Şekil 1. Radyolink Yol Profili

Transkript

1

2 1. Giriş Sayısal radyolinkler iki nokta arası yüksek band genişlikli veri iletimi için kullanılan düzeneklerdir. Radyolinkler TV ve radyo vericilerinin gibi her yönde ışıma yapmazlar. Noktadan noktaya yönlendirme yapıldıkları için yüksek kazanç sağlarlar. Bu yüzden optik kablonun zor ulaştırıldığı yerlerde ve TV-Radyo sistemlerinin stüdyo ve vericilerinin arasında kullanılırlar. Radyolinkler ile birleştirilmiş birçok video ya da ses iletimi yapılabilir. Genel olarak 6 GHz ile 38 GHz arasındaki frekanslarda iletim yapılabilir. Radyolinklerin yönelimi çok yüksek olduğundan çok fazla güce de ihtiyaç duymamaktadırlar. Birkaç W güç ile 100 km ye kadar iletim yapılabilmektedir. 2. Tasarım 2.1. Proje Amacı Bu proje kapsamında Zonguldak ili merkez ilçesi ile Alaplı ilçesi arasında TV yayını iletimi yapan bir radyolink sistemi kurulmak istenmektedir. Bunun için zincir radyolink tasarımı mecburidir. Çünkü coğrafi şartlar iki merkez arasında direk bir link kurulmasına izin vermemektedir. Bu projede zincir sistemin yarısı olan Zonguldak Dağköy ile Alaplı ilçesinin yakınında bulunan Kıran Köyü arasında bir radyolink sistemi tasarımı amaçlanmaktadır Proje Tasarımı Şekil 1. Radyolink Yol Profili Projeye göre alınan iki merkez arasındaki uzaklık 33,5 km olmaktadır. Aldığımız bu yol profiline ait yükselti profili Şekil 2 dedir. Bu profile göre 24,8 ve 27,8km civarında linkimize engel olabilecek iki yükseklik görülmektedir.

3 Şekil 2. Yol Profili Tasarım için seçilen yerlerin ve engel olan tepelerin yükseklikleri Tablo 1 de verilmiştir. Tablo 1. Link Yerleştirilecek Tepelerin ve Engel Tepelerin Yükseklikleri Link 1 Tepe (Alaplı) Link 2 Tepe (Zonguldak) Engel 1 Tepe Engel 2 Tepe Yükseklik 205 m 650 m 405 m 487 m Sistemimiz ITU-T tarafından radyolinkler için uygun bulunmuş bir frekans aralığında çalışacaktır. Bu frekans aralığı Şekil 3 den seçilmiştir. Merkez frekansı 8 GHz olan frekans bandında çalışan 550 MHz band genişlikli bir iletim yapılacaktır. Şekil GHz Arası Frekans Bandları Plana göre 16QAM modülasyonu ile 150 TV kanalı iletebilecek bir haberleşme sistemi tasarımı yapılmak istenmektedir.

4 2.3. Hesaplamalar Kule Yükseklikleri: Kule yüksekliklerini bulmak için clearance hesabı yapabiliriz. Clearance hesabı yapacağımız iki adet engel sayılabilecek tepemiz vardır. Bunlar için ayrı ayrı hesaplamalar yapılabilir. D=33,5 km, f=8ghz, n=1 için; d1=24,8 km d2=8,7 km d1=27,8 km d2=5,7 km F 1 = 17,3 n. d 1. d 2 f. D F1=15 m, h1=15*0,6=9,3 m h 2 = d 1. d 2 12,76. k h2=12,68 m h3=3 m (bitki örtüsünden) h toplam = h i ht = 9,3 + 12, = 24,9 m F 1 = 17,3 n. d 1. d 2 f. D F1=13,3 m, h1=13,3*0,6=7,98 m h 2 = d 1. d 2 12,76. k h2=9,31 m h3=3 m (bitki örtüsünden) h toplam = h i ht = 7,98 + 9, = 20,29 m Bu iki tepenin clearance mesafelerini tepe boylarına eklersek sağdaki durum sağlarsa soldaki durum zaten daha aşağıda kalmaktadır. Soldaki tepeyi kaldırırsak Şekil 4 deki durum ile kule yüksekliklerini hesaplayabiliriz. Tasarım açısından ideal olması için kule boyutları H ve eşit alınır. Bu H ları bulmak içinse ortadaki tepenin üstüne clearance mesafesi eklenir ve bu noktadan geçen doğru çizilir. Şekil 4. Kule Boyutları ve Clearance Eğer 205 m olan tepeyi referans olarak sıfırlarsak H şu şekilde hesap edilir:

5 27,8 5,7 = 302 H H 302 Yukarıda formülden H=-67 m çıkar. Kule boyutları sıfır alındığında tepeler arası düz çizgi çekilirse 27,8 km uzaklıktaki 574 m çıkar. Bizim tepemizin boyu 487, clearance mesafemizde 20,29 m idi. Bu iki mesafesi toplarsak 507 m eder ki, bu değer 574 değerinden düşüktür. Dolayısıyla kule boyutlarını istediğimiz boyda seçebiliriz. Biz tasarım açısından H=10m varsayabiliriz. Frekans Yerleşimleri: Tasarlamak istediğimiz sistem 150 TV kanal kapasiteli ve 8 alt kanallı olacak şekilde tasarlıyoruz. Bunun için de ilk olarak video iletimi için gerekli bit hızını belirlememiz gerekiyor. Video için bit iletim hızını (Rb) Kush Hesaplamasıyla bulabilir. Bu formülasyona göre: Rb = Frame Yüksekliği * Frame Genişliği * Saniyedeki Frame Sayısı * Hareket Faktörü * 0.07 / 1000; Burada Hareket Faktörü 1,2,4 değerlerini alır. 1 düşük hareketli görüntüler için 4 ise yüksek hareketli görüntüler için verilebilir. Bizim sistemimizde 800x600 genişlikli yüksek kaliteli bir görüntünün iletildiğini varsayarsak, Rb = 800 * 600 * 25 * 4 * 0.07 / 1000 = 3360 Kbps çıkar. Toplam Bit Hızı = Kanal kapasitesi x Bit Hızı = 150 x 3360 = 504 Mbit/s Her kanalın kapasitesi = Toplam Bit Hızı / Kanal Sayısı = 504 / 8 = 63 Mbit/s Başta belirttiğimiz gibi sistemimiz 16QAM modülasyonu ile tasarlanacaktır. Bu modülasyon türünde m = log 2 16 formülü ile bulunur. Bu denkleme göre her simge 4 bit ile kodlanacaktır. Dolayısıyla s = Rb / m formülünden s=15.75 Mbaud olarak bulunur. X=2, Y=3, Z=1 için Xs=31.5, Ys=47.25, Zs=15.75 olur. Bu durumda sistem eş polarizasyonlu olarak tasarlanırsa band genişliği şu şekilde bulunur. Band Genişliği = 2*(7Xs+Zs+Ys/2) = 520 MHz olur. Merkez frekansımızı 8 GHz olarak belirlemiştik. Bu yüzden iletim aralığımız 8 520/2, /2 yani GHz bandındadır. Bu aralık Şekil 3 de seçtiğimiz aralığa da uyar. Son olarak da her bir kanalın bant genişliğine bakabiliriz. Bunun için bit hızını modülasyon verimine bölmek yeterli olacaktır. 16QAM modülasyonuna göre η =3.6 dır. Dolayısıyla B=Rb/η=63 Mbps/3.6=17.5 MHz çıkar. Kayıp Hesapları: Serbest Uzay Yol Kaybı: LFSL=92,4 + 20logf (GHz) + 20logD (GHz) = db çıkar. Dalga Kılavuz Kaybı: 8 GHz frekansında dairesel dalga kılavuzu kullanılabilir. Toplam iletim hattı uzunluğunu 10 m kule uzunluğu ile 25 m varsaydığımız yatay iletim hattını toplayarak buluruz. Dairesel dalga

6 kılavuzu için kayıp faktörü 0,022 db/m dir. Toplam kılavuz kaybı alıcı ve verici toplamı için LT= 2*35*0,022=1,54dB bulunur. Dallanma Kaybı: Dalga kılavuzunun bağlandığı yerde meydana gelen kayıp ortalama olarak LB=0,5 db olarak verilebilir. Anten Ayarsızlık Kaybı: Antenlerin bulunduğu konumdan dolayı ya da iletim hattında kullanılan malzemelerin zarar görmesinden kaynaklanan anten ayarsızlık kaybını LM=3,5 db olarak verebiliriz. (ideal en iyi durumda 3dB) Toplam Kayıp = LFSL + LT + LB + LM = 146,36 db bulunur. Fade Marjı Hesabı: Zonguldak Alaplı arası dağlık ve genelde yağışlı bir iklime sahiptir. Bu yüzden tasarımımızda çevre faktörü a=(1/4), iklim faktörü b=(1/8) seçilecektir. Etkin Fade Marjı (EFM) hesabı yapılırken histerezis etkisi de devreye girmektedir. Tasarımda toplam dalga kılavuz kaybı olan h=1.54 için histerezis etkisi 3.75 db (10logh 2 ) olarak bulunur. Doğrudan linklerde fading durumu ya da ayarsızlıklar sebebiyle ortaya çıkan bozulmaları gidermek için uygulanan yöntemlere diversite denir. Tasarımımızda uzay diversitesi uygulanacaktır. İki anten arası mesafe açıklık 5 metre (16.4 feet) alınmıştır. Yılda 1sn kesinti için aşım olasılığı; P(0) = 1/60*60*24*365 = 3.16x10-8 olarak bulunur. EFM = 20*logD(mil) 10*logS(feet) + H(dB) + 5*log(a*b) 7.2 5*logP(0); EFM = 20*logD(20.81) 10*logS(16.4) *log(1/32) 7.2 5*(-7.5); EFM = db bulunur. EFM hesabının yeterli olmadığı durumlar olabileceğinden FFM (Düz fade marjı) bulunmalıdır. FFM i bulmak için DFM(Yayılmış fade marjı) = 50 db, IFM(Girişim fade marjı)=50 db alınabilir. FFM = -10log(10 -EFM/ DFM/ IFM/10 ) FFM = db çıkar. Verici Gücü, Alıcı Girişindeki Eşik Sinyal Seviyesi ve Sistem Kazancı Hesabı: Verici Gücü: Sistemimizde Pt=30 dbm olarak belirlenmiştir. Alıcı Girişindeki Eşik Sinyal Seviyesi (RSLm): RSLm = N + (S/N); N = (k*to)(dbw/hz) + 10log(B) + NF

7 S/N = (Eb/No)(dB) + 10log(η) Buradaki değerler; k*to= -204dBw/Hz R=63 Mbit/s NF: 10log(F) (Tasarımımız için alıcı gürültü karakteristiği 2 olarak alınacaktır.) = 3 db B=17.5 MHz olarak bulunmuştu. η =3.6 (16QAM modülasyon verimi) Bit Hata Oranı = 10-5 için Eb/No=14.5 db çıkar. (Şekil 5) Şekil 5. BER Eb/No Grafiği Verilen değerlere göre RSLm hesabı yapılırsa, RSLm= -128,56 db (N) + 20,06 db (S/N) = db olarak bulunur. Sistem Kazanç Hesabı: Gs = Pt-RSLm=30-( ) = db bulunur. Anten Hesapları: Link bütçesi formülünü kazanç ve kayıplar cinsinden yazarsak; Gt + Gr = FFM + L Gs İki anten kazancı eşit olarak alınırsa; 2*Gt = db db db = db Gt = db bulunur. Anten Çapı Hesabı: Gt = logf(GHz) +20logd(metre)

8 24.94 = lof8 + 20logd D = 28,4 cm çıkar. Düzeltmeler: Anten boyumuz 28.4 cm çıkmıştır; fakat sektörde kullanılan GHz bandındaki anten çapları: 1.2 m (4 feet), 1.8 m, 2.4 m, 3.0 m, 3.7 m, 4.6 m dir. Bu durumda sistemimizde iyileştirmelere gitmeliyiz. 1.2 m anten çapı için Gt kazancı db olur. 2*Gt kazancı ise db olur. İlk olarak BER 10-5 yerine 10-6 olarak iyileştirilebilir, aynı şekilde alıcı gürültü karakteristiği F=4 yapılır. Bu durumda 2*Gt kazancı 3,9 db artarak db olmuştur. İkinci olarak fade marjı ile oynanabilir. Eğer kesinti süresi 1 saniyeden 0.1 saniyeye düşürürsek FFM (düz fade marjı) 9.68 db artar. Dolayısıyla = db olur. 2*Gt için değerini hala yakalayamadık. Aradaki fark db çıkar. Eğer Pt iletim gücünü 30 dbm yerine db verirsek, antenlerimizin çaplarının 1.2 metre olacağını garanti etmiş oluruz. 3. Sonuç Zonguldak ile Alaplı bölgelerinde kurulması amaçlanan 150 TV yayın iletimini sağlayacak iki adet RF link için tasarım yapılmıştır. Tasarımda 8 GHz merkez frekanslı 550 MHz lik bandgenişliği kullanılmıştır. İlk olarak link kurulacak tepelere konulacak kule yükseklikleri bulunmuştur. Bunun için yol profili çıkartılmış ve clearance mesafesi hesaplanmıştır. Daha sonra 150 TV yayını için frekans yerleşimi yapılmıştır. Video yayını için bit hızı bulunmuş, 16-QAM modülasyonu için simge hızları, toplam band genişliği ve her kanalın band genişliği bulunmuştur. Akabinde sistemdeki kayıplar hesaplanmıştır. İklim ve coğrafi pozisyondan dolayı sistemimize uzay diversitesi uygulanmıştır ve yılda 1sn kesinti için Fade Marjları hesaplanmıştır. Kayıplardan sonra kazançları hesaplamak için belli bir verici gücü verilmiştir. Ayrıca alıcı girişindeki eşik sinyal seviyesi (RSLm) bulunmuş ve sistem kazancı bulunmuştur. Kazanç ve kayıplardan sonra geriye bir tek anten kazançları kalmıştır. Bu yüzden link bütçesi formülasyonundan anten kazançları çekilmiştir. Bu kazanca göre de antenin çapı bulunmuştur. Tasarım sistemimizde bulduğumuz anten çapı sektörde kullanılanlara göre küçük çıktığından sistemi iyileştirmek adına bazı değişiklikler (BER in arttırımı, kesinti süresi 0.1sn ye indirmek ve gücü azaltmak gibi) yapılmıştır. İyileştirmeler sonucunda 1.2 metrelik antenlerle sistemimizin tasarladığımız şekilde çalışacağı garanti edilmiştir.

9 REFERANSLAR: [1] Doç. Dr. Mesut Kartal, Ders Notları, İTÜ, [2] ETSI, Fixed Radio Systems; Draft ETSI EN , France, [3] European Communications Office, THE EUROPEAN TABLE OF FREQUECY ALLOCATIONS AND APLICATIONS IN THE FREQUENCY RANGE 8.3 khz to 3000 GHz (ECA TABLE), [4] Andrew Antenna: GHz [Online]. Avaliable: [5] Association of Radio Industries and Businesses, PORTABLE MICROWAVE DIGITAL TRANSMISSION SYSTEM FOR TELEVISION PROGRAM CONTRIBUTION, Tokyo, Japan, [6] ADINDE, C. A. et all., Performance Evaluation of Modulation Schemes Used for Digital Microwave Communication Systems, International Journal of Computer Science and Telecommunications v.4, iss.2, Nigeria, [7] Frenzel L., Digital Communications: The ABCs Of Ones And Zeroes [Online]. Avaliable: