MİKRODENETLEYİCİ TABANLI KABLOSUZ VERİ TOPLAMA UYGULAMALARI

Transkript

1 T.C. MARMARA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ MİKRODENETLEYİCİ TABANLI KABLOSUZ VERİ TOPLAMA UYGULAMALARI Ömer ERİŞ YÜKSEK LİSANS TEZİ ELEKTRONİK BİLGİSAYAR EĞİTİMİ ANABİLİM DALI ELEKTRONİK-HABERLEŞME EĞİTİMİ PROGRAMI DANIŞMAN Doç. Dr. Hayriye KORKMAZ İSTANBUL 2010

2 T.C. MARMARA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ MİKRODENETLEYİCİ TABANLI KABLOSUZ VERİ TOPLAMA UYGULAMALARI Ömer ERİŞ ( ) YÜKSEK LİSANS TEZİ ELEKTRONİK BİLGİSAYAR EĞİTİMİ ANABİLİM DALI ELEKTRONİK-HABERLEŞME EĞİTİMİ PROGRAMI DANIŞMAN Doç. Dr. Hayriye KORKMAZ İSTANBUL 2010

3 TEŞEKKÜR Çalışmalarım boyunca değerli yardım ve katkılarıyla beni yönlendiren danışmanım Doç. Dr. Hayriye KORKMAZ a, tezimin her aşamasında benden yardımlarını esirgemeyen aileme ve arkadaşlarıma teşekkürlerimi sunarım. Temmuz, 2010 Ömer ERİŞ i

4 İÇİNDEKİLER SAYFA TEŞEKKÜR... i İÇİNDEKİLER... ii SAYFA... ii ÖZET... iv ABSTRACT... vi KISALTMALAR... viii ŞEKİLLER... x TABLOLAR... xii BÖLÜM I. GİRİŞ VE AMAÇ... 1 BÖLÜM II. GENEL BİLGİLER... 3 II.1 KABLOSUZ İLETİŞİM TEKNOLOJİLERİ... 3 II.2 ELEKTROMANYETİK TAYF... 3 II.3 KABLOSUZ İLETİŞİM YÖNTEMLERİ... 4 II.3.1 Kızıl Ötesi (Infrared)... 4 II.3.2 Radyo Frekans (RF)... 5 II.3.3 Uydu Haberleşme Sistemleri... 9 II.4 KABLOSUZ İLETİŞİM AĞLARI II.4.1 WPAN II Bluetooth II HomeRF II Zigbee II.4.2 WLAN II IEEE x Standardı ii

5 II HiperLAN II.4.3 WMAN II Wimax II.4.4 WWAN II GSM II GPRS II EDGE II UMTS II CDMA II.5 BENZER ÇALIŞMALAR BÖLÜM III. KABLOSUZ VERİ TOPLAMA SİSTEMİNİN TASARIMI VE GERÇEKLEŞTİRİLMESİ III.1 DONANIM III.1.1 Verici birimin çalışma prensibi III.1.2 Verici Birim Donanımı III Algılayıcı Ünitesi III Kontrol Ünitesi III RF Modül Ünitesi III Regüle Ünitesi III.1.3 Alıcı birimin çalışma prensibi III.1.4 Alıcı Birim Donanımı III.2 YAZILIM III.2.1 Mikrodenetleyicinin Programlanması III Verici Ana Kontrol PIC16F877A Yazılımı III Alıcı Ana Kontrol PIC16F877A Yazılımı III.2.2 LabVIEW ile Arayüz Tasarımı BÖLÜM IV. SONUÇ VE ÖNERİLER KAYNAKLAR EKLER ÖZGEÇMİŞ iii

6 ÖZET MİKRODENETLEYİCİ TABANLI KABLOSUZ VERİ TOPLAMA UYGULAMALARI Günümüzde bilgiye her yerde, hızlı ve rahat bir şekilde ulaşmanın önemli bir hâle gelmesi, kablosuz ağ sistemlerinin büyük önem kazanmasına sebep oldu. Bugün insanların büyük bir çoğunluğunun cep telefonları sayesinde kablosuz ağ sistemlerini kullanmaları buna iyi bir örnektir. Kablosuz Ağ sistemleri, gelecekte önemini yitirmeyecek, hatta daha çok teknolojik yatırım yapılacak bir alan haline gelecektir. Kablosuz ortam kullanıcıya, kablolu bağlantı tarafından sunulan hizmetlerin benzerini vermektedir. Yer ve zaman kısıtlamalarını ortadan kaldırarak, kullanıcıya her yerde kolay bir şekilde çalışabilme imkanı sunar. Diğer kablosuz cihazlara bağlanan cihazlar, mobil çalışanlara daha kesintisiz çalışma yöntemleri sağlar. Kablosuz ortam işinizin daha becerikli ve verimli hâle gelmesi demektir. Kablosuz algılayıcılar ile veri toplama uygulamaları günümüzde, hareketli hedef takipleri, uzaktan algılama ve denetleme vb alanlarda; özellikle de medikal alanda hareketli bir hasta üzerinden algılanan biyolojik işaretleri ana üniteye aktarma konusunda sıklıkla kullanılmaktadır. Bu çalışmada, RF (434 MHz) standardı kullanılarak biri medikal alanda, diğeri ev otomasyonu alanlarında olmak üzere iki farklı uygulama gerçekleştirilmiştir. Medikal uygulamada, pals oksimetre algılayıcısı (nabız ve insan kanındaki oksijen miktarı algılayıcısı) kullanılmaktadır, ev otomasyonu uygulaması örneği olarak da, oda sıcaklığı ölçümü için bir yarı iletken sıcaklık algılayıcısı kullanılmaktadır. iv

7 Sistem içerisinde biri alıcıda, diğeri vericide olmak üzere iki adet mikrodenetleyici kullanılmaktadır. Medikal uygulamada, verici birim hasta vücudu üzerine yerleştirilmektedir. Verici birimdeki mikrodenetleyici (PIC 16F877A) parmak tip pals-oksimetre algılayıcısından ve sıcaklık algılayıcısından aldığı sinyalleri aynı birim içerisindeki RF modüle iletmektedir. Alıcı birimde ise RF modül tarafından sinyaller alınır ve daha sonra mikrodenetleyiciye iletilmektedir. Gerilim seviye dönüşümünden sonra veri seri arabirim (RS-232) üzerinden bilgisayara transfer edilmektedir. Elde edilen veri, LabVIEW yazılımı kullanılarak geliştirilen kullanıcı arayüzünde görüntülenmektedir. Temmuz, 2010 Ömer ERİŞ v

8 ABSTRACT MICROCONTROLLER-BASED WIRELESS DATA ACQUISITION APPLICATIONS Nowadays it has become important to get information everywhere in a rapid and comfortable way. As a result, wireless network systems have had an important place all over the world. Today the fact that most people use wireless networks over the cellular phones can be given as a good example. Wireless network systems will not lose their importance in the future. In fact, they will be an important technological area in which investment will be made. Wireless environments give the user the same opportunity which is served by wired connection. As place and time limitations disappear, the user can work everywhere easily. Devices connected to other wireless ones provide more ways of wireless working for mobile workers. Wireless environment means that your work will be more skillful and productive. These days the applications of data acquisition through wireless sensors are being used in the areas such as the monitoring of mobile targets, remote sensing and control, and especially in the medical area, they are often used in order to transfer the biological signals sensed from a mobile patient to the main unit. In this study, two different applications were realized using RF (434 MHz) Standard: one in the medical area and the other in the home automation area. In the medical application, pulse oximeter sensor (sensor of pulse and oxygen amount in human blood) was used; a semiconductor temperature sensor was used to measure the room temperature as an example for home automation application. Two microcontrollers are used in the system, one is in the receiver and the other is in the transmitter. In medical application, the transmitter block is attached to vi

9 the patient s body. The microcontroller (PIC 16F877A) in the transmitter, transmits the sensed signal from finger type pulse-oximeter and temperature sensors to the RF module in the same block. In the receiver block, signal is received by another RF module and then transmitted to the microcontroller. After voltage level conversion data are transferred to the computer over serial interface. Acquired data are monitored on the user interface developed by using LabVIEW software. July, 2010 Ömer ERİŞ vii

10 KISALTMALAR 1G 2G 3G 4G BSC BTS CDMA CPU DS DSL Edge EMS FDD FHSS FM FPGA GEO GMSC GSM GPRS Hb HbO 2 IEEE IR IrDA ISM LAN : First Generation (1. Nesil) : Second Generation (2. Nesil) : Third Generation (3. Nesil) : Fourth Generation (4. Nesil) : Base Station Controller : Base Transceiver Station : Code Division Multiple Access : The Central Processing Unit : Direct Sequence : Digital Subscriber Line : Enhanced Data Rates for GSM Evolution : Electromagnetic Spectrum : Frequency Division Duplex : Frequency-hopping spread spectrum : Frequency Modulation : Field Programmable Gate Array : Geostationary Earth Orbit : Gateway Mobile Switching Center : Global System for Mobile Communications : General Packet Radio Service : Hyperbaric : Hyperbaric oxygen : The Institute of Electrical and Electronics Engineers : Infrared radiation : Infrared Data Association : The industrial, scientific and medical : Local Aea Network viii

11 LCD LEO LOS MEO MSC NIC OEM PC PDA PIC RBC RF SpO 2 TDD TDM UART UMTS VoIP WCDMA Wi-Fi Wimax WLAN WPAN WMAN WWAN ZED ZC ZR : Liquid Crystal Display : Low Earth Orbit : Line of Sight : Medium Earth Orbit : Mobile Switching Center : Network Interface Controller : Original Equipment Manufacturer : Personal Computer : Personal Digital Assistant : Peripheral Interface Controller : Red Blood Cells : Radio Frequency : Saturation of peripheral oxygen : Time Division Duplex : Time-Division Multiplexing : Universal Asynchronous Receiver/Transmitter : Universal Mobile Telecommunications System : Voice Over Internet Protocol : Wideband Code Division Multiple Access : Wireless Fidelity : Worldwide Interoperability for Microwave Access : Wireless Local Area Network : Wireless Personal Area Network : Wireless Metropolitan Area Network : Wireless Wide Area Network : Zigbee End Device : Zigbee Coordinator : Zigbee Router ix

12 ŞEKİLLER SAYFA NO Şekil II.1 Elektromanyetik Tayf... 4 Şekil II.2 Frekans ve Genlik Modülasyonları... 6 Şekil II.3 Sayısal İletim... 7 Şekil II.4 Sayısal İletim Modelleri... 7 Şekil II.5 Genlik Kaydırmalı Anahtarlama (ASK)... 8 Şekil II.6 Frekans Kaydırmalı Anahtarlama (FSK)... 8 Şekil II.7 Uydu Bantları Şekil II.8 Kablosuz Ağ sistemleri Şekil II.9 Bluetooth Uygulamaları Şekil II.10 Piconet ve Scatternet Şekil II.11 Zigbee Network Modeli Şekil II.12 IEEE x Standartları Şekil II.13 Wimax Yapısı Şekil II.14 GSM Sistem Yapısı Şekil II.15 GPRS kullanan bir GSM Şebekesi Şekil II.16 EDGE ve GPRS kullanan bir GSM şebekesi Şekil II.17 CDMA kodlama/kod çözümü süreci Şekil II.18 CDMA2000 ve WCDMA taşıyıcı frekans kullanımı Şekil II.19 CDMA2000 şebeke yapısı Şekil II.20 Kablosuz Teknolojiler Şekil II.21 3N (Üçüncü Nesil) ile Mobil sağlık sistemi Şekil II.22 Pals-Oksimetrelerden alınan verilerin görüntülendiği arayüz Şekil II.23 GSM tabanlı bilgisayar kontrollü insulin pompasının çalışması Şekil II.24 Gömülü sistemin blok diyagramı Şekil II.25 Evde bakım ve hasta izleme için mobil teletıp sistemi Şekil III.1 Sistem Genel Şeması x

13 Şekil III.2 Açıklamalı Sistem şeması Şekil III.3 Verici Birimi Açık Devre Şeması Şekil III.4 Verici Birim Şekil III.5 Pals-Oksimetrenin Çalışma Mantığı Şekil III.6 1 numaralı seri veri formatı Şekil III.7 OEM III Geliştirme Kartı Şekil III.8 Pals Oksimetre Şekil III.9 DS18B20 Sıcaklık Algılayıcısı Pin Konfigürasyonu Şekil III.10 DS18B20 sıcaklık okuma örneği Şekil III.11 PIC (Peripheral Interface Contoller) Şekil III.12 Verici Birimi Kontrol Ünitesi PIC16F877A Pin Bağlantıları Şekil III.13 RF Modül görünüşü Şekil III.14 RF Modül Genel Data Formatı Şekil III.15 9V-3V Regülatör Devre Şeması Şekil III.16 9V-5V Regülatör Devre Şeması Şekil III.17Alıcı birimi açık devre şeması Şekil III.18 Verici Birim Akış Şeması Şekil III.19 Alıcı birim akış şeması Şekil III.20 LabVIEW National Instruments VISA hiyerarşisi Şekil III.21 VISA Seri Port Konfigürasyonu Şekil III.22 LabVIEW uygulama blok diyagramı Şekil III.23 Seri portdan veri alma işlemi Şekil III.24 Verileri ayırma ve sayıya dönüştürme Şekil III.25 Gelen verilerin kayıt altında tutulması Şekil III.26 Nabız değerinin yaşa göre değerlendirilmesi Şekil III.27 Hastanın solunum desteğine ihtiyacı var mesajı için ikili case-structure yapısı Şekil III.28 LabVIEW uygulama ön paneli Şekil III. 29 LabVIEW internet ortamından yayın (Web Publishing Tool) xi

14 TABLOLAR SAYFA NO Tablo II.1 Radyo Frekans Değerleri... 5 Tablo II.2 Uyduların özelliklerinin karşılaştırılması Tablo II.3 Bluetooth Genel özellikleri Tablo II.4 HomeRF Genel Özellikleri Tablo II.5 Benzer Çalışmalar Tablosu Tablo III.1 DS18B20 sıcaklık-sayısal veri ilişkisi Tablo III.2 RF Modül Pin Özellikleri Tablo III.3 RF Modül kanallarına göre çalışma frekansları Tablo III.4 Yaş-Nabız İlişkisi xii

15 BÖLÜM I GİRİŞ VE AMAÇ Kablosuz algılayıcılar ile veri toplama uygulamaları günümüzde yaygın olarak kullanılan uygulamalardandır. Böylelikle iki nokta arasında bilginin kablosuz olarak taşınması sağlanmış olur [1]. Ayrıca kablosuz algılayıcılar çevreden her algılayıcının bağımsız duyumlar alabildiği alan içerisine hızlıca yerleştirilebilirler. Aynı zamanda karmaşık bilgilerin toplanması ve yayılmasını da başarabilirler. Bu özellikleri ile hedef takipleri, uzaktan kontroller, geniş çaplı incelemeler gibi çeşitli uygulamalarda kullanılmaktadırlar [2]. Kablosuz iletişim teknolojileri geniş perspektiften bakıldığında kişilere sınırsız özgürlük tanıyacak, kurumların ise daha etkin çalışmasını sağlayacaktır. Kablosuz iletişim sadece hareketli kullanıcıların erişimlerini arttırmakla kalmayıp aynı zamanda durağan, ofis ve ev cihazlarının kablolama giderlerini de düşürmektedir [3]. Yoğun bakım ünitelerinde veya anestezi sırasında hastalar kablolar ile monitörlere bağlanmaktadırlar. Bu kablolar hemşireleri, hastane çalışanlarını ve hastaları hastane içerisinde özgürce dolaşmalarını kısıtlamaktadır. Kablosuz teknolojilerin bu problemi çözmesi umulmaktadır [4]. Bu ihtiyaçlar kablosuz iletişim teknolojilerini, telekomünikasyon, tıp ve sağlık, savunma sanayi, endüstriyel üretim, radyo televizyon ve eğlence, ulaşım gibi alanlarda kullanılır hale getirmiştir [2,4-7]. Kablosuz Algılayıcı Ağları (Wireless Sensor Network, WSN) kavramı ilk kez 1980 lerin başında karşımıza çıkmıştır. İlk zamanlarda askeri alanda kullanılan kablosuz algılayıcı ağları; zamanla maliyetlerinin düşmesi ile çok yaygın olarak kullanılmaya başlanmıştır. Algılayıcı ağları, nem, sıcaklık, basınç, ses, ışık ve hareketlilik gibi durumsal değişiklikleri takip edebilecek yapıdaki termik, sismik, manyetik ve görsel gibi birçok farklı tipte algılayıcı içerebilir. Bu ağların uygulama 1

16 alanları askeri, çevre, sağlık, ev ve diğer ticari alanlar olmak üzere sınıflandırılabilir. Askeri alanda, özellikle savaş alanlarında mevcut donanım bilgisine ulaşmak, düşman askerinin hareketlerini izlemek ve savaş hasarı ile ilgili bilgi toplamak için, çevresel uygulamalarda hayvanların hareketlerini izlemek, kimyasal ve biyolojik tespitlerde bulunmak, orman yangınlarını ve sel felaketlerini tespit etmek için, sağlık uygulamalarında ise hasta takibi için kullanılabilir. Ev uygulamalarında da, elektrik süpürgesi, mikrodalga fırın gibi cihazların içine yerleştirilirken, ticari uygulamalarda binaların havalandırma ve ısıtma sistemlerinde veya araba hırsızlıklarının tespiti gibi uygulamalarda kullanılmaktadır [8]. Kablosuz Algılayıcı Ağları sürekli veri toplamada, olay belirlemede ve tanımlamada, konum belirlemede ve yerel kontrollerde yaygın olarak kullanılmaktadır [9]. Bu kullanım alanlarında kablosuz algılayıcılar, modül halinde bulunmakta ve yüksek maliyet gerektirmektedir. Bu çalışmada : Piyasada bulunan geleneksel bir algılayıcının kablosuz hale getirilmesi için gerekli olan ara birim geliştirilerek, kablosuz şekilde kullanımı sağlanmıştır. Böylelikle özellikle hareketli bir hedef üzerinden veri toplama sürecinde, uygulamadaki zorluklar ortadan kaldırılmış olacaktır. Bu tezde güdülen amaç, klasik algılayıcıları kablosuz şekle dönüştürmek, bunun için gerekli arabirimi geliştirmek, kablosuz iletişim yöntemlerini incelemek ve avantajlarını sıralamaktır. Kablosuz iletişim teknolojileri, uygulama alanlarından Tıp ve sağlık ile ev otomasyonu alanlarında örnek oluşturabilecek uygulamalar, hem yazılımsal hem de donanımsal açıdan ele alınarak, amaca uygun bir tasarım gerçekleştirilmiştir. Tıp ve sağlık alanına örnek teşkil edebilecek örnek uygulamada, kandaki oksijen miktarını ve nabzı ölçen bir pals-oksimetre algılayıcı ile tek bir hastadan algılanan değerler kablosuz şekilde bilgisayara aktarılarak, bir grafiksel geliştirme ortamı vasıtasıyla aynı ağ içerisindeki doktorun bilgisayarına bilginin ulaşması gerçekleştirilmiştir. Ev otomasyonu örneğinde ise, bir ortamın sıcaklık bilgisinin uzaktan algılanarak izlenmesi ve sıcaklık denetiminin gerçekleştirilmesi amaçlanmıştır. Bu yüksek lisans tez çalışması, BAPKO tarafından desteklenmiş ve FEN-C- YLP numaralı proje kapsamında yürütülmüştür. 2

17 BÖLÜM II GENEL BİLGİLER II.1 KABLOSUZ İLETİŞİM TEKNOLOJİLERİ İletişim teknolojilerindeki büyük gelişmelerle birlikte, kablosuz iletişim sistemleri tüm dünyada hızla yayılmakta, mobil sistemler her an, her yerden birbirleriyle iletişim kurmayı ve internete ulaşmayı istemektedirler. Bu nedenle kablosuz ağ servisleri, yer ve zaman kısıtlaması olmadan konumları ne olursa olsun, nesnelerin mobil sistemler aracılığı ile tanımlanabilmesini, izlenebilmesini ve nesneler hakkında bilgiye erişimi kolaylaştırmayı sağlayabilmektedirler [10]. Kablosuz iletişim teknolojileri, noktadan noktaya ya da bir ağ yapısı şeklinde bağlantı sağlarlar. Günümüzde yaygın olarak kullanılan kablolu veya fiberoptik iletişim yapılarıyla benzerlik gösterirler. Yüksek hızlı ve geniş bantlı kablosuz erişim imkanı sunarlar [10]. Kablosuz iletişim teknolojilerini diğerlerinden ayıran nokta ise, iletim ortamı olarak havayı kullanmasıdır [11]. Bunun için de havada ya da boşlukta uzun mesafeler boyunca yol alabilecek bir tür taşıyıcı dalga kullanılması gereklidir. Bu taşıyıcı dalga olarak dalga spektrumundaki çok geniş bir bant aralığı kullanılabilir. Fakat en çok tercih edilenleri kızıl ötesi (infrared), lazer ve radyo dalgalarıdır [1]. II.2 ELEKTROMANYETİK TAYF Şekil II.1 de görülen, elektromanyetik tayf veya elektromanyetik spektrum (EMS), evrenin herhangi bir yerinde fizik kurallarınca mümkün kılınan tüm elektromanyetik radyasyonu ve farklı ışınım türevlerinin dalga boyları veya frekanslarına göre bu tayftaki bağıntılı yerlerini ifade eden kavramdır. Herhangi bir cismin elektromanyetik tayfı veya spektrumu, o cisim tarafından çevresine yayılan 3

18 karakteristik net elektromanyetik radyasyonu ifade eder [12]. Şekil II.1 Elektromanyetik Tayf [12] II.3 KABLOSUZ İLETİŞİM YÖNTEMLERİ II.3.1 Kızıl Ötesi (Infrared) Kızıl ötesi teknolojisi elektromanyetik spektrumda gözle görülebilen ışığın altındaki frekansları veri iletiminde kullanan bir teknolojidir (750nm - 1mm). Alıcı ile verici cihaz arasında açık görüş hattının bulunduğu ortamlarda ve kısa mesafeler için çok uygundur. Kızıl ötesi teknolojisini iki tür kullanmak mümkündür. Birincisi görüş hattı (direct beam, line of sight), ikincisi ise yansıma yöntemidir. Doğal olarak görüş hattı yöntemi diğerine oranla daha fazla veri iletişimi sağlamaktadır. Ancak uygulamada geniş alan kaplamak ya da çok kullanıcıya ulaşabilmek için yansıma yöntemi tercih edilmektedir. Kızıl ötesi teknolojisi büyük oranda uzaktan kumanda cihazlarında kullanılmaktadır [3,11]. Kızıl ötesi görüntüleme hem sivil hem de askeri kullanım alanları bulmuştur. Hedef tespiti, gözlemleme, gece görüşü, güdüm ve takip sistemleri gibi askeri kullanım alanlarının yanında, ısıl verimlilik analizi, uzaktan sıcaklık ölçme, kısa mesafeli kablosuz iletişim, hava tahmini gibi alanlarda da kullanılmaktadır. Kızıl ötesi görüş sistemleri, ortamdaki ışığı değil sıcak cisimler tarafından yayılan kızılötesi ışınımı kullanırlar. Kızıl ötesi ışınım cisimlerin sıcaklığını uzaktan belirlemeye yarar. Genelde askeri ve sanayi amaçlarla kullanılsa da üretim maliyetlerinin düşmesiyle kızılötesi kameralar olarak tüketici pazarına da girmiş bulunmaktadır. Kızıl ötesi takip sistemi kullanan füzeler, sıcak cisimler kızılötesi 4

19 ışık yaydığından ısı güdümlü füze olarak da bilinir. IR (Infrared-kızıl ötesi) veri iletişimi bilgisayar cihazları arasında kısa mesafe veri iletişiminde kullanılmaktadır. Bu tip aygıtlar genellikle IrDA protokolüne uygun üretilmektedir. IrDA cihazlar, plastik mercek tarafından odaklanıp, dar bir ışın haline getirilen kızılötesi led ışığı kullanmaktadır. Bu ledi kapatıp açarak (modüle ederek) bilgi kodlanır ve karşı tarafa aktarılır. Alıcı bir silikon fotodiyot kullanarak kızılötesi ışığı yeniden elektrik akımına çevirir. Kızılötesi lazerler aynı zamanda fiberoptik iletişim sistemlerinde de kullanılır. 1330nm (en az saçılım) ve 1550nm (en iyi iletim) frekanslarındaki ışık fiberoptik iletişimde tercih edilir [3,13]. Avantajları: Serbest kullanıma açıktır. Bir lisans ve ücret gerektirmez. RF sinyallerinden etkilenmez. Güç tüketimi düşüktür. Kapalı ortamlarda yetkisiz dinlemeye ve bozucu etkilere karşı tam bir güvenlik sağlar [11]. Dezavantajları: İletişim mesafesi kısadır. İdeal şartlarda metredir. Sinyaller katı cisimleri geçemez. Bu sebeple kapalı alanlarda duvar, kapı, büro malzemeleri tarafından kullanım için uygundur. Sinyaller kar, sis toz ve ışık gibi hava şartlarından etkilenir. Bu sebeple açık alanlarda kullanım için uygun değildir. Fiziksel kirlilik sinyalleri etkiler [11]. II.3.2 Radyo Frekans (RF) Radyo dalgaları ya da radyo sinyalleri, 3 KHz ile 300 GHz arasında oldukça geniş bir frekans aralığını kapsar. Bu aralık Tablo II.1 de görüldüğü üzere, VLF, LF, MF, VHF, UHF şeklinde belirli bantlara ayrılmıştır [1]. Tablo II.1 Radyo Frekans Değerleri [1] Frekans İsim Kısaltma Dalga Boyu KHz Very Low F. VLF km KHz Low F. LF 10 1 km MHz Medium F. MF m MHz High F. HF m MHz Very High F. VHF 10 1 m MHz Ultra High F. UHF m GHz Super High F. SHF cm GHz Extremely High EHF 10 1 cm GHz Infrared light mm 5

20 Haberleşme uygulamalarında bu bantların sadece belirli bölümleri kullanılmaktadır. Bunlardan ISM (Industrial Scientific Medical band) bandı birçok ülkede telsiz iletişimi için sertifika veya lisansa gerek olmadan belirli bir çıkış gücü sınırlamasına uyarak, üzerinden yayın yapılabilen bir banttır. Ülkemizde ISM bandının yaygın olarak kullanılan frekansları 315 MHz, 418 MHz, MHz, 868 MHz, 915 MHz ve 2.4 GHz frekanslarıdır [1]. Çok alçak frekanslı sinyallerin (örneğin ses) çok uzak mesafelere gönderilmesi güçtür. Bu nedenle alçak frekanslı sinyalin, yüksek frekanslı taşıyıcı bir sinyal üzerine bindirilerek uzak mesafelere taşınması sağlanabilir. Bu olaya modülasyon denir. Kablosuz iletişimde de aynı şekilde gönderilecek olan bilginin bir taşıyıcı dalga ile modüle edilmesi gerekmektedir. Modülasyon işlemi birçok farklı tekniklerle yapılabilir. Bu tekniklerden, şekil II.2 de görüldüğü gibi, frekans modülasyonu (Frequency Modulation - FM), taşıyıcı dalga frekansının, bilgi sinyalinin frekansına bağlı olarak değiştirilmesi şeklinde olur. Benzer şekilde genlik modülasyonu (Amplitude Modulation - AM) ise taşıyıcı dalga genliğinin, bilgi sinyalinin frekansına bağlı olarak değiştirilmesiyle sağlanır [1]. Şekil II.2 Frekans ve Genlik Modülasyonları [1] Son yıllarda klasik analog sistemler (AM, FM, PM) yerine Şekil II.3 de görüldüğü gibi, sayısal iletişim sistemleri yaygın olarak kullanılmaktadır [14]. 6

21 Şekil II.3 Sayısal İletim [14] Şekil II.4 Sayısal İletim Modelleri [14] (a) Simplex = Sadece bir yönde bilgi iletimi vardır. (TV, Radyo vs. kullanılır) (b) Half duplex = İki yönde bilgi iletimi vardır, fakat aynı anda değil (Diafon) (c) Full duplex = Her iki yönde aynı anda iletim vardır. (Telefon vs.) 7

22 (d) Full/Full duplex = Geliştirilen son model olup, bir başka istasyondan bilgi alırken/gönderirken bir başkasına da bilgi gönderir/alır. (Tlf. Santrali vs.) a. Genlik Kaydırmalı Anahtarlama (ASK) ASK da kullanılan ikili işaret (PCM) koduna bağlı olarak, taşıyıcı işaretin genliği iki değer arasında değiştirilir. Var-yok anahtarlama (on-off keying-ook) adı verilen bu teknikte modüle edilmiş dalga biçimleri Şekil II.5 de görülmektedir [14]. Şekil II.5 Genlik Kaydırmalı Anahtarlama (ASK) [14] b. Frekans Kaydırmalı Anahtarlama (FSK) FSK da genliği değişmeyen bir taşıyıcı frekansı ikili işaret düzeylerine (PCM) göre iki frekans değerinden birisini alabilir. Sayısal ikili işaret modülasyonu iki farklı frekansa sahip osilatör arasında bir anahtarlama olarak düşünülebilir [14]. Şekil II.6 da bu sinyal şekli görülmektedir. Şekil II.6 Frekans Kaydırmalı Anahtarlama (FSK) [14] RF teknolojisinde, kablo yerine elektromanyetik dalgalar kullanılarak kablosuz iletişim gerçekleştirilmekte ve WLAN sistemlerinde yaygın olarak 8

23 kullanılmaktadır. Ekonomik sebeplerden dolayı WLAN sistemleri için lisans ve kullanım ücreti gerektirmeyen ISM frekans bantları esas alınmıştır. Bu bantlar öncelikle diğer telsiz servislerinin kullanımı için tahsisli olduklarından WLAN sistemleri muhtemel karışım olaylarını baştan kabul etmek zorundadır. Bu durum WLAN sistemleri için karışım olaylarına (enterferans) karşı dayanıklı teknolojilerin geliştirilmesini ve kullanılmasını zorunlu hale getirmiştir [11]. Enterferans terimi, ilgili kanun ve tüzüklere uygun olarak sağlanan her türlü haberleşme hizmetini engelleyen, haberleşmede kesinti doğuran veya kalitesini bozan her türlü yayın veya elektromanyetik etkiyi ifade etmektedir [11]. II.3.3 Uydu Haberleşme Sistemleri Uyduların iletişimde kullanılma fikri ilk olarak İngiliz bilim kurgu yazarı Arthur C. Clarke tarafından ifade edilmiştir. Clarke 1945 te Wireless World dergisinde yazdığı bir makalede Dünya dan km uzaklıktaki bir yörüngede uyduların konumlandırılabileceği ve sinyallerin bu uydular üzerinden iletilebileceğini belirtmiştir. Bu fikir pek çok araştırmacı ve bilim insanının ufkunu açarak günümüz uydu teknolojilerinin geliştirilmesi için bir başlangıç oluşturmuştur. Günümüzde uydular ile sesli iletişim, faks, meteoroloji araştırmaları, uzaktan algılama ve internet erişimi gibi çok çeşitli hizmetler sağlanmaktadır. Uydu ağları, karasal sistemlerden bağımsız olabildiklerinden, özellikle hiçbir altyapının kalmadığı deprem gibi doğal afetler sonrasında daha büyük bir öneme sahiptir [15]. Uydu iletişim sistemleri; bir uydudan, uydunun yörüngesini, uzaydaki konumunu ve çalışmasını denetleyen bir yeryüzü istasyonundan ve uydu üzerindeki transponder (alma frekansını, gönderme frekansına çevirici) aracılığıyla gerçekleştirilen ve iletişim trafiğinin gönderilmesini (çıkarma hattı - uplink) ve alınmasını (indirme hattı - downlink) sağlayan yer terminalleri ağından oluşmaktadır. Uydunun kendisi ise iki temel bölümden oluşmaktadır: Yük (payload) Link (Yol) Yük, iletişim sinyali için transponder işlevini yerine getiren antenler, alıcılar ve vericilerden oluşmaktadır. Linkte ise, yükün çalışması için destek (uydu bakım ve onarımı) görevlerini yerine getirir [16]. 9

24 Uydu uzaya atıldıktan sonra, ekvatorun üzerinde, yeryüzüne göre değişmeyen belli bir yükseklikte (36000 km), yörüngesel bir konum ya da bölme tahsis edilir. Bu bölmeler birbirlerinden 3 ya da 4 mesafede konumlandırılırlar. Uzay tarafından uygulanan kuvvetler nedeniyle uydunun senkron yörüngesinden çıkmasını engellemek amacıyla yerdeki kontrol merkezi, yörünge kontrol sinyalleri ile uyduyu kendisine tahsis edilen bölgede tutar [16]. Uydu kendisi için gerekli olan elektrik enerjisini üzerinde bulundurduğu güneş panellerinden sağlar [16]. Uydu haberleşme sistemlerinde genellikle 4 ana frekans bandı kullanılmaktadır. Bunlar sırasıyla Şekil II.7 de görüldüğü gibi, C-bandı, X-bandı, Ku-bandı ve Ka-bandıdır [16]. Şekil II.7 Uydu Bantları [15] Uydu Ağları Uydular, yörüngelerinin şekillerine, ağırlıklarına, sağladıkları hizmetlere ve benzeri pek çok kritere göre sınıflandırılabilir. Yaygın olarak kullanılan bir sınıflandırma türü ise yeryüzünden olan yüksekliklerine göredir; yeryüzüne en yakın olan Alçak Yörünge Uyduları (Low Earth Orbit - LEO), Orta Yörünge Uyduları (Medium Earth Orbit - MEO) ve Yerdurağan Yörünge Uyduları (Geostationary Earth Orbit - GEO). LEO ve MEO uydulara aynı zamanda Yerdurağan Olmayan Uydular (Non - Geostationary, NGEO) da denilmektedir [15]. a. Alçak Yörünge Uyduları (Low Earth Orbit - LEO) Yeryüzünden km yükseklikte konumlanmışlardır. Kapsama alanları dardır, bu nedenle evrensel hizmet sağlanabilmesi için çok sayıda LEO uydu kullanılmalıdır. Atmosfer etkilerine maruz kaldıklarından ömürleri kısadır. Yörüngede kalabilmek için oldukça hızlı hareket ederler. Bu nedenle kapsama alanları dakika içinde değişir [15]. 10

25 b. Orta Yörünge Uyduları (Medium Earth Orbit - MEO) km yükseklikte bulunan uydulardır [15]. c. Yerdurağan Yörünge Uyduları (Geostationary Earth Orbit - GEO) Yeryüzünden yaklaşık km yükseklikte Ekvator düzleminde olan uydulardır. Dönme periyotları dünyanın dönüş periyoduna eşittir ve dolayısıyla yeryüzündeki bir gözlemciye göre durağan olduklarından bu isim verilmiştir. Kapsama alanları neredeyse tüm dünyanın %40 ı olmak üzere oldukça geniştir. Ancak km gibi bir yükseklik söz konusu olduğundan sinyaller yüksek gecikme ve yol kaybına uğrarlar. Gecikme değeri h ile gösterilen uydunun yerden yüksekliğinin ışık hızına (c) bölümü ile bulunur. Tablo II.2 de bu üç tip uydunun genel özellikleri görülmektedir [15]. Tablo II.2 Uyduların özelliklerinin karşılaştırılması [15] Özellikler LEO MEO GEO Yükseklik (km) Kapsama Alanı (km) Dar Orta Geniş Gecikme (ms) Yol Kaybı Az Orta Çok Hareketlilik Çok Orta Sabit Ağ Karmaşıklığı Karmaşık Orta Az II.4 KABLOSUZ İLETİŞİM AĞLARI Kablolu iletişim teknolojilerine kıyasla birçok üstünlüğü bulunan kablosuz iletişim teknolojileri 1990 lı yıllarda büyük gelişmelere sahne olmuştur. RF in yeniden keşfi olarak adlandırılan bu gelişmeler GSM (Global System for Mobile Cep Telefonu Sistemi) gibi hem ses iletişiminde hem de veri iletişiminde yaşanmıştır. Özellikle veri iletişiminde yüksek veri hızlarına ulaşılması, kablosuz teknolojiyi yaygın kullanılır hale getirmiştir. Kablosuz iletişim ağları iki veya daha fazla bilgisayar veya sayısal cihazın birbirleriyle kablosuz veri iletişimi sağlamalarıyla oluşan yapıdır. Bu ağlar; özel amaçlı, eğitim amaçlı, ulusal veya halka açık olarak kurulabilirler. Kablosuz iletişim ağlarını hizmet yapısı, çalışma prensipleri, büyüklük veya mimarisine göre olmak üzere farklı şekillerde 11

26 gruplandırmak mümkündür [3,17]. Ancak teknolojideki hızlı gelişme ve sistemlerdeki yakınsama bu gruplandırmada kesin çizgilerin çizilmesini zorlaştırmaktadır. Çeşitli kaynakların bu gruplandırmayı farklı şekilde yaptıkları görülmektedir. Genel yaklaşıma göre kablosuz iletişim ağları, büyüklüklerine göre yani hizmet verdikleri fiziksel alanlara göre, Şekil II.8 de görüldüğü üzere, 4 sınıf altında toplanabilir. Bunlar; Kablosuz Kişisel Alan Ağları (Wireless Personal Area Networks, WPAN), Kablosuz Yerel Alan Ağları (Wireless Local Area Networks, WLAN), Kablosuz Metropol Alan Ağları (Wireless Metropolitan Area Networks, WMAN), Kablosuz Geniş Alan Ağları (Wireless Wide Area Networks, WWAN) olarak sıralanabilir [17]. Şekil II.8 Kablosuz Ağ sistemleri [17] II.4.1 WPAN (Wireless Personal Area Network Kablosuz Kişisel Alan Ağı) Kişisel alan ağları, adından da anlaşıldığı gibi kişisel sayısal cihazların (PDA) kablosuz olarak birbirlerini görmesiyle ortaya çıkmış bir kavramdır. Amaç yakın mesafede olan sayısal cihazların (klavye, fare, kulaklık vb.), çevre birimlerinin birbirleriyle kolayca etkileşimde bulunmasını sağlamaktadır [11]. Kişisel alan ağları denildiğinde ilk akla gelen Bluetooth ve HomeRF dir. Bluetooth daha çok birkaç metre gibi kişinin etrafındaki sayısal sistemlerin birbirini kablosuz görmeleri ve iletişimde bulunabilmeleri için tanımlanmışken, HomeRF kablosuz LAN uygulamasının ev veya küçük işyerlerinin kullanımı için tanımlanmıştır, denilebilir [10]. IEEE çalışma grubu WPAN teknolojisi 12