Bölüm 3. Antenler ve Yayılma

(1)

M bil K bl Ağl Mobil ve Kablosuz Ağlar

Bölüm 3. Antenler ve Yayılma

Doç. Dr. Suat Özdemir http://ceng.gazi.edu.tr/~ozdemir

Giriş

 Antenbir iletken ya da iletkenlerden oluşan bir elektromanyetik sinyal alıp verebilen sistemdir

– İletim (Transmission) - elektromanyetik dalgalar yayar – Alım (Reception) – havadaki elektromanyetik enerjiyi toplar

İki önlü bi iletişimde bi anten hem iletim hem de al m için

 İki yönlü bir iletişimde, bir anten hem iletim hem de alım için kullanılabilir.

(2)

Yayılma Desenleri

 Yayılma deseni (Radiation pattern)

– Bir antenin yayılma özelliklerinin grafiksel olarak gösterimi – 2-D bir düzlemde gösterilir

 Alma deseni (Reception pattern)

– Yayılma deseni ile aynı özellikleri gösterir

Mobil ve Kablosuz Ağlar

Doç. Dr. Suat Özdemir 3/54

Anten çeşitleri

 Yön bağımsız (isotropic) anten (ideal anten)

– Her yöne eşit güçte sinyal gönderir

Hertz antenna

 Çift kutup(Dipole) anten

– Half-wave dipole antenna (or Hertz antenna)

– Quarter-wave vertical antenna (or Marconi antenna)

 Parabolic Reflective Anten

(3)

 Her yöne eşit güçte yayılım

 Teorik, referans, model anten

 S: power per unit area

Yönbağımsız (Isotropic) anten

 P_t: transmitted power

z y

x

z

y x

4

2

1 P d S

_t

 

Mobil ve Kablosuz Ağlar Doç. Dr. Suat Özdemir

x

ideal isotropic radiator

5/54

Anten kazancı (Antenna Gain)

 Anten kazancı

– Yönlülük ölçütü (Measure of the directionality of the antenna) – Belirli bir giriş gücü için, bir antendeki belli bir yöndeki güç çıkışının,

aynı giriş gücüne sahip bir isotropic antenin herhangi bir yöndeki güç k

çıkışına oranı

– Örnek – Eğer bir antenin kazancı 3dB ise o anten isotropik antenin etkisini belli bir yönde 3dB artırıyor demektir.

(4)

Etkin alan (Effective area)

 Anten kazancı anten etkin alanı ile ilgilidir

– Antenin fiziksel şekli ve boyutu

Anten kazancı (Antenna Gain)

 Anten kazancı ve etkin alan arasındaki ilişki

2 2 2

4 4 A f A

G _ 

^e

_ 

^e

• G = anten kazancı

• A_e= etkin alan

• f = carrier frequency

• c = speed of light 3  10⁸m/s)

•  = carrier wavelength

2

c



(5)

Örnek

 Frekansı 12 GHz ve çapı 2 m olan Parabolik antenin etkin alanı ve anten kazancı nedir?

A

_e

= 0.56A = 0.56π

8 9

=c/f=(3x10

⁸

)/(12x10

⁹

)=0.025 m.

G=(7A)/ 

²

= 7π/(0.025)

²

= 35186 G

_dB

=46.46dB

Yayılma (Propagation) Modları

 Ground-wave propagation

 Sky-wave propagation

 Line-of-sight propagation

(6)

Ground Wave Propagation

 Yer kabuğunu takip eder

– Elektro manyetik dalgalar yerkabuğu üzerinde akım oluşturur, sinyali yavaşlatır ve büker

– Diffraction (dağılarak kırılma)

 Çok uzun mesafelerde yol alabilir

 2 Mhz kadar olan frekanslarda kullanılır

 Örnek

– AM radio

(7)

Sky Wave Propagation

 Sinyal atmosferdeki iyonosfer tabakası ve yerkabuğu arasında yansıtılır

 Sinyal iyonosfer tabakası ve yerkabuğu arasında birçok kez gidip gelebilir

kez gidip gelebilir

 Yasıma etkisiışın kırılmasıyla oluşur

 Örnek

– Amatör radio (telsiz iletişimi) – BBC international, Voice of America

(8)

Line-of-Sight Propagation

Görüş çizgisi yayılma (Line-of-Sight Propagation)

 Sinyal yayan ve alan antenler mutlaka birbirlerinin görüş alanı içinde olmalıdırlar

– Uydu iletişimi – 30 MHz in üzerindeki sinyaller iyonosfer tarafından yansıtılmaz

iyonosfer tarafından yansıtılmaz

– Yer iletişimi (ground communication) – antenler birbirlerinin

etkin

görüş alanı içindedirler

• Kırılma (refraction)

(9)

Kırılma (Refraction)

 Kırılma (Refraction) –

dalgaların atmosfer tarafından eğilmesi

Elekt oman etik dalgala n h la – Elektromanyetik dalgaların hızları

ortam yoğunluğuna göre değişir – Ortam degiştiginde hız da değişir – Dalga ortam değişiminin olduğu

yerde eğiilir

• Yoğun olan ortama doğru

Görüş Çizgisi Eşitlikleri

 Optik görüş çizgisi- optical line of sight

h d  3 . 57

 Etkinya da radyo görüş çizgisi- Effective, or radio, line of sight

• d= anten ve ufuk çizgisi arasındaki mesafe

h d  57 3 . 

ç g (km)

• h= anten yüksekliği (m)

• K = kırılma faktörü, genel kural K = 4/3

(10)

Etkin (radio) görüş çizgisi

Görüş Çizgisi Eşitlikleri

 Görüş Çizgisi (LOS) için iki anten arasındaki maksimum mesafe.



1 2



57 .

3  h   h

•h₁= 1. antenin yüksekliği

•h₂= 2. antenin yüksekliği

(11)

Örnek

 LOS yayılma moduna göre, birisi yer seviyesinde olan diğeri ise 100m yüksekliğe sahip iki anten arasındaki maksimum uzaklık ne olabilir?

km h

d  3 . 57   3 . 57 133  41

LOS kablosuz iletimi zayıflatan etkenler

1) Zayıflama ve zayıflamaya bağlı bozulma

2) Uzaklığa bağlı dağılma (Free space loss)

3) Gürültü

4) Atmosferik emilim (absorption)

5) Çoklu yol

6) Kırılma

(12)

1- Zayıflama

 Sinyal gücü mesafe ile birlikte azalır

 Zayıflama faktörleri

– Alıcının sinyali doğru olarak yorumlayabilmesi için alınan sinyalin yeterli güce sahip olması gerekir

– Hatasız alınabilmesi için sinyal seviyesi gürültünün seviyesinden yüksek olmalıdır

– Yüksek frekanslarda zayıflama daha çok olur ve bu da bozulmaya sebep olur

2- Free Space Loss

 Uzaklığa bağlı olarak sinyal dağılır

 Isotropik antenler için free space loss

   ⁴ ^d

²

⁴ ^fd 

²

P

_t

 

• P_t= signal power at transmitting antenna

• P_r= signal power at receiving antenna

• d= propagation distance between antennas

   

2 2

4 4

c fd d

P P

r

t





 _



• c= speed of light 3  10⁸m/s)

where dand  are in the same units (e.g., meters)

(13)

Free Space Loss

 Frekans ve uzaklığın karesi ile doğru orantılı

 Uzak mesafeler için geçerli, yakın mesafede tutmaz

Free Space Loss

 ‘yi etkileyen 2 faktör

 1. sinyalin elektromanyetik enerjisinin yayılması

P 1 S 

r

t

P

P FSL  /

 2. Antenin etkin alanı A_e: sinyalin ne kadar iyi alınabildiği

4 d

2

P S

_t





²

S P

_r





r

4

(14)

Free Space Loss

 Free space loss eşitliği aşağıdaki gibi desibel olarak da ifade edilebilir:



 



 

 

d P

L P

r t dB

log 4 20 log

10

 

²⁰^log

 

²¹^.⁹⁸^dB

log

20  







d

 

²⁰^l

 

¹⁴⁷⁵⁶^dB

l 4 20

l

20  

d fd f



 

²⁰^log

 

¹⁴⁷^.⁵⁶^dB

log 20 log

20   



 



  f d

c f

27/54

Free Space Loss

 Isotropik olmayan antenler için anten kazancı da dikkate alınmalıdır

       

t

d d cd

P 4 

² ²



² ²

• G_t= gain of transmitting antenna

• G_r= gain of receiving antenna

• A_t= effective area of transmitting antenna

       

t r t

r t

r r

t

A A f

cd A

A d G

G

d P

P

2 2

4  

 





• A_r= effective area of receiving antenna

(15)

Free Space Loss

 Isotropik olmayan antenler için free space loss eşitliği aşağıdaki gibi desibel olarak da ifade edilebilir:

    

t r



dB d AA

L 20log  20log 10log

 

²⁰^log

 

¹⁰^log

 

¹⁶⁹^.⁵⁴^dB

log

20   



 f d A_tA_r

Örnek

 Dünyadan 35863 km uzaklıktaki bir uydu (isotropik ve 4Ghz ile çalışıyor) için free space loss nedir?

 L_dB= -20(0.075) + 20log(35863000)+21.98 L_dB=195 6 dB

L_dB 195.6 dB

 Eğer anten kazançları 44dB ve 48dB olsaydı?

 L_dB=195.6 – 44 – 48 = 103.6 dB

(16)

Örnek (devam)

 Eğer yerden 250W ile sinyal gönderiliyor ise, uyduda alınan sinyalin gücü ne olur?

 250W  10log250W  24dBW

 24-103 6 = -79 6dBW24 103.6 79.6dBW

3- Gürültü

 Termal gürültü

– Elektronların hareketinden dolayı

– Her elektronik alet ve iletim ortamında oluşur

• Ortam üzerinde sabittir

• White noise olarakta adlandırılır

– Elimine edilemez – Sıcaklığın bir fonksiyonu

– Özellikle uydu iletişiminde sorun olur

(17)

Termal gürültü

 1 Hz lik bant genişliğinde oluşan termal gürültü miktarı

N i d it i tt 1 H f b d idth

 ^W/Hz 

0

k T N 

• N₀= noise power density in watts per 1 Hz of bandwidth

• k = Boltzmann's constant = 1.3803  10^-23J/K

• T = temperature, in kelvins (absolute temperature)

Termal gürültü

 Gürültünün frekansdan bağımsız olduğu kabul edilir



B

Hertz lik bantgenişliğindeki gürültü (watt olarak):

TB N  k

decibel-watt olarak

TB N  k

B T

N  10 log k  10 log  10 log

B T 10 log log

10 dBW 6

.

228  



 228 . 6 dBW  10 log T  10 log B

(18)

Örnek

 294K sıcaklığa ve 10Mhz bantgenişliğine sahip bir alıcıdaki termal gürültü nedir?

 N= -228.6+ 10log(294)+10log10⁷

= -133 9 dbW 133.9 dbW

E

_b

/ N

₀

ifadesi

 1 bitlik bir sinyalin enerjisinin 1 Hertz deki gürültü yoğunluğuna oranı

S R S E

_b

 / 

 Sayısal veri içinbit error rate

E

_b/

N

₀oranının bir fonksiyonudur

– Verilen birE_b/N₀oranı için istenilen bit error rate’i tutturmak için bu eşitliği değerleri uygun şekilde seçilebilir

– Bit rateRarttıkça, sinyal gücüE_bartırılmalıdır

TR N

N

₀



₀

 k

Bit rate R arttıkça, sinyal gücüE_bartırılmalıdır

(19)

Örnek

 Bir sinyal işleyicinin 10^-4 lük bir hata oranı ile

çalışabilmesi için E_b/N₀= 8.4dB oranına ihtiyacı var. Eğer oda sıcaklığı 290 K ve veri iletim hızı 2400 bps ise, sinyal oda sıcaklığı 290 K ve veri iletim hızı 2400 bps ise, sinyal işleyicinin alması gereken sinyalin gücü ne olmalıdır?

T k

R S

N dB E

dBW

b

10 log 10 log 10 log

0



 



 





8.4 = S_dBW -10log2400+228.6dBW-10log290 S = 161.8 dBW

37/54

Diğer Gürültü Çeşitleri

 Intermodulation noise – occurs if signals with different frequencies share the same medium

– Interference caused by a signal produced at a

f th t i th diff f i i l

frequency that is the sum or difference of original frequencies

– Örnek: ASSUME TWO TRANSMISSIONS OCCURS, ONE AT 1000 HZ AND THE OTHER ONE AT 2500 HZ ON A VOICE - GRADE TRANSMISSION LINE. IF INTERMODULATION NOISE OCCURS, THE SIGNAL MAY COMBINE, PRODUCING A SIGNAL OF 3500 HZ.

(20)

Diğer Gürültü Çeşitleri

 Crosstalk – unwanted coupling between signal paths

 Impulse noise – irregular pulses or noise spikes

– Short duration and of relatively high amplitude

– Caused by external electromagnetic disturbances, or faults and y g , flaws in the communications system

LOS u etkileyen diğer etkenler

4) Atmospheric emilim (absorption) – su buharı ve oksijen zayıflamayı artırır

5) Çoklu yol (Multipath) – büyük boyutlu engeller sinyalleri yansıtırlar bunu sonucu olarakda alıcı aynı sinyalin birden

y y y

fazla kopyasını değişik zamalarda alabilir

6) Kırılma (Refraction) – sinyaller atmosferde yol aldıkça eğilirler

(21)

Multipath Propagation

 Reflection– yansıma sinyal dalga boyuna oranla çok daha büyük bir cisme çarparsa oluşur

 Diffraction– kırılarak dağılma sinyal dalga boyuna oranla çok daha büyük bir cismin köşesinde oluşur oranla çok daha büyük bir cismin köşesinde oluşur

 Scattering– saçılma sinyal dalga boyuyla orantılı ya da daha küçük bir cisme çarparsa oluşur.

reflection scattering diffraction shadowing

41/54

Multipath Propagation

(22)

 Bu etkilerden ötürü sinyal değişik yollardan alıcıya ulaşabilir.

– İletişim nasıl etkilenir?

Multipath yayılmanın etkileri

signal at sender

signal at receiver

43/54

Multipath yayılmanın etkileri

(23)

Multipath yayılmanın etkileri

 Aynı sinyalin birden fazla kopyasını değişik zamanlarda alınabilir

– If phases add destructively, the signal level relative to noise declines, making detection more difficult

 Intersymbol interference (ISI)

– Gecikmiş birkaç sinyal (signal pulse) aynı zamanda alıcıya ulaşarak gerçek bir sinyalin (signal pulse) yerini alır.

Hata düzeltme mekanizmaları

 Multipath propagion sonucu oluşan hatalar düzeltilebilir

– Forward error correctionForward error correction

• Transmitter adds error-correcting code to data block

– Adaptive equalization

• Used to combat intersymbol interference

• Time variant specs of a symbol

– Diversity techniques

• Diversity is based on the fact that individual channels

• Diversity is based on the fact that individual channels experience independent fading events

(24)

Diğer yayılma modelleri

 Cep telefonu şebeke tasarımı

 Alıcı sinyal gücü

 Free space loss yeterli mi?

– Şehir merkezleriŞehir merkezleri

Outdoor Propagation Models

 Longley-Rice Model

 Durkin’s Model

 Okumura Model

 Hata Model

 PCS Extension to Hata Model

 Walfisch and Bertoni Model

 Wideband PCS Microcell Model

(25)

Okumura Model

 One of most widely used model in urban areas

 This model is applicable for

– frequencies: 150 MHz to 1920 MHz – distances: 1 km to 100 km

– base station antenna heights: 30 m to 1000 m

Okumura Model

 The model can be expressed as

L₅₀(dB)=L_F+A_mu(f,d)-G(h_te)-G(h_re)-G_AREA

– L₅₀: the 50^thpercentile (i.e., median) value of propagation path loss

– L_F: free space propagation loss

– A_mu: median attenuation relative to free space – G(h_te): base station antenna height gain factor – G(h_re): mobile antenna height gain factor

(26)

Okumura Model

 G_AREA: the gain due to the type of environment

 Antenna gains:

Okumura Model

(27)

Okumura Model

Okumura Model - Örnek

 Örnek

 Okumura modeline göre median path loss değerini aşağıdaki veriler için bulunuz.

 d=50 km, hte=100 m, hre=10m

 Carrier frequency of 900 MHz

(28)

 Quiz 

 3Khz bantgenişliği ve 31dB gürültü seviyesi olan kanalın kapasitesi nedir?

 Bu kapasiteye ulaşmak için uygun olan sinyal seviye sayısı nedir?

Bölüm 3. Antenler ve Yayılma

M bil K bl Ağl Mobil ve Kablosuz Ağlar

Giriş

Yayılma Desenleri

Anten çeşitleri

Yönbağımsız (Isotropic) anten

4

1 P d S

 

Anten kazancı (Antenna Gain)

Etkin alan (Effective area)

Anten kazancı (Antenna Gain)

4

4 A f A

G  

 

c



Örnek

A

= 0.56A = 0.56π

=c/f=(3x10

)/(12x10

)=0.025 m.

G=(7A)/ 

= 7π/(0.025)

= 35186 G

=46.46dB

Yayılma (Propagation) Modları

Ground Wave Propagation

Ground Wave Propagation

Sky Wave Propagation

Sky Wave Propagation

Line-of-Sight Propagation

Görüş çizgisi yayılma (Line-of-Sight Propagation)

 Sinyal yayan ve alan antenler mutlaka birbirlerinin görüş alanı içinde olmalıdırlar

– Uydu iletişimi – 30 MHz in üzerindeki sinyaller iyonosfer tarafından yansıtılmaz

iyonosfer tarafından yansıtılmaz

– Yer iletişimi (ground communication) – antenler birbirlerinin

görüş alanı içindedirler

Kırılma (Refraction)

Görüş Çizgisi Eşitlikleri

h d  3 . 57

h d  57 3 . 

Etkin (radio) görüş çizgisi

Görüş Çizgisi Eşitlikleri





57 .

3  h   h

Örnek

km h

d  3 . 57   3 . 57 133  41

LOS kablosuz iletimi zayıflatan etkenler

1- Zayıflama

2- Free Space Loss

   4 d

4 fd 

P

 

   

4 4

c fd d

P P





 



Free Space Loss

Free Space Loss

P 1 S 

P

P FSL  /

4 d

P S





S P





G _ 

_ 

   ⁴ ^d

⁴ ^fd 

 _

 ^W/Hz 