(fc, Lurban2, 'r*-'); hold on; plot(fc, Lsuburban2, 'b.'); hold on; plot(fc, Lrural2, '--g'); hold on; xlabel('fc [MHz]'); ylabel('l [db]'); grid on; title('frekansa göre yol kaybı') 29

39 Şekil 4.8. Kentsel bölge için uzaklığa bağlı olarak yol kaybı grafiği Şekil 4.9. Kentsel bölge için frekansa bağlı olarak yol kaybı grafiği Bu alanda yapılan çalışmalar sonucu elde edilen grafikler ile ölçüm yapılarak karşılaştırılmalıdır. Buna bir örnek olarak Şekil 4.10 daki çalışmayı gösterebiliriz. 30

40 Şekil 4.10 Hata-Okumura modeli ile ölçüm değerlerinin karşılaştırılması [11] Hata-Okumura Modelinde Hız Etkisi Hata-Okumura modelinde iki farklı hızda giden cisim için hızdan dolayı oluşan iletim kaybı farklıdır. Öncelikle hızın frekans üzerindeki etkisini hesaplayabilmek için (25) no lu doppler frekansı denklemi kullanılmıştır. Doppler frekansı bulunduktan sonra çalışma frekansı değiştirilmiştir. Cisim eğer uzaklaşıyorsa doppler frekansı ile çalışma frekansı toplanır. Eğer yaklaşıyorsa çalışma frekansından doppler frekansından çıkarılır ve yeni frekans değeri (18), (19), (20), (21) ve (22) no lu denklemler de yerine konularak hata okumura modeli ile iletim kaybı hesaplanabilir.[7] (25) (18) no lu denklemde c ışık hızı 3*10^8 m/s, v ise hareketli olan mobilin hızıdır. Farklı hızda vericiden uzaklaşan mobillerin hızının karşılaştırılması için kullanılan kod dizini aşağıdaki gibidir. Konu ile ilgili Maltab kodları aşağıda verilmiştir. 31

41 clear all clc clf h=50; hm=1.5; c=300; V=3; Va=30; s1=1; for d=1:40 s2=1; %verici anten yüksekliği %mobil anten yüksekliği %yaya hızı 3 m/s %Araç hızı 30 m/s for fx=150:10:1500 ft=(2*v*fx)/c; ff=(2*va*fx)/c; fc=ft+fx; fcc=ff+fx; if fc<=250&&fcc<=250 ahm=(1.1.*log10(fc)-0.7).*hm-1.56.*log10(fc)-0.8; ahmm=(1.1.*log10(fcc)-0.7).*hm-1.56.*log10(fcc)-0.8; if fc<400&&fc>250&&fcc<400&&fcc>250 ahm=8.29*(log10(1.54*hm))*(log10(1.54*hm))-1.1; ahmm=8.29*(log10(1.54*hm))*(log10(1.54*hm))-1.1; if fc>=400&&fcc>=400 ahm=3.2*(log10(11.75*hm))*(log10(11.75*hm)); ahmm=3.2*(log10(11.75*hm))*(log10(11.75*hm)); lurban(s1,s2)= *log10(fc) *log10(h)- ahm+( *log10(h)).*log10(d); lurba(s1,s2)= *log10(fcc) *log10(h)- ahmm+( *log10(h)).*log10(d); s2=s2+1; s1=s1+1; [fc,d] = meshgrid(150:10:1500, 1:40); [fcc,d] = meshgrid(150:10:1500, 1:40); %verici antenin çalışma frekansı lsuburban=lurban -2*log10((fc/28).*(fc/28) )- 5.4; lrural=lurban-4.78*log10(fc).*log10(fc)+18.33*log10(fc)-40.94; lsuburba=lurba -2*log10((fcc/28).*(fcc/28) )- 5.4; lrura=lurba-4.78*log10(fcc).*log10(fcc)+18.33*log10(fcc)-40.94; surf(d,fc,lurban) xlabel('uzaklık (km)');ylabel('frekans (MHz)');zlabel('iletim kaybı (db)'); figure,surf(d,fcc,lurba) xlabel('uzaklık (km)');ylabel('frekans (MHz)');zlabel('iletim kaybı (db)'); figure,surf(d,fc,lsuburban) 32

42 xlabel('uzaklık (km)');ylabel('frekans (MHz)');zlabel('iletim kaybı (db)'); figure,surf(d,fcc,lsuburba) xlabel('uzaklık (km)');ylabel('frekans (MHz)');zlabel('iletim kaybı (db)'); figure,surf(d,fc,lrural) xlabel('uzaklık (km)');ylabel('frekans (MHz)');zlabel('iletim kaybı (db)'); figure,surf(d,fcc,lrura) xlabel('uzaklık (km)');ylabel('frekans (MHz)');zlabel('iletim kaybı (db)'); Şekil 5.1. Urban bölgede farklı hızda giden mobillerin iletim kaybı grafikleri Şekil 5.1 den görüldüğü gibi 9 km uzaklıkta ve 230 MHz çalışma frekansında 3 m/s hızla uzaklaşan cisme ulaşan sinyalin iletim kaybı 163,3 db iken 30 m/s hızla uzaklaşan cisme ulaşan sinyalin iletim kaybı 165,2 db dir. Görüldüğü üzere ne kadar hızlı uzaklaşırsa cisim, ona ulaşan sinyal o kadar çabuk sönümlenir. Şekil 5.2. Yarı kentsel bölge için farklı hızda giden cisimlerin iletim kayıpları Şekil 5.2 de görüldüğü gibi yarı kentsel bölgeler de 3 m/s hızla uzaklaşan cisme 17 km uzakta ve 340 MHz de ulaşan sinyalin iletim kaybı 171,9 db dir. 30m/s hızla uzaklaşan 33

43 cisme aynı uzaklıkta ve aynı frekansta ulaşan sinyalin iletim kaybı ise 173,8 db dir. Hızlar arasında ki farklar arttırıldıkça kayıplar arasındaki farkta artmaktadır. Şekil 5.3. Kırsal bölge için hız-iletim kaybı grafikleri Şekil 5.3 de kırsal bölgede de oluşan durum diğer bölgelerden farklı değildir. 31 km uzaklıkta ve 340 MHz de 3 m/s hızla uzaklaşan mobile gelen sinyalin iletim kaybı 171,2 db iken 30 m/s hızla uzaklaşan mobile gelen sinyalin iletim kaybı 173 db dir. Grafiklerde belirli frekans değerlerinde kayıpta ani düşüşler gözükmektedir. Bunun sebebi hata okumura modelinde çalışma frekansına göre mobil anten düzeltme faktörü olan a(hm) nin denklemlerinin değişmesinden kaynaklanır COST-231 Hata modeli Bu modelde kullanılacak frekans aralığı 2000MHz frekans değerini de içine alması için çeşitli düzenlemelerin yapılması sonucu elde edilen modeldir. Model için geliştirilen kayıp hesabı (14) no lu denklem de verilmiştir. Şekil 6 da bu modelle alakalı yapılan simulink çalışması gösterilmiştir. (15) İfadesiyle tanımlanmaktadır. :hareketli bir abonenin kullanılan anten yüksekliğine bağlı olarak tanımlanan düzeltme kat sayısı 34

44 Metropolitan alanlar için :3 db, orta büyüklükteki şehirler ve banliyö alanlar için db dir. Modeldeki diğer değişkenlerin tanım aralıkları aşağıdaki gibidir. 10 clear all clc hm=2; hb=50; Cm=3; for d=1:35 for f=100:2000 if f<=250 HM=(1.1*log10(f)-0.7)*hm-(1.56*log10(f)-0.8); if f<400&&f>250 HM=8.29*(log10(1.54*hm))^2-1.1; if f>=400 HM=3.2*(log10(11.75*hm))^2-4.97; Lu= *log10(f)-13.82*log10(hb)-HM *log10(hb*log10(d))+Cm ; [f,d] = meshgrid(1:400, 1:35); Lu= *log10(f)-13.82*log10(hb)-HM *log10(hb*log10(d))+Cm; surf(d,f,lu) xlabel('uzaklık (km)');ylabel('frekans (MHz)');zlabel('kayıp (db)'); 35

45 Şekil 6 : COST-231 Hata modeline göre frekans ve uzaklığa bağlı yol kaybı ifadesi 36

46 6.SONUÇLAR Mobil baz istasyonu performans analizi başlığı altında incelediğimiz ve gereken araştırtmaları yaptığımız bu çalışmamız da mobil baz istasyonunun teorik olarak uygulama sonuçlarını gözlemledik. Çalışmamızı bize ve bizden sonra bu konuyla ilgili araştırma yapmak isteyecek kurum ve kuruluşlar için geniş kapsamlı bir hala getirdik. Yaptığımız çalışmayı ele almamızın sebebi, sürekli kullandığımız ve her gün gelişmekte olan haberleşme sektörünün kullanmış olduğu baz istasyonununve mobil baz istasyonun çalışma şeklini, daha verimli hangi koşullarda çalışabileceğini gözlemlemek adına böyle bir çalışma yapılmıştır. Yapılan çalışmada bir mobil baz istasyonunun kurulacağı bölgeler ayrı ayrı düşünülmüş ve ağırlıklı olarak frekans ve uzaklığa bağlı ortaya çıkan yol kaybı ifadeleri incelenmiştir. Çalışma şeklimizi bu konuda yapılan deneysel modellemeleri göz önüne alarak ve bu konuda yapılmış önemli çalışmaları inceleyerek gerçekleştirdik. Çalışmamız da ağırlıklı olarak kabul gören hata-okumura ve bu modellemeden doğan modellemeleri inceledik. Çünkü hata okumura modelinde bu konuyla alakalı yapılan çalışmalardan daha kesin sonuçlar elde edebileceğimizi yorumladık. Baz istasyonun performansı ile ilgili yapılan çalışmalar da şehirler yapıları gereği 3 başlık altın da ele alınmıştır. Büyük yerleşim alanlarına urban bölge, büyük yerleşim alanlarından küçük olan bölgelere suburban bölge ve yerleşim alanına uzak olarak sınıflandırılan daha çok kırsal bölge diye adlandırılan bölgelere de rural bölge denilmiştir. Konuyla alakalı yapılan çalışmalar bu bölgeleri incelemektedir. Yukarıda bahsedildiği gibi bir haberleşme sisteminin çalışmasıyla alakalı olarak yapılan çalışmalar frekans, uzaklık ve inceleme yapılan bölgeyle alakalı olduğu görülmektedir. Bizde yaptığımız incelemelerde bu değerlerle paralel bir çalışma yaptık. Yaşadığımız dünya da an itibariyle haberleşme sektörü çok önemli bir değere sahiptir. Yaklaşık olarak 7 milyar insanın yaşadığı dünyada insanların 2/3 ü birbirleriyle haberleşmek için telefonları ve cep telefonlarını kullanmaktadır. Günümüz de hemen hemen her insanın cep telefonu vardır ve bu cep telefonlarını genelde hareketli bir şekilde kullanılırlar. Hareketli olarak kullanılan cep telefonları sokaklarda, bina içlerinde, ağaçlık bölgelerde ve deniz üzerinde bulunabilir. GSM firmaları bu koşulardan doğabilecek yol kayıplarını, saçılımları, kırınımları, atmosfer etkilerini de hesaba katarak baz istasyonlarını müşterilerinin en verimli şekilde birbirleriyle haberleşmelerini sağlamak için kurarlar. 37

47 Doğal olarak uygun haberleşmenin sağlanıp sağlanmadığının incelenmesi için baz istasyonunun önemi çok büyüktür. Gerektiğinde kurulan ve haberleşmenin daha etkin şekilde sağlanması için var olan mobil baz istasyonları genellikle zor şartlarda kullanılırlar. Çeşitli doğal afet durumlarında, konserlerde, miting ve spor müsabakalarının olduğu durumlarda bu bölgedeki baz istasyonu zarar görmüş olabilir veya verimli şekilde haberleşme sağlayamayabilir. İşte bu durumlarda mobil baz istasyonu kurulur. Kurulacak olan baz istasyonunun kurulması planlandığı bölgede ki performansı doğal olarak önemlidir. Kurulacak olan baz istasyonun kurulmadan önce bize bilgi vermesi doğrultusunda yaptığımız çalışma bize baz istasyonunun yeterliliği ve gerekirse kurulması gereken baz istasyonu sayısı hakkında bilgi vermektedir. Akademik alanda bizden daha önce bu konuyla alakalı çalışma yapmış bir çok çalışma, makale ve tezi göz önüne aldığımızda bu konuyla alakalı gerçekleştirilebilecek en iyi çalışmalardan bir tanesini hayata geçirmek için başladığımız çalışmamızda bir çok kaynağı ve referansı ele alarak bulunan sonuçlar ve bizim elde ettiğimiz sonuçlar doğrultusunda uygun bir şekilde haberleşmenin sağlanabilmesi için mobil bir baz istasyonunun performansına etki edebilecek kriterler bize baz istasyonunun haberleşmede ki kriterinin göstermektedir. 38

48 7. YORUMLAR VE DEĞERLENDİRME Projenin başında da belirtildiği gibi tek bir parametreye bağlı kalınmaksızın değişik parametrelerde incelenip her koşulun incelenmeye çalışıldığı bir çalışma ortamı oluşturulmuştur. Hedeflediğimiz doğrultuda beklenilen ve yaptığımız plana göre gerçeklenen bu proje istediğimiz amaca uygun bir şekilde gerçeklenmiştir. Yaptığımız çalışmada baş vurduğumuz ve incelediğimiz bir çok kaynak doğrultusunda ele alınan bir çok koşul göz önüne alınıp yorumlanmaya çalışılmıştır. Yapılan çalışmadan da görüleceği gibi baz istasyonunun etkileneceği bazı parametrelerden bahsedecek olursak bunları frekans, uzaklık, verici anten boyu, alıcı anten boyu, binaların yüksekliği ve hıza bağlı olacak şekilde verilebilir. Frekansın uzaklığa bağlı olarak değişimi hata- okumura modeline göre şekil şekil 3.5, şekil 3.6, şekil 3.7 üzerinde görülmektedir. Buradan yola çıkarak frekans ve uzaklığın yol kaybı ifadesinde etkin bir rol oynadığı görülebilir. Frekans arttığında ve uzaklık arttığında ortaya çıkacak yol kaybı ifadesi artmaktadır. Frekans ve uzaklıktan sonra değerlirilebilecek bir başka parametre hız ifadesi olabilir. Şekil 4.1, şekil 4.2, şekil 4.3 de hızın yol kaybına olan etkisi görülmektedir. Burada hızdan kaynaklı ortaya çıkabilecek yol kaybı ifadesini bulmak için hareketli bir cisim olacağından doppler frekansını hesaplamalarımızın içine kattık. Uygulama yapılması planlanan bölgenin frekans değerlerini göz önüne aldık ve bir doppler frekansı hesapladık. Bunun sonucunda uygulamada yerleştirilecek mobil baz istasyonundan uzaklaşacak bir cisim düşünülmüş ve yeni frekans değeri buna göre elde edilmiştir ve hızdan dolayı ortaya çıkacak yol kaybı ifadesi iki ayrı hız değeri için aynı anda incelenmiş ve aralarındaki fark da şekil 4.1, şekil 4.2, şekil 4.3 de gösterilmiştir. Tüm incelenen durumların yanında en önemlisi tabiki de insan sağlığını ön planda tutmaktır. Baz istasyonları yaydığı radyasyon sonucu insan sağlığı için kötü durum oluşturabilecek etkilere sahiptir. Bu nedenle kurulan veya kurulması planlanan baz istasyonları mümkün olduğunca yerleşim alanlarında insanların sağlığına az etki edecek yerlere kurulmalıdır. Yapılan çalışmalarda baz istasyonun çalışabileceği maksimum alan en iyi şekilde ayarlanabilir ve baz istasyonlarının insan sağlığı üzerindeki bu önemli etkisi en aza indirilebilir. 39

49 İhtiyaç duyulması halinde yapılan projenin test edilebileceği durumlar konser alanları, deprem olan bölgeler, spor müsabakalarının yapıldığı stadyumlar, doğal afetlerin gerçekleştiği ve baz istasyonlarının zarar gördüğü yerleşim alanları sıralanabilir. Haberleşme sektöründeki olumsuzlukları incelemek ve bir mobil baz istasyonunun karşılaşabileceği sorunları ele almak için başladığımız bu projede yaptığımız araştırmaları ve çalışmalar ortaya konulmuştur. Biz ve bizden sonrakilere yardımcı olabilecek bu çalışma, bu konuyla alakalı inceleme yapmak isteyen kurum ve kuruluşlara büyük ölçüde faydalı olacaktır. Yaptığımız çalışmada mümkün olduğunca faydalı bir çalışma ortaya konulmak istenmiştir. Haberleşme alanında yapılan çalışmalar her geçen gün artmaktadır. Bunun bir sonucu olarak da baz istasyonu ve mobil baz istasyonlarının çalışması ile alakalı çeşitli gelişmeler olmaktadır. Yapılan bu çalışmada haberleşme ortamınla alakalı çalişma koşulları ele alınmış ve değerlirilmiştir. 40

50 KAYNAKLAR [1]. Erdem Can, Mobil Cihazların Çalışma Sistemleri Ve Çevre Üzerindeki Etkileri, Gazi Üniversitesi, Ankara, [2]. Demet Gülseren, Mobil İletişim Teknolojilerinin Öğrenci Bilgi Sistemlerinde Kullanımı Ve Bir Uygulama, Aralık, [3]. William C. Jakes, Microwave Mobile Communications, [4]. Viyaj Kumar Garg, Joseph E. Wilkes, Principles And Applications Of Gsm, Prentice Hall Ptr, [5]. Yücel Yaşar Büyüklü, Üçüncü Nesil (3n) Sistemler İçin Eko İstatistikleri Ve Ads İle Bir Sistem Benzetimi, Samsun, [6]. C. Harputoğlu, GSM in Altyapısı Ve Gelişimi, Haziran, [7]. Serkan Kayacan, GSM DE FREKANS Planlama Yöntemleri Ve Hücrelere Frekans Ataması Yapacak Planlama Yazılımı Gerçekleştirimi, İzmir, [8]. Mustafa Serdar Özkul, GSM Baz İstasyonlarından Elde Edilen Konum Bilgisinin Havacılıkta Uçakların İniş Sürecinde Kullanılması, Nisan,2008. [9]. Garry C. Hess, Handbook Of Land-Mobile Radio System Coverage, [10]. Sumit Joshi, Vishal Gupta, A Review On Empirical Data Collection And Analysis Of Bertoni s Model At 1.8 Ghz, International Journal Of Computer Applications, 2012 [11]. Öznur Toptaş, GSM ( 900 / 1800 MHz ) Yayınlarının Kapsama Analizi Ve Modellemeler, [12]. Alper Han, Binaların Ve Arazi Yapısının Kentsel Bölgedeki Kablosuz Haberleşmede Oluşan Yol Kayıplarına Etkileri Ankara, [13]. Osman Büyükeroğlu Gsm El Değiştirmenin Yapay Sinir Ağlarıyla Modellenmesi, İstanbul, [14]. Rappaport, Wireless Communication Principles And Practice, [15]. Jose M.Hernando, F. Perez-Fontan, Introduction To Mobile Communications Engineering, [16]. Herve Sizun, Radio Wave Propagation For Telecommunication Applications,