Ultra Geniş Band Haberleşmesi (Ultra Wide Band, UWB Communication) Giriş Ultra Geniş Band haberleşmesi son yıllarda oldukça ilgi görmeye başlanmıştır. Bu haberleşme kısa süreli darbe dizilerine bağlıdır, bu kısa süreli darbeler haberleşme uygulamalarında yaklaşık birkaç yüz pikosaniyedir. İletilecek bilgi ikili dizilere dönüştürülür ve herbir bit bir ya da daha fazla darbe ile iletilir. UWB sistemler frekans spektrum yetersizliği problemine çözüm getirerek, düşük güç spektral yoğunlukları nedeniyle diğer sistemler ile neredeyse hiç karışma olmadan kullanılabilinmektedir. Ayrıca diğer radyo frekans cihazları tarafından beyaz gürültü şeklinde algılanmaktadır [1]. Ultra Geniş Band Tarihi Ultra Geniş Band haberleşmesi aslında çok yeni bir teknoloji değildir, ilk kez Marconi nin mors alfabesini iletmek için kullandığı verici o zaman için kısa süreli elektromanyetik darbelerin çok kullanıcılı sistemlerde gerçeklenmesi ve geniş spektrumların yararları hiç düşünülmemişti. Marconi den 60 yıl sonra 1960-1990 arası Amerikan Savunma Bakanlığı tarafından geniş bandlı haberleşme kısıtlanmış ve çok gizli uygulamalarda kullanılmıştır. Geçtiğimiz son 10 yılda ise Amerika Birleşik Devletleri Ulusal Haberleşme Komisyonu (FCC) UWB sistemleri ticari kullanıma uygun görmüştür. Ultra Geniş Bandlı Sistemlerin Çalışma Prensibi UWB tarihsel gelişimi UWB işaretlerinin, çok kısa süreli darbeler ile meydana geldiğini söylemiştik. Bu yüzden bilgi dizileri için darbe genlik modülasyonu (PAM) veya darbe durum modülasyonu (PPM) düşünülebilinir. TH-UWB işareti iletim şeması Üretilen işaretin spektrumunu şekillendirmek için ve bilgi sembollerini kodlamak için yalancırasgele (pseudorandom) ve yalancı-gürültü (pseudonoise) dizileri kullanılır. Kodlanmış bilgi sembollerinden üretilen darbeler bir zaman atlaması olarak gösterilir ve bu zaman atlamalı UWB
(time-hopping UWB) adını alır. Doğrudan dizili yayılmış spektrum (Direct-sequence spread spectrum, DS-SS) yani veri sembollerinin basit genlik modülasyonu ile kodlanması DS-UWB ile gösterilir[2]. Yukarıda, TH-UWB blok şeması görülmektedir, (N s,1) tekrarlı blok kodlayıcı b dizisinin her bitini N s defa kodlayarak fazlalık bitlerini tanır ve R cb hızında ikili a dizisini üretir. Transmisyon kodlayıcı ise N p periyotlu tam sayı değerli c = (...,c 0,c 1,...,c k,c k+1,...) kodu ile a dizisinden d dizisini üretir[2]. Üretilen d dizisi modülasyona uğrayarak dirac darbeler üretilir. Bu darbeler T c ve T s kadar ötelenmiş olur, bu şekilde üretilmiş darbeler üzerinde c kodunun zaman atlamalı etkileri görülür. Son olarak ise p(t) impuls yanıtlı darbe şekillendiriciye gelen işaretler birbiri ile örtüşmeyecek biçimde s(t) olarak üretilirler. 1 Şekil 1. DS-UWB İşareti İletim Şeması UWB işaretleri doğrudan dizili yayılmış spektrumlu olarak da üretilebilirler, burada zaman atlamalı sistemlerden farklı olarak kodlanan ikili diziler yalancı-gürültülü iki değerli diziler ile iletilir. Bunun dışında yapılan işlemler hemen hemen zaman atlamalı sistemler ile benzerdir. UWB dalga biçiminin matematiksel modeli UWB nin matematiksel modeli olarak tekli, çiftli ve çoklu darbelerin dalga biçimini inceleyebiliriz[3]. Şekil 2. Tekli ve Çiftli UWB Dalga Biçimi Bu analitik modeller N tane sinüsoid çevrimden oluşursa; 1 Koyu yazılmış ifadelerin karşılığı blok şema üzerinde gösterilmiştir.
biçiminde gösterilir. Bu ifadenin Fourier dönüşümü ise şu şekildedir. biçimindedir. Bu şekilde olan bir işaretin dalga biçimi ve güç spektral yoğunluğu ise aşağıdaki gibidir. UWB İşaretleri ve Band Genişlikleri Şekil 3. Çoklu Darbenin Dalga Biçimi ve Güç Spektal Yoğunluğu UWB işaretlerinin band genişliği 500 mhz den daha büyük ya da kademeli band genişliği (fractional bandwidth) tüm iletilenden %20 daha fazla olmalıdır[4]. Kademeli band genişliği faktörü dar band, geniş band ve UWB olarak sınıflandırabiliriz. Bu kademeli band genişliği şu şekilde ifade edilir. Bir UWB sinyali herhangi bir geniş band sinyal değişikliği ile gösterilebilinir; Gaussian gibi.
Şekil 4. 500 pikosaniyelik Gauss zaman ve frekans grafiği Bu Gauss işaretini kademeli band genişliği bakımından incelediğimizde. Alçak ve yüksek kesim frekansını 1.2 ve 2.8 GHz olarak alırsak minimum kademeli band genişliği; olarak çıkar. Daha önce UWB için kademeli band genişliğinin %20 den büyük olması gerektiğinden bahsetmiştik. Burada bir sınıflandırma yapacak olursak; UWB nin Avantajları sonucunu elde ederiz. UWB teknolojisinin, dar bandlı haberleşme sistemleri üzerinde birçok avantajı vardır. Özellikle gelişmiş kanal kapasitesi ve çok düşük güçte çalışabilmesi bu avantajların en önemlilerindendir. Diğer birtakım avantajlarına ise detaylı bir şekilde bakabiliriz. Frekans Spektrum Paylaşımı FCC ye göre UWB nin mhz başına harcadığı güç sadece 75 nanowatt dır[4]. Güç kısıtlamaları sayesinde UWB sistemler diğer kablosuz sistemlerle birlikte çalışabilmektedir. UWB, diğer darbandlı sistemlerde gürültü gibi hatta gürültünün altında kalarak ortak girişimden minimum düzeyde etkilenir. Bu sayede ortak bir frekans spektrumunda çalışabilir. Güç bakımından aşağıdaki grafik durumu daha iyi açıklamaktadır.
Şekil 5. UWB Sinyallerinin Dar ve Geniş-Bandlı sinyaller ile birlikle çalışması Geniş Kanal Kapasitesi Kanal kapasitesi, haberleşme sistemlerinde saniyede iletilebilen maksimum bilgi miktarını ifade eder. Shannon un kapasite fomülünü hatırlarsak; C maksimum kapasite, B bandgenişliği ve SNR işaret/gürültü oranı olmak üzere şu şekildedir: Formülden de görüldüğü üzere bandgenişliği arttıkça, kapasiteninde doğrusal olarak arttığını görüyoruz. UWB sistemlerinin bandgenişliğinin Ghz boyutlarına ulaştığını düşünürsek, kanal kapasitesinin kabaca Gbps lara çıkacağını görebiliriz. Düşük İşaret/Gürültü Oranı Bir önceki kapasite formülünden, kapasite ile SNR arasında logaritmik bir bağıntı olduğunu görebiliriz. Band-genişliğinin çok yüksek olduğunu ve logaritmik bir ifadeye göre daha hızlı arttığını göz önünde bulundurursak, çok düşük SNR değerleri ile UWB sistemlerini çalıştırabiliriz. Çok Yollu Kanallarda Yüksek Performans Kablosuz haberleşme sistemlerinde çok yollu kanalların etkileri kabul edilebilir bir gerçektir. Çok yollu etkiler dar-bandlı sinyallerde ciddi bozulmalara yol açabilir. Diğer yandan çok kısa süreli UWB darbeleri, çok yollu kanal etkilerine karşı daha az duyarlıdır. Çünkü UWB darbe iletim süresi çok kısa olduğu için yansıyan darbe, LOS darbe ile çarpışma fırsatı için çok kısa bir süresi vardır[3]. Bu demek değildir ki, UWB işaretler tamamiyle çok yollu kanaldan etkilenmez. Yapılan çalışmalar da kapalı alanlardaki UWB iletimin daha çok bozulmaya uğradığı görülüyor.
Şekil 6. (a) Çok yollu kablosuz kanal. (b) Dar-bandlı işaretlerde çok yollu etkiler. (c) UWB darbelerinde çok yollu etkiler. UWB nin zorlukları UWB sistemlerin her ne kadar çok avantajı olsa da, karşılaştığı birtakım zorluklar da vardır. Darbe Bozulması Dar-bandlı sinyaller iletim kanalında sinüsoidal olarak kalabilirler. Fakat, UWB sinyaller daha karmaşık olduğu için iletim kanalı boyunca bozulmaya uğrayabilirler çünkü UWB işaretleri daha zayıf ve gücü düşüktür. Alınan darbenin gücüne şu şekilde bakacak olursak; Alınan gücün frekans arttıkça azaldığını görebiliriz. Bu da çok yüksek frekanslarda alınan gücün ciddi ölçüde değişerek iletilen darbelerin alıcıda bozulmasına yol açar. Kanal Kestirimi Alıcı tasarımında kanal kestirimi temel bir sorundur. Çünkü, her zaman kablosuz kanalları ölçmek mümkün olmayabilir. Bunun için deneme dizileri ile kanal parametrelerini kestirebilmek gerekir. Çoğu UWB alıcısı alınan sinyalleri önceden tanımlanmış sinyaller ile ilişkilendirir. Kablosuz kanal parametrelerini kestirebilmek için önceden tanımlanmış sinyaller ile alınan sinyalleri eşleştirmek gerekir. Fakat alınan sinyallerin bozulmasını göz önünde bulundurduğumuz da UWB sistemlerde kanal kestiriminin zorlaştığı görülür.
Yüksek Frekans Senkronizasyonu Alıcı ve verici arasındaki zaman senkronizasyonu UWB sistemlerde geniş bir çalışma alanıdır. Çünkü, UWB sistemlerin tasarlanırken örnekleme ve senkronizasyon işlemlerinin nanosaniyeler seviyesinde yapılması gerekir. Bu seviye ise çok hızlı sayısal dönüştürücüler ve modülasyon işlemleri gerektirdiği için senkronizasyon işlemi de aynı ölçüde zorlaşır. Çoklu Erişim Zorluğu Her kullanıcı bağımsız ve eş zamanlı olarak aynı iletim ortamına bilgi gönderebilir. Bu işaretlerin çoklu bir UWB alıcıda belirlenip ayrıştırılması beklenir. Fakat, UWB işaretlerinin düşük güçlü olması, gürültü ve diğer dar-bandlı işaretlerin ortak girişimin etkileri sonucu ayrıştırma işlemi UWB sistemler için son derece zorlayıcıdır. UWB Uygulama Alanları UWB sistemlerin avantajları ve dezavantajları ele alındığında çeşitli uygulama alanları görebiliyoruz. Özellikle yüksek hızlı WPAN, düşük güçlü gizli haberleşme uygulamaları. Radar, pozisyon belirleme ve düşük güçte çalışan sensör uygulamalarında kullanıldığını görüyoruz.[5] Kaynaklar [1] Ultra Geniş Bandlı (UWB) Dipol Antenler Şule (Yener) Çolak, Tan. F. Wong A., Hamit Serbest [2] Ultra Wide Band Wireless Communications : A Tutorial Maria-Gabriella Di Benedetto and Branimir R. Vojcic [3] Why UWB? A Review of Ultrawideband Technology Report to NETEX Project Office, DARPA by Leonard E. Miller Wireless Communication Technologies Group National Institute of Standards and Technology Gaithersburg, Maryland April 2003 [4] Introduction to Ultra Wide-Band Communication http://ptgmedia.pearsoncmg.com/images/0131463268/samplechapter/0131463268_ch01.pdf [5] Applications of UWB Technology Sana Ullah, Murad Ali, Md. Asdaque Hussain, and Kyung Sup Kwak