KD KANALINDA GENİŞBANT HABERLEŞME TEKNİKLERİ WIDEBAND COMMUNICATION TECHNIQUES IN THE HF CHANNEL

(1)

KD KANALINDA GENİŞBANT HABERLEŞME TEKNİKLERİ

WIDEBAND COMMUNICATION TECHNIQUES IN THE HF CHANNEL

ÖMER ÖZDİL

DOÇ. DR. CENK TOKER Tez Danışmanı

Hacettepe Üniversitesi

Lisansüstü Egitim-Öğretim ve Sınav Yönetmeliğinin Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Anabilim Dalı için Öngördüğü

DOKTORA TEZİ olarak hazırlanmıştır.

2019

(2)

ÖZET

KD KANALINDA GEN˙I ¸ SBANT HABERLE ¸ SME TEKN˙IKLER˙I

ÖMER ÖZD˙IL

Doktora, Elektrik ve Elektronik Mühendisli ˘ gi Bölümü Tez Danı ¸smanı: Doç. Dr. Cenk Toker

Haziran 2019, 205 sayfa

˙Iyonosfer üzerinde sinyallerin uzun mesafeler katedebilmesi sayesinde, pahalı altyapılara ihtiyaç duymadan uzun mesafeler arasında ileti¸sim yapılabilmekte- dir. 3-30 MHz arasında dünya üzerinde çok uzak iki nokta arasında veri iletimi yapılabilmektedir. Her ne kadar, iyonosfer kendine özgü yapısı ile, sinyallerin çok uzak noktalara iletimine izin verse de, KD kanalında ileti¸simin bir çok zorlu ˘gu da vardır. ˙Ilk olarak, Kısa Dalga (KD) bandı giri¸simin yo ˘gun oldu ˘gu bir banttır. Amatör radyocular, askeri ve devlet kurumlarının kullandı ˘gı kanallar, KD bandında çalı¸san radarlar, KD bandında yayın yapan radyo istasyonları giri¸sime sebep olan yayınlardan bazılarıdır. Bunun yanında, atmosferik gürül- tünün gücünün dü¸sük frekanslarda daha yüksek olması, iyonosferin zamanla de ˘gi¸smesi ve buna ba ˘glı olarak kanalın gün içinde de ˘gi¸smesi gibi nedenler KD bandının kullanımını zorla¸stırmaktadır.

Bu zorluklara ra ˘gmen iyonosferin yapısını ve hareketlerini anlamaya yönelik çalı¸smalar hızlanarak devam etmektedir. Toplam elektron miktarının GPS uy- duları ile ölçülmesi çalı¸smaları, farklı koordinatlar için yapılan arade ˘gerleme çalı¸smaları ve International Reference Ionosphere (IRI) ile elektron yo ˘gunlu ˘gu, elektron sıcaklı ˘gı vb. parametrelerin modellenmesi gibi çalı¸smalar, iyonosferin farklı konum ve zamanlarda nasıl davranaca ˘gını önceden kestirebilmemize im- kan tanımaktadır. ˙Iyonosferin yapısı daha iyi anla¸sıldıkça da, farklı konum ve

(3)

zamanlardaki verici-alıcı çiftleri arasında sinyallerin izledi ˘gi yollar da ı¸sın izleme algoritmaları ile kestirilebilmektedir.

Bu çalı¸smada, ilk olarak KD bandında geni¸sbant ileti¸sim yaparken veri hızını enbüyültecek bir algoritma önermekteyiz. Önerdi ˘gimiz algoritma, elektron yo-

˘gunlu ˘gunu modellemede ve sinyallerin iyonosferde izleyecekleri yolları hesap- lamadaki bilgi ve tecrübe birikiminin üzerine in¸sa edilmi¸stir. Önerilen algorit- mada, ı¸sın izleme programlarının çıktıları kullanılarak kanal parametreleri he- saplanacak ve bu kanal parametrelerine göre kablosuz ileti¸sim sisteminin parametreleri eniyilenecektir. Dikgen Frekans Bölmeli Çoklama (OFDM), Çok Ta-

¸sıyıcılı Filtre Bankası (FBMC) ve Filtrelenmi¸s Çok Ton (FMT) gibi çokta¸sıyıcılı kablosuz ileti¸sim teknikleri için farklı eniyileme algoritmaları tasarlanmı¸stır. Al- goritma sayesinde, hangi çokta¸sıyıcılı sistemin kanalı daha verimli kullanaca ˘gı da belirlenebilecektir. Bunun yanında, altkanallarda kullanılacak modülasyon derinli ˘gi, verici gücü, altkanal sayısı, ta¸sıyıcı frekansı, altkanal bantgeni¸sli ˘gi, OFDM için çevrimsel önek sayısı, FMT için altkanallar arası bo¸sluk de ˘gerleri, veri hızını enbüyültecek ¸sekilde belirlenebilecektir. Ayrıca, algoritmanın öner- di ˘gi ta¸sıyıcı frekansları VOACAP programının önerdi ˘gi frekanslar ile de kıyas- lanmı¸stır.

Parametre en iyilemesi sonucunda, her kanal için bir çok-ta¸sıyıcılı sistem öneri- lememektedir. Bazı durumlarda, verilen kanal parametreleri için kısıtların sa ˘g- lanması mümkün olmamaktadır. Bu durumlarda, çok-ta¸sıyıcılı sistemin alıcı- sının önüne kanal kısaltıcı filtreler yerle¸stirilmelidir. Literatürdeki farklı kanal kısaltıcı metotlar incelenmi¸stir ve bu çalı¸smada En Büyük Kısaltıcı Sinyal Gü- rültü Oranı (MSSNR) metodunun karma¸sıklı ˘gını azaltacak bir yöntem öneril- mi¸stir. Önerilen yöntemin En Küçük Ortalama Karesel Hata (MMSE) metodu ile de kullanılabilece ˘gi gösterilmi¸stir ve literatürde önerilen MSSNR yöntemi ile kıyaslaması yapılmı¸stır.

Anahtar Kelimeler: Kısa Dalga Bandı, Çok Ta¸sıyıcılı, Kanal Kısaltma, Grup

(4)

Gecikmesi, Geni¸sbant ˙Ileti¸sim, OFDM, FBMC, FMT

(5)

ABSTRACT

WIDEBAND COMMUNICATION TECHNIQUES IN THE HF CHANNEL

ÖMER ÖZD˙IL

Doctor of Philosophy, Department of Electrical and Electronics Engineering

Supervisor: Assoc. Prof. Cenk Toker June 2019, 205 pages

Because ionosphere allow for the signals to propagate through long distances, very long-distance communication is possible with relatively cheaper infrast- ructure. This type of communication allows is realizable between frequencies 3-30 MHz. Although ionosphere allows this very long-distance type of communication, communication in the HF band has many difficulties. First, HF bands are very busy and interference on the HF bands are intense. Amateur radio users, military and government transmission bands, HF radars and the radio stations on the HF bands are some of the interference sources. In addition to man-made interference, atmosferic noise being higher on lower frequencies, ionosphere changing with time and the HF channel changing as a result ma- kes using the HF bands more difficult.

In spite of all the harshness, research for understading the structure and move- ments of the ionosphere is ongoing for a long time. Measuring the total electron content with GPS satellites, using different interpolation techniques for different coordinates and modelling the electron densities and electron temperatu- res with International Reference Ionosphere (IRI) is some of the work which help us to estimate how the ionosphere will behave in a given coordinate and time. With all the ongoing research for understanding the ionosphere, it is now

(6)

possible to estimate the propagation paths of the signals between transmitter- receiver pairs at the given coordinates and time.

In this work, first we propose an algorithm which maximizes the bit rate of a given wideband communication system operating in the HF band. The proposed algorithm is built on the work given in the literature for estimating the electron densities in the ionosphere and estimating the propagation path of signals throughout the ionosphere. Algorithm uses the outputs of the ray tracing prog- rams in order calculate the channel parameters and uses this parameters in order to optimize the parameters of the wideband communication system. Dif- ferent optimization algorithms for multicarrier wireless communication systems like Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM), Filter Bank Multicar- rier (FBMC) and Filtered Multitone (FMT) have been designed. With the help of the algorithm, it can be found which multicarrier system is more suited to the channel. Also, algorithm gives the best modulation index in the subchannels, transmitter power, number of subchannels, carrier frequency, subchannel bandwidth, cyclic prefix for OFDM, subchannel seperation for FMT parameters in order to maximize the bit rate. Also, the carrier frequencies produced by the algorithm are compared with the frequencies suggested by the VOACAP program.

The parameter optimization algorithm can not suggest parameters for every channel. In these cases, the constraints of the multicarrier system can not be satisfied. So, for these cases, channel shortening filters or channel equalizers should be used before the multicarrier receivers. In this work, different channel shortening methods have been analyzed and proposed a new technique in order decrease the compexity of the Maximum Shortening Signal to Noise Ratio (MSSNR) method. It is shown that, the proposed technique can be used with the Minimum Mean Square Error (MMSE) method, too for some cases. Lastly, comparisons with the symmetric MSSNR method from literature are given.

(7)

Keywords: High Frequency, Multi Carrier, Channel Shortening, Group Delay, Wideband Communication, OFDM, FBMC, FMT

(8)

TE ¸ SEKKÜR

Akademik çalı¸smalarım boyunca bana yol gösteren, yardımcı olan de ˘gerli ho- cam Doç. Dr. Cenk Toker’e te¸sekkürlerimi sunarım. Kendisi uzun akademik hayatım boyunca sabırla, çalı¸smalarımın devamı için beni te¸svik etmi¸stir.

Tez jürimdeki hocalarıma rehberlikleri ve kıymetli katkıları için te¸sekkür ederim.

TÜB˙ITAK B˙ILGEM ˙ILTAREN’deki i¸s arkada¸slarıma destekleri için te¸sekkür ederim.

Bazı zamanlar kendilerine yeteri kadar vakit ayıramadı ˘gım, ama gene de beni anlayı¸sla kar¸sılayan ve destek olan e¸sim ve o ˘gluma da çok te¸sekkür ederim.

Doktoramı bitirmem için desteklerini esirgemeyen ve beni motive eden babama ve anneme de çok te¸sekkür ederim.

(9)

˙IÇ˙INDEK˙ILER

Sayfa

ÖZET . . . i

ABSTRACT . . . iv

TE ¸SEKKÜR . . . vii

˙IÇ˙INDEK˙ILER . . . viii

¸ SEK˙ILLER . . . xi

Ç˙IZELGELER . . . xvii

KISALTMALAR . . . xx

SÖZLÜK D˙IZ˙IN˙I . . . xxii

1. GIRI ¸S . . . 1

1.1. Tez Çalı¸smasının Literatüre Katkıları . . . 12

2. KD KANALI . . . 14

2.1. ITS Modeli . . . 17

2.1.1. Gecikme Güç Profili . . . 18

2.1.2. Belirlenimci Doppler Kayması Fonksiyonları . . . 23

2.1.3. Doppler Yayılımı Fonksiyonları . . . 23

2.2. I¸sın ˙Izleme . . . 25

3. KD BANDINDA ÇOK TA ¸SIYICILI S˙ISTEM PARAMETRELER˙IN˙IN EN˙IY˙ILENMES˙I. . . 30

3.1. Kanal Parametrelerinin Hesaplanması . . . 32

3.2. KD Kanalında OFDM Parametrelerinin Eniyilenmesi . . . 48

3.2.1. Teori . . . 49

3.2.2. Eniyileme Algoritması . . . 52

3.3. KD Kanalında FBMC Parametrelerinin Eniyilenmesi . . . 61

3.3.1. Teori . . . 64

3.3.2. Kipçözümü ve ZF Denkle¸stirme . . . 66

3.3.3. Giri¸sim Yakınsama Metodu (IAM) . . . 68

(10)

3.3.4. Darbe ¸Sekli . . . 69

3.3.5. FBMC Parametre Eniyileme Algoritması . . . 69

3.4. KD Kanalında FMT Parametrelerinin Eniyilenmesi . . . 72

3.4.1. Teori . . . 73

3.4.2. Kök Tabanlı Kosinüs Filtre . . . 84

3.4.3. FMT Parametre Eniyileme Algoritması . . . 88

3.5. Benzetimler . . . 91

3.5.1. OFDM . . . 91

3.5.2. FBMC . . . 111

3.5.3. FMT . . . 122

3.5.4. VOACAP . . . 126

3.5.4.1. ˙Istanbul-Ankara . . . 127

3.5.4.2. Ankara-Berlin . . . 131

3.5.5. Giri¸sim . . . 135

3.5.6. Çok Ta¸sıyıcılı Sistemlerin Kıyaslanması . . . 139

3.6. Sonuç . . . 141

4. KANAL DÜRTÜ TEPK˙IS˙IN˙IN KISALTILMASI . . . 144

4.1. Kanal Dürtü Tepkisinin Kısaltılması . . . 145

4.1.1. Denkle¸stirme Algoritmalarının Rayleigh Böleni ile ˙Ifade Edilmesi . . 147

4.1.2. MMSE . . . 148

4.1.3. MSSNR . . . 151

4.1.4. MBR . . . 155

4.1.5. Min-ISI . . . 156

4.1.6. Su Doldurma Algoritması . . . 157

4.2. Önerilen Yöntem . . . 159

4.3. Grup Gecikmesi E¸sitleme Problemi . . . 167

4.3.1. Tam Geçirgen Filtre Grup Gecikmesi . . . 167

(11)

4.3.2. Literatürdeki Grup Gecikmesi E¸sitleme Çalı¸smaları . . . 170

4.3.3. Hızlı Tam Geçirgen Filtre Denkle¸stirme Algoritması . . . 171

4.4. Karma¸sıklık Analizi . . . 176

4.5. Benzetim Sonuçları . . . 178

4.6. Sonuç . . . 189

5. SONUÇ . . . 191

KAYNAKLAR . . . 196

ÖZGEÇMI ¸S . . . 206

(12)

¸

SEK˙ILLER

Sayfa

¸

Sekil 2.1. E ˘gik ˙Iyonogram Modları . . . 15

¸

Sekil 2.2. Güç-gecikme da ˘gılımı . . . 20

¸

Sekil 2.3. Yüksekli ˘ge göre plasma frekansının kritik frekansa oranı . . . 22

¸

Sekil 2.4. E¸sitlik(2.13) . . . 23

¸

Sekil 2.5. Düzgün elektron da ˘gılımlı katmanlarda kırılım . . . 25

¸

Sekil 2.6. ˙Ileti¸sim e ˘grileri ve plazma frekansları grafi ˘gi (Yatayda aynı elektron do ˘grulu ˘gu varsayımı durumun için olu¸sturulmu¸stur).

D =1100 km, Alıcı-Verici Ortası= Kaliforniya, Zaman=

15.01.1983 00:30 UTC . . . 27

¸

Sekil 2.7. Sinyallerin iyonosferde izledikleri yol. Verici : Okeechobee,

FL, Alıcı : Berlin, Zaman : 15.05.2018, Saat 10:00 UTC . . . 27

¸

Sekil 3.1. Kanal Parametreleri Hesaplanması Akı¸s ¸Seması . . . 35

¸

Sekil 3.2. E ˘gik ˙Iyonogram. Verici: ˙Istanbul, Alıcı: Ankara, Tarih: 15

Ocak, Saat 10:00 . . . 36

¸

Sekil 3.3. ˙Iyonogram Kazanç-Frekans De ˘gerleri. Verici: ˙Istanbul, Alıcı:

Ankara, Tarih: 15 Ocak, Saat 10:00 . . . 37

¸

Sekil 3.4. Mod ayrı¸stırma ve arade ˘gerleme i¸slemlerinden geçirilerek üretilmi¸s olan e ˘gik iyonogram. Sıradan dalga (O-mode) bile¸senleri. Verici: ˙Istanbul, Alıcı: Ankara, Tarih: 15 Ocak

2018, Saat 10:00 UTC . . . 38

¸

Sekil 3.5. Mod ayrı¸stırma ve arade ˘gerleme i¸slemlerinden geçirilerek üretilmi¸s olan e ˘gik iyonogram. Sıradı¸sı dalga (X-mode) bile¸senleri. Verici: ˙Istanbul, Alıcı: Ankara, Tarih: 15 Ocak

2018, Saat 10:00 UTC . . . 39

¸

Sekil 3.6. Gecikme Yayılımı Eklenmi¸s E ˘gik ˙Iyonogram. Verici: ˙Istanbul,

Alıcı: Ankara, Tarih: 15 Ocak, Saat 10:00 . . . 41

¸

Sekil 3.7. Parçalara Ayrı¸stırılmı¸s E ˘gik ˙Iyonogram. Verici: ˙Istanbul, Alıcı:

Ankara, Tarih: 15 Ocak 2018, Saat 10:00 UTC . . . 42

(13)

¸

Sekil 3.8. Alıcıya ula¸san güç ve gecikme de ˘gerleri. Verici: ˙Istanbul,

Alıcı: Ankara, Tarih: 15 Ocak 2018, Saat 10:00 UTC . . . 43

¸

Sekil 3.9. Polinom ile olu¸sturulan güç ve gecikme de ˘gerleri. Verici:

˙Istanbul, Alıcı: Ankara, Tarih: 15 Ocak 2018, Saat 10:00 UTC . 45

¸

Sekil 3.10. I¸sın izleme ile elde edilen e ˘gik iyonogram. Verici: Ankara,

Alıcı: Berlin, Tarih: 15 Aralık 2018, Saat 16:00 UTC . . . 46

¸

Sekil 3.11. Polinom ile olu¸sturulan güç ve gecikme de ˘gerleri. Verici:

Ankara, Alıcı: Berlin, Tarih: 15 Aralık 2018, Saat 16:00 UTC . . 47

¸

Sekil 3.12. Optimizasyon akı¸s ¸seması . . . 48

¸

Sekil 3.13. OFDM altkanallarinin Güç Spektrumu . . . 50

¸

Sekil 3.14. OFDM Zaman-frekans Örgüsü . . . 51

¸

Sekil 3.15. E¸sitlik 3.14’da tanımlanan gürültü gücü yo ˘gunlu ˘gu-frekans

grafi ˘gi, Alıcı lokasyonu=Ankara . . . 56

¸

Sekil 3.16. FMBC Blok ¸Seması . . . 61

¸

Sekil 3.17. FMBC Zaman-frekans Örgüsü . . . 62

¸

Sekil 3.18. PHYDYAS prototip filtre . . . 70

¸

Sekil 3.19. FBMC Bit Hata Oranı - SNR Grafi ˘gi (Hatasız kanal kestirimi

varsayımı yapılmı¸stır. Su-doldurma yöntemi kullanılmamı¸stır.) 70

¸

Sekil 3.20. FMT Spektrumu . . . 73

¸

Sekil 3.21. FMT Zaman-frekans örgüsü . . . 74

¸

Sekil 3.22. FMT Blok ¸Seması . . . 74

¸

Sekil 3.23. K=18, N=16 durumunda kök tabanlı kosinüs filtre dürtü tepkisi 85

¸

Sekil 3.24. K=18, N=16 durumunda kök tabanlı kosinüs filtre dürtü tepkisi ile olu¸sturulan FMT çok ta¸sıyıcılı sisteminin ilk üç

altkanalının frekans spektrumu . . . 86

¸

Sekil 3.25. Frekans seçici ve Gamma dürtü tepkisine sahip kanalda, kök tabanlı kosinüs filtreler kullanıldı ˘gı durumda olu¸san ISI-α

grafi ˘gi, α = K/N − 1’dir. N=16, ∆τ/(T/K) = 10. . . 87

(14)

¸

Sekil 3.26. Frekans seçici ve Gamma dürtü tepkisine sahip kanalda, kök tabanlı kosinüs filtreler kullanıldı ˘gı durumda olu¸san ISI-α

grafi ˘gi, α = K/N − 1’dir. N=16, ∆τ/(T/K) = 60. . . 88

¸

Sekil 3.27. OFDM Parametre Eniyileme Algoritmasının Sonucu, Verici:

˙Istanbul, Alıcı: Ankara, Tarih: 15.01.2018, Saat : 04.00 UTC,

Çıkı¸s Gücü: 50 dBm, N=256 . . . 93

¸

˙Istanbul, Alıcı: Ankara, Tarih: 15.06.2018, Saat : 12.00 UTC,

Çıkı¸s Gücü: 50 dBm, N=256 . . . 93

¸

Ankara, Alıcı: Berlin, Tarih: 15.01.2018, Saat : 00.00 UTC,

Çıkı¸s Gücü: 50 dBm, N=256 . . . 95

¸

Çıkı¸s Gücü: 60 dBm, N=256 . . . 95

¸

Çıkı¸s Gücü: 60 dBm, Penaltı: 7-8MHz, N=256 . . . 97

¸

Çıkı¸s Gücü: 60 dBm, Penaltı: 7-9MHz, N=256 . . . 97

¸

Sekil 3.33. Frekans-OFDM Veri Hızı ˙Ili¸skisi, Verici: Ankara, Alıcı: Berlin, Tarih: 15.01.2018, Saat : 14.00 UTC, Çıkı¸s Gücü: 60 dBm,

N=256, P=60dBm, ∆f = 1kHz, Nc= 32 . . . 98

¸

Sekil 3.34. OFDM Parametre Eniyileme Algoritması Sonucu, Verici:

Ankara, Alıcı: Berlin, Tarih: 15.01.2018, Çıkı¸s Gücü: 60 dbm . . 112

¸

Sekil 3.35. FBMC Parametre Eniyileme Algoritması Sonucu, Verici:

Ankara, Alıcı: Berlin, Tarih: 15.01.2018, Çıkı¸s Gücü: 60 dbm . . 113

¸

Sekil 3.36. ˙Istanbul-Ankara Kazanç ve Gecikme Grafikleri, P=60 dBm,

N=256, Tarih:15.07.2018, Saat: 18:00 UTC . . . 122

¸

Sekil 3.37. Ankara-Berlin Kazanç ve Gecikme Grafikleri, P=60 dBm,

N=256, Tarih:15.01.2018, Saat: 00:00 UTC . . . 123

(15)

¸

Sekil 3.38. ˙Istanbul-Ankara için VOACAP ve OFDM Eniyileme

Algoritması Sonuçları, P=50dBm, N=256, Tarih:15.01.2018 . . 129

¸

Sekil 3.42. Ankara-Berlin için VOACAP ve OFDM Eniyileme Algoritması

Sonuçları, P=60dBm, N=256, Tarih:15.01.2018 . . . 133

¸

Sekil 3.46. Ankara-Berlin OFDM Optimizasyon Sonucu, P=60dBm,

N=256, Tarih:15.04.2018, Saat: 10:00 UTC . . . 137

¸

N=256, Tarih:15.04.2018, Saat: 10:00 UTC, Giri¸sim var . . . 137

¸

N=16, Tarih:15.04.2018, Saat:10:00 UTC . . . 138

¸

N=16, Tarih:15.04.2018, Saat:10:00 UTC, Giri¸sim var . . . 138

¸

Sekil 3.50. Optimizasyon Sonucu Elde Edilen Veri Hızları, P=60dBm,

N=256, Tarih: 15 Ocak, ˙Istanbul-Ankara . . . 139

¸

Sekil 3.51. Optimizasyon Sonucu Elde Edilen Veri Hızları, P=60dBm,

N=256, Tarih: 15 Temmuz, ˙Istanbul-Ankara . . . 140

¸

Sekil 4.1. Bantgeni¸sli ˘gi-gecikme yayılması ili¸skisi . . . 146

¸

Sekil 4.2. Bantgeni¸sli ˘gi-çevrimsel önek ili¸skisi . . . 146

(16)

¸

Sekil 4.3. OFDM Verici-Alıcı Blok Diyagramı + Zaman/Frekansta

Denkle¸stirme. . . 147

¸

Sekil 4.4. MMSE Blok Diyagramı . . . 148

¸

Sekil 4.5. MSSNR blok ¸sema . . . 154

¸

Sekil 4.6. Önerilen yöntem . . . 159

¸

Sekil 4.7. Kanal dürtü tepkisi . . . 161

¸

Sekil 4.8. Grup gecikmesi e¸sitlenmi¸s dürtü tepkisi . . . 162

¸

Sekil 4.9. Kısaltılmı¸s simetrik kanal dürtü tepkisinde pencere yerle¸simi . . 165

¸

Sekil 4.10. r=0.5 için kutup-sıfır grafi ˘gi ve grup gecikmesi . . . 171

¸

Sekil 4.11. r=0.9 için kutup-sıfır grafi ˘gi ve grup gecikmesi . . . 172

¸

Sekil 4.12. Grup gecikmesi parçalama . . . 173

¸

Sekil 4.13. Abel-Smith algoritması ile grup gecikmesi yakınsama . . . 174

¸

Sekil 4.14. OFDM ve su doldurma tekni ˘gi bit hata oranı sonuçları . . . 178

¸

Sekil 4.15. MSSNR ve su doldurma tekni ˘gi bit hata oranı sonuçları . . . 179

¸

Sekil 4.16. Grup Gecikmesi E¸sitleme, MSSNR ve su doldurma tekni ˘gi

bit hata oranı sonuçları . . . 179

¸

Sekil 4.17. MMSE-UEC ve su doldurma tekni ˘gi bit hata oranı sonuçları . . 180

¸

Sekil 4.18. MMSE-UTC ve su doldurma tekni ˘gi bit hata oranı sonuçları . . 180

¸

Sekil 4.19. Simetrik kanal . . . 182

¸

Sekil 4.20. Simetrik kanalda en büyük özde ˘ger - gecikme . . . 183

¸

Sekil 4.21. Simetrik kanalda iz - gecikme . . . 183

¸

Sekil 4.22. Simetrik kanal . . . 184

¸

Sekil 4.23. Simetrik kanalda en büyük özde ˘ger - gecikme . . . 184

¸

Sekil 4.24. Simetrik kanalda iz - gecikme . . . 185

¸

Sekil 4.25. Simetrik olmayan kanal . . . 185

¸

Sekil 4.26. Simetrik olmayan kanalda en büyük özde ˘ger - gecikme . . . 186

¸

Sekil 4.27. Simetrik olmayan kanalda iz - gecikme . . . 186

¸

Sekil 4.28. Simetrik olmayan kanal . . . 187

(17)

¸

Sekil 4.29. Simetrik olmayan kanalda en büyük özde ˘ger - gecikme . . . 187

¸

Sekil 4.30. Simetrik olmayan kanalda iz - gecikme . . . 188

¸

Sekil 4.31. Farklı metotlar için BER . . . 189

(18)

Ç˙IZELGELER

Sayfa

Çizelge 1.1. PACTOR Veri Paketi ˙Içeri ˘gi . . . 3

Çizelge 1.2. PACTOR Bit Hızları . . . 3

Çizelge 1.3. DRM Kanal Profilleri . . . 7

Çizelge 1.4. DRM OFDM Parametreleri . . . 8

Çizelge 2.1. Model Parametreleri . . . 18

Çizelge 3.1. Penaltı durumlarında Optimum OFDM Parametreleri, Verici: Ankara, Alıcı: Berlin, Tarih: 15.01.2018, Saat : 00.00 UTC, Çıkı¸s Gücü: 60dbm . . . 96

Çizelge 3.2. Eniyi OFDM Parametreleri, Verici: ˙Istanbul, Alıcı: Ankara, Çıkı¸s Gücü: 50 dBm, Yıl: 2018 . . . 99

Çizelge 3.3. Eniyi OFDM Parametreleri, Verici: ˙Istanbul, Alıcı: Ankara, Çıkı¸s Gücü: 50 dBm, Yıl: 2018 . . . 100

Çizelge 3.4. Eniyi OFDM Parametreleri, Verici: ˙Istanbul, Alıcı: Ankara, Çıkı¸s Gücü: 50 dbm, Yıl: 2018 . . . 101

Çizelge 3.5. Eniyi OFDM Parametreleri, Verici: ˙Istanbul, Alıcı: Ankara, Çıkı¸s Gücü: 50 dbm, Yıl: 2018 . . . 102

Çizelge 3.6. Eniyi OFDM Parametreleri, Verici: Ankara, Alıcı: Berlin, Çıkı¸s Gücü: 50 dBm, Yıl: 2018 . . . 103

Çizelge 3.10.Eniyi OFDM Parametreleri, Verici: Ankara, Alıcı: Berlin, Çıkı¸s Gücü: 60 dBm, Yıl: 2018 . . . 107

Çizelge 3.11.Eniyi OFDM Parametreleri, Verici: Ankara, Alıcı: Berlin, Çıkı¸s Gücü: 60 dBm, Yıl: 2018 . . . 108

(19)

Çizelge 3.12.Eniyi OFDM Parametreleri, Verici: Ankara, Alıcı: Berlin,

Çıkı¸s Gücü: 60 dBm, Yıl: 2018 . . . 109 Çizelge 3.13.Eniyi OFDM Parametreleri, Verici: Ankara, Alıcı: Berlin,

Çıkı¸s Gücü: 60 dBm, Yıl: 2018 . . . 110 Çizelge 3.14.Eniyi FBMC Parametreleri, Verici: ˙Istanbul, Alıcı: Ankara,

Çıkı¸s Gücü: 50 dBm, Yıl: 2018 . . . 117 Çizelge 3.18.Eniyi FBMC Parametreleri, Verici: Ankara, Alıcı: Berlin,

Çıkı¸s Gücü: 60 dBm, Yıl: 2018 . . . 121 Çizelge 3.22.Eniyi FMT Parametreleri, Verici: Ankara, Alıcı: Berlin,

Çıkı¸s Gücü: 60dbm, Yıl:2018 . . . 124 Çizelge 3.23.Eniyi FMT Parametreleri, Verici: ˙Istanbul, Alıcı: Ankara,

Çıkı¸s Gücü: 50dbm, Yıl:2018 . . . 125 Çizelge 3.24.VOACAP Güvenilirlik Parametresi, Verici: ˙Istanbul, Alıcı:

Ankara, Ocak ve Nisan Ayları . . . 127 Çizelge 3.25.VOACAP Güvenilirlik Parametresi, Verici: ˙Istanbul, Alıcı:

Ankara, Temmuz ve Ekim Ayları . . . 128 Çizelge 3.26.VOACAP Güvenilirlik Parametresi, Verici: Ankara, Alıcı:

Berlin, Ocak ve Nisan Ayları . . . 131

(20)

Çizelge 3.27.VOACAP Güvenilirlik Parametresi, Verici: Ankara, Alıcı:

Berlin, Temmuz ve Ekim Ayları . . . 132 Çizelge 3.28.Berlin’de Nisan Ayı, UTC 10:00-11:00 arasındaki aktif

yayınlar . . . 136 Çizelge 3.29.Giri¸sim durumlarında Optimum OFDM Parametreleri,

Verici: Ankara, Alıcı: Berlin, Tarih: 15 Nisan, Saat : 10.00

Çıkı¸s Gücü: 60dbm . . . 136 Çizelge 4.1. Veri Hızları . . . 189

(21)

KISALTMALAR

BER CPFSK

CW DFT DPSK

DQPSK

DRM FBMC FEC FEQ FFT FMT FSK ICI ISI

MC-CDMA

MMSE

MSSNR

OFDM

: Bit Hata Oranı (Bit Error Rate)

: Sürekli Fazda Frekans Kaydırma Anahtarlaması (Continous Phase Frequency Shift Keying) : Sürekli Dalga (Continous Wave)

: Ayrık Fourier Dönü¸sümü (Discrete Fourier Transform) : Farksal Faz Kaydırmalı Anahtarlama (Differential

Phase Shift Keying)

: Farksal Dörtlü Faz Kaydırmalı Anahtarlama (Differential Quadrature Phase Shift Keying) : Digital Radio Mondiale

: Çok-Ta¸sıyıcılı Filtre Bankası (Filter Bank Multicarrier) : Göndermede Hata Düzeltimi (Forward Error Correction) : Frekans Alanında Denkle¸stirici (Frequency Domain Equalizer) : Hızlı Fourier Dönü¸sümü (Fast Fourier Transform)

: Filtrelenmi¸s Çok Ton (Filtered Multitone)

: Frekans Kaydırma Anahtarlaması (Frequency Shift Keying) : Ta¸sıyıcılar Arası Giri¸sim (Inter Carrier Interference)

: Semboller Arası Giri¸sim (Inter Symbol Interference) : Çok-Ta¸sıyıcılı Kod Bölmeli Çoklu Eri¸sim (Multicarrier

Code Division Multiple Access)

: En Küçük Ortalama Karesel Hata (Minimum Mean Square Error)

: En Büyük Kısaltıcı Sinyal Gürültü Oranı (Maximum Shortening Signal to Noise Ratio)

: Dikgen Frekans Bölmeli Çoklama (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)

(22)

PAPR

PSK PSO QPSK

SINR

SMTP SNR SS SSB TEQ TIR

: Tepe Gücünün Ortalama Güce Oranı (Peak-to-Average Power Ratio)

: Faz Kaydırma Anahtarlaması (Phase Shift Keying)

: Parçacık Sürü Eniyilemesi (Particle Swarm Optimization) : Dörtlü Faz Kaydırma Anahtarlaması (Quadrature

Phase Shift Keying)

: Sinyalin Giri¸sim ve Gürültüye Oranı (Signal to Interference and Noise Ratio)

: Basit Posta ˙Iletim Protokolü (Simple Mail Transfer Protocol) : Sinyal Gürültü Oranı (Signal to Noise Ratio)

: Yayılı Spektrum (Spread Spectrum) : Tek Yan Bant (Single Side Band)

: Zaman Alanında Denkle¸stirici (Time Domain Equalizer) : Hedef Dürtü Tepkisi (Target Impulse Response)

(23)

SÖZLÜK D˙IZ˙IN˙I

Ayrı¸stırma

Basit Posta ˙Iletim Protokolü Belirlenimci

Bit Hızı Bulu¸s¸sal

Ço ˘gusma Modlu ˙Ileti¸sim Çok Ta¸sıyıcılı Filtre Bankası Çoklu Frekans Kaydırma Anahtarlaması

Çokyolluluk

Dikgen Frekans Bölmeli Çoklama

Dördün Genlik Kiplenimi

Dörtlü Faz Kaydırma Anahtarlaması E ˘gik

Enküçük Enbüyük Enbüyült

Enküçült Evri¸sim

Farksal Faz Kaydırmalı Anahtarlama Faz Kaydırma Anahtarlaması

Filtrelenmi¸s Çok Ton Frekans Bölmeli Çoklama

Frekans Kaydırma Anahtarlaması Giri¸sim

Güne¸s Akısı Endeksi Hedef Dürtü Tepkisi

˙Ikili Faz Kaydırma Anahtarlaması

: Decomposition

: Simple Message Internet Protocol : Deterministic

: Bit Rate : Heuristic

: Burst Mode Communication : Filtre Bank Multicarrier

: Multiple Frequency Shift Keying

: Multipath

: Orthogonal Frequency Division Multiplexing

: Quadrature Amplitude Modulation : Quadrature Phase Shift Keying : Oblique

: Minimax : Maximize : Minimize : Convolution

: Differential Phase Shift Keying : Phase Shift Keying

: Filtered Multitone

: Frequency Division Multiplexing : Frequency Shift Keying

: Interference

: Solar Flux Endeksi

: Target Impulse Response : Binary Phase Shift Keying

(24)

˙Ileri Yönde Hata Kodlama

˙Iz

˙Izgesel

Karar Geri Beslemeli Denkle¸stirme Karma¸sıklık

Kipçözücü Kısa Dalga Kod Çözücü

Kodlu Dikgen Frekans Bölmeli Çoklama

Kök Tabanlı Kosinüs Filtre Konveks

Ola ˘gan Dalga Ola ˘gandı¸sı Dalga Otomatik Tekrar Talebi Özde ˘ger

Özilinti

Parçacık Sürü Eniyilemesi Radyo Teleksi

Su Doldurma Algoritması Sürekli Dalga

Sürekli Fazda Frekans Kaydırma Anahtarlaması

Tam Geçirgen Filtre Tek Yan Bant

Uyumluluk Yakınla¸stırma Yarı Kesin Yayılı Spektrum

: Forward Error Correction : Trace

: Spectral

: Decision Feedback Equalizer : Complexity

: Demodulator : Short Wave : Decoder

: Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing

: Root Raised Cosine Filter : Convex

: Ordinary Wave : Extraordinary Wave

: Automatic Repeat Request : Eigenvalue

: Autocorrelation

: Particle Swarm Optimization : Radio Teletype

: Water Filling Algorithm : Continuous Wave

: Continuous Phase Frequency Shift Keying

: All Pass Filter : Single Side Band : Coherence : Approximation : Semidefinite : Spread Spectrum

(25)

1. GIRI ¸ S

Uzun mesafeler arasında ileti¸simi sa ˘glayan ve pahalı altyapıya ihtiyaç duyma- yan tek ileti¸sim çe¸sidi kısa dalga (KD) yayınları kullanan sistemlerdir. Ancak, KD kanalında veri iletiminin zorluklarından dolayı kanalın verimli bir ¸sekilde kullanımı halen yapılamamaktadır.

1970’lerden itibaren KD kanalında ileti¸simin zorluklarından dolayı uzun menzilli ileti¸sim alanındaki ara¸stırmalar büyük oranda uydu ileti¸simine kaymı¸stır. Uydu ileti¸siminde kullanılan kanal, KD kanalının aksine temiz, gürbüz ve yüksek veri hızlarında ileti¸sim olana ˘gı sa ˘glamaktadır. Fakat, bazı stratejik dezavantajlara sahiptirler. Öncelikle, dünyada sadece belirli ülkeler uydu geli¸stirmek ve yörün- geye oturtmak için gerekli teknolojiye sahiptir. Sava¸s sırasında KD vericileri- nin aksine uydular açık hedeftir. Ayrıca, yörüngeye büyük masraflarla oturtulan uyduların idaresi bazı durumlarda imkansız, bazı durumlarda da çok maliyetlidir [1].

Uyduların aksine KD verici-alıcı sistemleri daha az maliyetlidir, vericilerin yeri- nin tespiti zordur ve karı¸stırmaya kar¸sı dayanıklıdırlar. Bu avantajlar, uyduların dezavantajları ile birlikte dü¸sünüldü ˘günde, KD ileti¸simi alanındaki çalı¸smalara tekrar hız kazandırmı¸stır.

Akademik alandaki çalı¸smaların yanında, KD kanalı, amatör radyo kullanıcıları tarafından uzun süredir kullanılmaktadır. Lisans alan kullanıcılar 3 kHz’lik bantgeni¸slikleri içinde kalmak ¸sartıyla, amatör kullanıcılara ayrılan frekans bölgele- rinde yayın yapabilmektedir. Amatör yayın yapmak için ayrılan frekans alanları dünyanın farklı bölgelerinde de ˘gi¸siklik gösterebilmektedir. Ayrıca, yayının içeri-

˘gine göre de kullanılması gereken frekans bölgeleri de ˘gi¸siklik göstermektedir.

Ses/video için kullanılan bantlar veri için kullanılan bantlardan farklı olabilmektedir. Bilgisayar ve sayısal sinyal i¸sleme kabiliyetlerinin de artmasıyla birlikte KD kanalında da sayısal ileti¸sim tekniklerinin kullanımı yava¸s da olsa artmı¸stır ve günümüzde amatör radyocular, askeri uygulamalar, ticari uygulamalar ve

(26)

akademik uygulamalarda sayısal ileti¸sim tekniklerin kullanımı da büyük ölçüde artmı¸stır [2].

˙Ilk KD modemlerde, Sürekli Dalga (CW), Frekans Kaydırma Anahtarlaması (FSK) ve Tek Yan Bant (SSB) modülasyon kullanılmı¸stır. Zamanla, KD kanalı- nın zorlu ˘gundan dolayı, çoklu-ta¸sıyıcılı, diferansiyel modülasyonlara geçilmi¸s- tir [3]. Amatör radyocular tarafından ses kartlarının da kullanılabilmesiyle bir- çok farklı sayısal ileti¸sim modu KD kanalında kullanılmaya ba¸slanmı¸stır. ˙Ikinci dünya sava¸sından beri amatör radyocular tarafından kullanılan ilk ve tek sayı- sal KD modu ise radyo teleksidir. Radyo teleksi di ˘ger modlara göre kullanımı kolay bir moddur. Senkronizasyon ve el sıkı¸smaya ihtiyaç duymamaktadır. Hata düzeltme kodları kullanmadı ˘gı için gönderilen veri birden çok kez tekrar edi- lerek gönderilmektedir. Metin karakterleri 5 bitlik Baudot kodu ile kodlanarak gönderilir. Radyo teleksi, tek yan bant verici ile frekans kaydırma anahtarla- ması kullanmaktadır. Aralarında 170 Hz /200 Hz fark olan iki farklı frekans kullanarak “0” ve “1” verisini iletir. Bazı modlarda alıcı ve verici zaman payla¸sımlı oldu ˘gu gibi, bazılarında alıcı ve verici için farklı frekanslar da kullanabilmekte- dir.

Amatör radyoculukta, radyo teleksinden sonra en çok kullanılan bir di ˘ger mod ise PSK31 modudur. Radyo teleksinin spektral verimlili ˘gi dü¸sük oldu ˘gu için ve amatör radyo bantlarının da kalabalık olmasından dolayı, daha az frekans bandı ile daha çok veri gönderebilmek için; PSK31 modu ile frekans kaydırma anahtarlaması yerine faz kaydırma anahtarlaması (PSK) kullanılması öneril- mi¸stir. PSK31, Varicode ile metin karakterlerini kodlamaktadır. Bu kodlama sis- teminde çok kullanılan karakterler daha az bit ile ifade edilmektedir. ˙Ikili faz kay- dırma kullanıldı ˘gı için, sinyalin 180 derece faz farkına maruz kalması “0”’ı ifade etmektedir. Faz farkına u ˘gramaması da “1”’i ifade etmektedir. Radyo teleksinin aksine bu mod senkronizasyona ihtiyaç duymaktadır, bu sebepten dolayı PSK31’da veri gönderimi önce “0” serisi göndererek ba¸slamaktadır. PSK31’de RTTY gibi hata düzeltme kodları kullanmamaktadır. Bazı geli¸stiriciler, dörtlü faz

(27)

kaydırma anahtarlaması (QPSK) ile Viterbi hata düzeltme algoritmalarını bir- le¸stirerek, PSK31 sistemini geli¸stirme yoluna gitmi¸slerdir. RTTY ve PSK31’den sonra en çok kullanılan sayısal KD modu ise PACTOR’dur. Di ˘ger iki sayısal mo- dun aksine, PACTOR ço ˘gu¸sma modlu ileti¸sim kullanmaktadır. PACTOR sistemlerinde, alıcılar hafızalı otomatik tekrar talebi kullanmaktadırlar. Alıcılar, içinde hata olan bir blok aldıklarında, do ˘gru olan bitleri hafızalarında tutarak, aynı blo ˘gu tekrar aldıklarında sadece yanlı¸s bitleri düzeltmeye çalı¸smaktadırlar. PAC- TOR, bu ¸sekilde tekrar sayısını azaltmayı hedeflemektedir. Ayrıca; PACTOR, kanal durumuna göre bit hızını de ˘gi¸stirebilmektedir ve ortalama veri boyutunu azaltmak için Huffman Kodlaması kullanmaktadır.

Çizelge 1.1. PACTOR Veri Paketi ˙Içeri ˘gi

˙Içerik Bit Sayısı

Üst Bilgi 8

Veri Alanı 96/200

Durum 8

CRC 16

Zaman içinde, PACTOR KD sayısal modunun yeni versiyonları türetilmi¸stir.

PACTOR-II bunlardan ilkidir, 500 Hz bantgeni¸sli ˘ginde, sinyal verici gücü -18 dB kadar dü¸sük olan kanal ko¸sullarında bile etkili bir ¸sekilde çalı¸sabilmektedir.

PACTOR-II, π

4-DQPSK kullanmaktadır ve senkronizasyon ihtiyacı daha basit olmaktadır. PACTOR-II’den sonra PACTOR-III ise 18 ta¸sıyıcı ile Frekans Böl- meli Çoklama (FDM) kullanmaktadır. Her altkanalda π

4-DQPSK kullanmaktadır ve altkanallar arasındaki frekans ayrımı 120 Hz’dir. PACTOR-II 500 Hz kulla- nırken, PACTOR-III toplamda 2160 Hz frekans alanı kullanmaktadır. Her alt- kanaldaki veri hızı 100 sembol / saniyedir. PACTOR modlarının veri hızlarının kar¸sıla¸stırılması Tablo Çizelge 1.2’de verilmi¸stir.

Çizelge 1.2. PACTOR Bit Hızları Mod Bit Hızı (bps)

PACTOR 200

PACTOR-II 800

PACTOR-III 3600

(28)

Clover sayısal modu da KD kanalında amatör radyocular tarafından kullanı- lan ba¸ska bir sayısal ileti¸sim modudur. Clover 125 Hz aralıklarda 4 farklı tonda darbe göndererek haberle¸smeyi sa ˘glamaktadır. Her bir ton 8 ms sürmektedir.

Bir Clover paketi 4 farklı ton darbesi uzunlu ˘gunda olup 32 ms sürmektedir.

Veri aktarımı için faz/genlik modülasyonları kullanılmaktadır. Clover’ın kullan- dı ˘gı bantgeni¸sli ˘gi 500 Hz’dir ve yan lobları -50 dB daha dü¸süktür. Bu sebepten dolayı farklı Clover sistemlerinin yan yana kullanılabilmesi daha kolay olmakta- dır.

Bir di ˘ger KD sayısal ileti¸sim modu olan Hellschreiber ilk defa 1920 yılında Ru- dolf Hell tarafından geli¸stirilmi¸stir. ˙Ikinci Dünya Sava¸sı sırasında Alman ordusu tarafından kullanılmı¸stır. Di ˘ger sayısal modların aksine veriyi kodlayarak gön- dermeye çalı¸smamaktadır. Hellschreiber, bir nokta vuru¸slu yazıcı gibi alıcının terminal ekran görüntüsünü kodlayarak göndermeye çalı¸smaktadır. Bu modda, kod çözücü sisteme entegre de ˘gildir, kod çözme görevi kullanıcının gözlerine verilmi¸stir.

Sayısal KD ileti¸siminde sinyali modüle etmek için Çoklu Frekans Kaydırma Anahtarlaması(MFSK)’da birden çok modda kullanılmı¸stır. MFSK’nin kullanımı ilk olarak RTTY’den esinlenilmi¸stir. RTTY’de iki farklı ton kullanılırken, MFSK’de da 8-64 arasında farklı ton kullanılabilmektedir. Örne ˘gin, Piccolo modu, ˙Ingiltere- Singapur arasında diplomatik hatlarda kullanılmaktaydı ve sinyali MFSK kullanarak modüle etmekteydir. Piccolo modu günümüzde kullanılmamaktadır.

MFSK kullanan bir çok modda, frekans de ˘gi¸simlerinde faz süreklili ˘gi sa ˘glan- madı ˘gı durumlarda sinyal frekans bandında yayılmaya maruz kalmaktadır. KD kanalında frekans bandının sınırlı olmasından dolayı, MFSK16 adlı sayısal modda Sürekli Fazda Frekans Kaydırma Anahtarlaması (CPFSK) kullanılmaya ba¸slanmı¸stır. MFSK16, tekrar gönderimleri azaltmak için ˙Ileri Yönde Hata Kod- lama (FEC) kullanmaktadır. MFSK16 modu, büyük ölçüde FEC sayesinde zorlu ko¸sullarda da çalı¸sabilmektedir. 12000 km altında kutuplardan geçmeyen hatlarda; kullanımı kolay oldu ˘gu için, amatör radyocular tarafından PSK31 tercih

(29)

edilmektedir. Fakat, kutuplardan geçen ve daha uzun hatlar söz konusu oldu-

˘gunda MFSK16 en güvenli seçim olmaktadır.

Clover ve PACTOR gibi tescilli olan di ˘ger bir sayısal KD modu da G-TOR’dur. G- TOR da ARQ sinyallerini kullanmaktadır, yapı olarak PACTOR’a benzemektedir ve ilk defa Voyager uzay aracı ile haberle¸sme için kullanılmı¸stır. Hata düzeltme için Golay kodlarını kullanmaktadır.

MT-63, THROB, OLIVIA ve DOMINOEX, amatör kullanıcılar için geli¸stirilmi¸s ses kartları ile kullanılabilen di ˘ger sayısal KD modlarıdır.

Yukarıda da bahsedildi ˘gi gibi, KD kanalı için birçok farklı sayısal mod ve bun- ları çalı¸stırmak için birçok farklı program bulunmaktadır. Bu programlar genel- likle anlık mesajla¸sma için kullanılmaktadır [4]. 1990’ların sonunda, KD kana- lında farklı uygulamaları çalı¸stırabilmek için sayısal a ˘g çalı¸smaları yapılmı¸stır.

Winlink 2000 a ˘gı, 40’tan fazla KD sayısal istasyonunu kullanan, internet ile ba ˘glantısı olan bir sayısal a ˘gdır. Winlink 2000, e-posta, dosya transferi, küre- sel hava raporları ve di ˘ger bir çok bilgi transferine olanak sa ˘glayan bir a ˘gdır.

Winlink 2000 PACTOR protokollerini kullanmaktadır. KD kanalında katılımcı istasyonlar (PMBO), VHF/UHF’de Telpac istasyonları ve merkezi istasyonlardan (CMBO) olu¸smaktadır. AirMail de Winlink a ˘gı üzerinde çalı¸san bir e-posta sistemidir. AirMail sayesinde, denizdeki bir KD sayısal operatörü Winlink 2000 a ˘gına ba ˘glanıp, aile ve arkada¸slarına e-posta gönderebilir. Winlink 2000, internet ile ba ˘glantılı oldu ˘gu için, alıcı e-postayı internet üzerinden alabilir. Aynı durum, tersi için de geçerlidir. ˙Internet üzerinden, bir KD sayısal operatörüne

< callsign > @winlink.org adresi aracılı ˘gıyla e-posta gönderilebilir. Winlink e-postalar için basit posta iletim protokolünü (SMTP) kullanmaktadır. AirMail kullanıcı programı da, yayılım tahmin programı olarak ICEPAC programını kul- lanmaktadır. Tahminin do ˘grulu ˘gunu arttırmak için Güne¸s Akısı Endeksi, otomatik olarak AirMail tarafından kullanılmaktadır.

Amatör radyo yayınlarının dı¸sında, KD kanalında yayın yapan radyoların ses

(30)

kalitesini FM radyo kalitesine çıkarmak için 2001 yılında, Digital Radio Mondi- ale (DRM) isimli yeni bir standart yayınlandı [5]. Bu standarda göre, analog alt yapı yeniden kullanılabilecek fakat, kodlama ve modülasyon kısımları sayısal i¸slemcilerde i¸slenecekti. DRM, KD kanalında frekans bant alanının az bulun- masının ve aynı zamanda bilgisayar i¸slemci gücünün ucuzlamasının etkisiyle ortaya çıkmı¸stır. DRM yüksek spektral verimlilik sunmaktadır. 30 MHz altındaki frekanslar için bu standart DRM30 olarak adlandırılmı¸stır. Çok ta¸sıyıcılı mo- dülasyonun yanında MPEG-4 ses kodlama formatını da kullanmaktadır. DRM, amatör radyo bantlarının dı¸sında yayın yapmaktadır. 10 kHz bantgeni¸sli ˘ginde kötü kanal ko¸sullarında 6.1 kbps, iyi kanal ko¸sullarında ise 34.8 kbps veri hı- zında yayın yapabilmektedir. 20 kHz bantgeni¸sli ˘ginde 72 kbps veri hızına ula-

¸sabilmektedir. DRM’deki veri hızı üç farklı ko¸sula göre de ˘gi¸smektedir. Bu ko-

¸sullar, istenen hatalara dayanıklılık oranı (hata kodlaması yükü), verici gücü ve kanal ko¸sullarına dayanıklılık oranıdır(OFDM çevrimsel önek uzunlu ˘gu). DRM, konu¸sma ve müzik kodlaması için MPEG-4 kodlarını kullanmaktadır. ˙Ilk etapta MPEG-4 HE-AAC ve sadece ses için de CELP ve HVXC kodlarını kullanmak- taydı. HE-AAC kodları yüksek bit hızı gerektirmekteydi. Daha dü¸sük bit hız- larında da çalı¸sabilen, MPEG-4 xHE-AAC kodları geli¸stirildikten sonra, CELP ve HVCX kodlarının kullanımı bırakıldı. Gelecekte, HE-AAC kodlarının da kul- lanımının bırakılıp, sadece xHE-AAC kodlarına geçilebilece ˘gi öngörülmektedir.

DRM standardı dı¸sında olmasına ra ˘gmen, Opus kod formatı da Dream yazılımı tarafından kullanılmaktadır. Opus’un gecikmesi MPEG-4 kodlarından daha az olmasına ra ˘gmen ses kalitesi de dü¸sük bit hızlarında daha kötüdür. MPEG-4 kodlarının aksine Opus kodları açık kaynaklıdır.

DRM yayınları için, farklı bantgeni¸slikleri tahsis edilebilir. Amatör yayınlar için en büyük 3 kHz kullanılırken, DRM’de kullanılabilecek bantgeni¸slikleri 4.5 kHz, 5 kHz, 9 kHz, 10 kHz, 18 kHz ve 20kHz’dir. DRM’de gönderilen veriler Kodlu Dikgen Frekans Bölmeli Çoklama (COFDM) ile farklı ta¸sıyıcılara yerle¸stirilmek- tedir. Ta¸sıyıcılardaki sinyaller, dördün genlik kiplenimi (QAM) ile modüle edil- mektedirler. OFDM parametreleri, sinyalin gürbüzlü ˘güne ve kanal yayılım ¸sart-

(31)

larına ba ˘glıdır. Sinyal; gürültü, giri¸sim, çokyolluluk ve Doppler etkilerine maruz kalarak alıcıya ula¸smaktadır. OFDM parametreleri, kanal verilerine göre belir- lenebilmektedir. Örne ˘gin, OFDM altkanal bantgeni¸sli ˘gi Doppler etkilerine göre ayarlanabilir. Aynı zamanda, çevrimsel önek uzunlu ˘gu da çokyolluluk etkisine göre ayarlanabilir. DRM konsorsiyumu, KD kanalında sinyalin maruz kalabi- lece ˘gi dört farklı kanal profili tanımlamı¸stır. Çizelge 1.3’da DRM sistemi için tanımlanan farklı KD kanal profilleri sunulmu¸stur.

Çizelge 1.3. DRM Kanal Profilleri Profil Tanımı

A Çokyolluluk ve Doppler etkileri az olan Gaussian Ka- nal. Yerel ve bölgesel ileti¸sim için kullanılmaktadır.

B Çokyolluluk etkisinin göz önüne alındı ˘gı kanal. Orta uzaklıktaki ileti¸sim için kullanılmaktadır. En sık kulla- nılan kanal profilidir.

C Profil B’ye benzer fakat Doppler etkisi daha yüksek.

D Profil B’ye benzer. Fakat Doppler ve çokyolluluk etkileri daha yüksek. Çok yüksek uzaklıktaki ileti¸sim için kullanılmaktadır.

DRM standardı, Çizelge 1.3’da tanımlanan kanal profilleri için farklı OFDM parametreleri tanımlamı¸stır. Bu ¸sekilde, ileti¸simin farklı kanal profillerinde sürekli- li ˘gini sa ˘glamak isterken aynı zamanda bit hızını da arttırmak istenmektedir. Çi- zelge 1.4’de farklı kanal profillerinde kullanılacak OFDM parametreleri tanım- lanmı¸stır. Tablodaki ∆f parametresi, altkanal bantgeni¸sli ˘gidir. T parametresi sembol süresi, T_CP çevrimsel önek uzunlu ˘gudur. N ise altkanal sayısını ifade etmektedir. Tabloda görüldü ˘gü gibi, kanal kötüle¸stikçe çevrimsel önek uzunlu ˘gu ve altkanal bantgeni¸sli ˘gi artmaktadır.

KD bandında veri ileti¸simi 1980’lerden itibaren standartlara oturtulmaya ba¸s- lanmı¸stır. MIL-STD-188-110A standardı, tek ta¸sıyıcıda QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) kullanan fiziksel katman standardıdır. MIL-STD-188-110B ile çoklu ta¸sıyıcılara geçilmi¸stir. MIL-STD-188-110C ile de farklı ta¸sıyıcıların kanal bantgeni¸slikleri arttırılmı¸stır. MIL-STD-188-110B standardına geçmenin de etkisiyle, OFDM yapısını kullanan çalı¸smalar artmı¸stır [6], [7], [8]. NATO standartları

(32)

Çizelge 1.4. DRM OFDM Parametreleri

Mod ∆f (Hz) N

T (ms) T_CP (ms) 9 kHz 10 kHz 18 kHz 20 kHz

A 41.66 204 228 412 460 26.66 2.66

B 46.88 182 206 366 410 26.66 5.33

C 68.18 - 138 - 280 20.00 5.33

D 107.14 - 88 - 178 16.66 7.33

STANAG 5066 ve STANAG 4539 üzerinde de veri hızını arttırarak gerçek za- manlı video aktarımına olanak sa ˘glamak için çalı¸smalar yapılmı¸stır [9]. Ayrıca, Otomatik Hat Kurulumu (ALE), verici-alıcılar arasındaki kanalın durumunu hızlı bir ¸sekilde belirlemek için kullanılan bir sistemdir. KD kanalında ileti¸sim için kullanılan yazılımlar otomatik olarak farklı frekansları tarayıp alıcılardan cevap beklemektedirler. Böylece, ileti¸sim ba¸slamadan önce hangi frekansların ileti¸sim için elveri¸sli oldu ˘gu bulunabilir [10], [11].

OFDM ile, kanaldaki frekans-seçici (frequency-selective) sönümlenme, frekans- düz (frequency-flat) sönümlenmeye dönü¸stürülür. Denkle¸stirme, OFDM kulla- nıldıktan sonra kolaylıkla yapılabilir. Literatürde, OFDM’in, KD kanalında kulla- nıldı ˘gı bir çok çalı¸sma da mevcuttur [7].OFDM, KD ileti¸siminde kullanıldı ˘gında bazı dezavantajları ortaya çıkmaktadır. ˙Ilk olarak, çokyolluluktan (multipath) kaynaklanan ISI (Intersymbol Interference)’yi azaltmak için kullanılan çevrimsel önek KD ileti¸siminde çok uzun olmaktadır. ˙Ikinci olarak da OFDM’in bazı kanal- ları çok daha kötü etkilere maruz kalabilmekte ve bu kanallarda güvenli ileti¸sim yapılamamakta böylece bit hata oranları çok yüksek olabilmektedir. OFDM’in klasik dezavantajlarından PAPR (Peak-to-Average Power Ratio), KD bandında ileti¸simde de mevcuttur.

KD bandında OFDM sisteminin dezavantajlarını azaltmak için farklı teknikler önerilmi¸stir. PAPR’a kar¸sı koymak için, CE-OFDM (Constant Envelope OFDM) tekni ˘gi kullanılabilir. Literatürde, CE-OFDM ve OFDM sistemlerinin KD bandı ileti¸siminde kullanılmasını kıyaslayan çalı¸smalar mevcuttur [12]. Bu çalı¸smalarda ayrıca OFDM-CDMA ve OFDM sistemlerinin bit hata oranları da test

(33)

edilmi¸stir. OFDM-CDMA bit hata oranları daha iyi olmasına ra ˘gmen izgesel verimlili ˘gi daha dü¸sük olmaktadır.

KD kanalındaki OFDM sistemlerinin di ˘ger bir dezavantajı da yüksek çevrimsel önek kullanılmasının gereklili ˘gidir, bunun sonucunda da veri hızları dü¸smektedir. Literatürde buna kar¸sı koymak için önerilen di ˘ger bir yöntem de frekans atlamalı OFDM sistemidir [13]. Bu çalı¸smada, semboller arası giri¸simi azaltmak için, çevrimsel önek yerine her sembolün farklı frekansta gönderilmesini önermi¸stir.

KD kanalında bazı frekans bölgeleri di ˘gerlerinden daha ¸siddetli sönümlenmeye maruz kalmaktadır. Nilsson 1997 yılında, OFDM yerine MC-CDMA (Multi-carrier code division multiple access) kullanılmasını önermi¸stir [14]. OFDM kullanılır- ken semboller, farklı frekanslarda gönderilmektedir. Daha çok sönümlenmeye maruz kalan kanallardan iletilen sembollerin bit hata olasılıkları da yüksek ol- maktadır. Bunu engellemek için MC-CDMA’in KD ileti¸siminde kullanılması öne- rilmi¸stir. MC-CDMA aynı sembolü izgede yayarak iletmektedir. MC-CDMA bir SS (yayılı spektrum) yöntemi oldu ˘gu için, spektrumu OFDM kadar verimli kul- lanmamaktadır fakat sönümlenmeye kar¸sı daha gürbüz bir yöntem sunmakta- dır.

Yayılı spektrum sistemlerinin KD kanalında kullanımı da birçok ara¸stırmacı ta- rafından incelenmi¸stir [15]. OFDM sistemlerinde, gücün tepe noktasının ortalama güce oranı arttıkça, güç yükseltici verimlili ˘gi dü¸smekte ve aynı zamanda da alıcıdaki analog-sayısal dönü¸stürücü hatası artabilmektedir. Bu sebepten dolayı, bir çok ara¸stırmacı bu de ˘geri dü¸sürmek için çalı¸smaktadır. Ayrıca litera- türde OFDM sistemleri ile yayılı spektrum sistemlerini beraber kullanan ve hem tepe noktasının ortalama güce oranını dü¸süren hem de iyi ilinti özelliklerine sahip olan kodların bulunmasına yönelik çalı¸smalar yapılmaktadır [16], [17]. Bu çalı¸smalarda, Walsh-Hadamard kodları, tamamlayıcı kodlar ve yarı tamamla- yıcı kodlar incelenmi¸stir. Tamamlayıcı kodlar, daha küçük parçadaki tamam- layıcı kodlardan elde edilebilir ve Walsh-Hadamard kodlarından daha iyi bit

(34)

hata oranları da elde edilebilmektedir. Fakat, tamamlayıcı kodlar, sıfırıncı altkanalda veri ileti¸simi yapmayan OFDM standartlarında kullanıldı ˘gı durumda özilinti özellikleri kaybolmaktadır ve bunun sonucunda da gücün tepe noktası- nın ortalama güce oranı da artmaktadır [18].

Ayrıca daha eski çalı¸smalarda da OFDM-CDMA sistemlerinin KD kanalında kullanılması incelenmi¸stir [19], [12], [20], [21], [22].

OFDM ile veri iletimi sırasında OFDM sembolleri arasındaki ISI’ı engellemek için, çevrimsel önek kullanılmaktadır. KD bandında gecikme yayılımlarının yük- sek olmasından dolayı her OFDM sembolünde frekansta atlama yapan teknikler de önerilmi¸stir [13], [23]. Her OFDM sembolü farklı bir frekansta gönderildi ˘gi için ISI olu¸smamaktadır. Bu sistemde, frekans atlamanın sayesinde çevrimsel önek kısaltılabilmi¸stir. Çokyolluluk bile¸senlerini toplamak için OFDM alıcıdan sonra tırmık alıcı kullanılmaktadır.

Ayrıca, sinyal gürültü oranındaki dü¸sü¸se ra ˘gmen, senkronizasyonda sa ˘gladı ˘gı kolaylık yüzünden Farksal Faz Kaydırmalı Anahtarlama (DPSK) sistemlerinin KD kanalında kullanımı da literatürde sıklıkla incelenmektedir [24], [25], [26].

OFDM’in yanında di ˘ger çok-ta¸sıyıcılı sistemlerin de KD kanalı üzerinde kul- lanılması literatürdeki bazı çalı¸smalarda incelenmi¸stir [27], [28]. Literatürdeki çalı¸smalarda OFDM’in bit hata oranının FBMC ve FMT sistemlerinden daha iyi oldu ˘gu iddia edilmi¸stir [27].

Yapılan son çalı¸smalarda da, yayılı izge ve filtre bankalarını ortakla¸sa kullanan dalga ¸sekilleri KD kanalında ileti¸sim için de önerilmi¸stir [29], [30]. Dü¸sük sinyal gürültü oranlarında çok etkili oldu ˘gu ve yan bant giri¸simlerine de çok dayanıklı oldu ˘gu belirtilmi¸stir [30].

KD kanalındaki ileti¸sim alanında yapılan çalı¸smalar incelendi ˘ginde, bir ço ˘gu- nun kanalın kötü etkilerine kar¸sı ileti¸sim sisteminin gürbüzlü ˘günü arttırmak için yeni yöntemler önermeye çalı¸stı ˘gı görülecektir. Daha önce bahsedilen yayılı

(35)

spektrum sistemleri, frekansta çe¸sitlili ˘gi kullanarak sönümlenmeye kar¸sı koy- maya çalı¸smaktadır. KD kanalında ileti¸sim yapan sistemlerin gürbüzlü ˘günü art- tırmak için önerilen di ˘ger bir yöntem de i¸sbirlikçi ileti¸sim tekniklerin kullanılma- sıdır. Bu yöntemde, vericiden gönderilen sinyali alan alıcılar, sinyali aldıktan sonra kendileri de yayınlayacaktır. Bu yöntemin pratikte uygulanabilmesi için, alıcıların zaman ve frekansta senkronize olması gerekmektedir [3]. Çe¸sitlili ˘gi arttırmak için kullanılan di ˘ger bir yöntem de çok giri¸sli çok çıkı¸slı (MIMO) yapı kullanmaktır. Bu yöntemde birden fazla anten kullanılması gerekmektedir ve KD bandında bu yöntemin kullanılabilmesi için antenler arası mesafenin 100 metre olması gerekmektedir. Bunun yerine, polarizasyon çe¸sitli ˘gini kullanan çalı¸smalar ile çok giri¸sli çok çıkı¸slı (MIMO) yapı sa ˘glanabilmektedir [31].

Literatürdeki çalı¸smaların bazıları da gerçek zamanlı olarak uzun mesafeler arasında denenmi¸stir. Bunlardan bazıları yaygın olarak kullanılan standartları gerçekle¸stirmesinin yanında bazıları da kendi çalı¸smalarına özgü yapılar kul- lanmı¸stır [32], [33].

Bu doktora tezi boyunca geni¸sbantlı ileti¸sim tekniklerinin KD kanalında maruz kaldı ˘gı etkiler incelenmektedir ve bu etkilere kar¸sı alınabilecek önlemler ara¸stırılmaktadır. Tez boyunca KD kanalında en çok gözlenen etki gecikme yayılımıdır. Gecikme yayılımını arttıran temelde iki farklı etken vardır. ˙Ilki, iyonosferde farklı frekansların farklı yollar üzerinden alıcıya ula¸smasından dolayı, geni¸sbantlı sinyallerin gecikme yayılımının dar bant sinyallere göre daha çok olmasıdır. ˙Ikinci etken de farklı katmanlardan ve yeryüzünden yansımanın etkisi ile alıcıya ula¸san sinyallerin gecikme yayılımının artmasıdır. Gecikme yayı- lımının artması alıcıda önlemler alınmazsa ardı¸sık semboller arasında giri¸sime sebep olabilmektedir. Gecikme yayılımına kar¸sı, alıcıda alınabilecek önlemler temelde iki tanedir. ˙Ilki, çok-ta¸sıyıcılı sistemler kullanarak, geni¸sbantlı frekans- seçici kanalı dar bantlı paralel frekans-düz altkanallara bölmektir. ˙Ikinci yöntem de ise kanal kısaltıcı filtreler kullanarak, gecikme yayılımını azaltmaktır. ˙Iki yön- tem ayrı ayrı kullanmanın yanında beraber de kullanılabilir. Doktora tezinde bu

(36)

yöntemler incelenmi¸stir bu yöntemlere iyile¸stirmeler sunulmu¸stur.

1.1 Tez Çalı ¸smasının Literatüre Katkıları

Doktora çalı¸smaları, “KD Bandında Çok Ta¸sıyıcılı Sistemlerin Parametre Op- timizasyonu” ve “Kanal Dürtü Tepkisinin Kısaltılması” olarak iki ba¸slık altına toplanabilir.

“KD Bandında Çok Ta¸sıyıcılı Sistemlerin Parametre Optimizasyonu” ba¸slı ˘gı al- tında;

• KD kanalında OFDM sistemlerinin veri hızını enbüyültmek amacıyla, optimum parametre seçimi için bir algoritma gerçekle¸stirilmi¸stir.

• FBMC sistemlerinde de tek katsayı ile frekansta denkle¸stirme yapabil- mek amacıyla, OFDM için gerçekle¸stirilen eniyileme algoritması, FBMC sistemlerine uygulanmı¸stır.

• FMT sistemleri için de aynı ¸sekilde KD kanalında veri ileti¸simi hızını enbü- yültmek amacıyla bir parametre eniyileme algoritması önerilmi¸stir. OFDM ve FBMC sistemlerinin aksine, FMT sistemlerinde dikgenlik bozulmakta- dır, bu sebepten dolayı semboller arasındaki giri¸simin etkisi de algoritma da göz önüne alınmı¸stır.

• Önerilen eniyileme algoritmaları ile, herhangi bir zamanda herhangi bir verici-alıcı çifti arasında gerçekle¸stirilecek veri ileti¸simi için eniyi parametreler bulunabilmektedir. Algoritma tarafından eniyilenen parametreler, altkanallarda kullanılacak sayısal modülasyon katsayısı, verici gücü, altkanal sayısı, ta¸sıyıcı frekansı, altkanal bantgeni¸sli ˘gi, OFDM için çevrimsel önek sayısı, FMT için altkanallar arası bo¸sluk de ˘gerleridir.

• Algoritmalar ayrıca, ta¸sıyıcı frekansını da belirlemektedir. Kullanıcı tara- fından belirlenen penaltı alanları ile eniyileme algoritmaları, di ˘ger sistemler ile ortakla¸sa çalı¸sabilmektedir.

(37)

• Penaltı alanlarının yanında, internet üzerindeki, KD kanalındaki verici veri bankaları kullanılarak alıcıdaki giri¸simin etkisinin de modellenebilece ˘gi ve geli¸stirilen algoritmalara eklenebilece ˘gi gösterilmi¸stir.

• Son olarak, benzetimler yapılmı¸stır ve VOACAP sonuçları ile kıyaslama- lar verilmi¸stir. VOACAP programı ile sadece ta¸sıyıcı frekanslar kıyaslan- mı¸stır ve eniyileme algoritmasının benzer sonuçlara ula¸stı ˘gı görülmü¸stür.

“Kanal Dürtü Tepkisinin Kısaltılması” ba¸slı ˘gı altında;

• Literatürdeki kanal kısaltma yöntemlerinden karma¸sıklı˘gı daha az olan MSSNR yöntemleri önerilmi¸stir. Önerilen yöntem, kanal kısaltma i¸slemi- nin öncesinde tam geçirgen filtrelerle kanalın grup gecikmesinin denkle¸s- tirilmesine dayanmaktadır.

• ˙Iki farklı yeni yöntem önerilmi¸stir. ˙Ilk önerilen metodun karma¸sıklı˘gı litera- türdeki yöntemlerden bir derece daha dü¸süktür. Literatürdeki yöntemler, gecikme araması ile zaman kaybederken, önerdi ˘gimiz yöntem gecikme de ˘gerini sabit orta nokta olarak seçerek gecikme arama döngüsünden kurtulmaktadır. Önerilen ikinci yöntem de ise, aynı i¸slemler uygulanır, ek hataya bedel kanalın yarısı kullanılarak hafıza miktarı ve toplama sayıları da tekrar sekizde bire dü¸sürülür.

• Önerilen yöntemlerin karma¸sıklık analizleri sunulmu¸stur.

• Vericiden gönderilen sinyaller ilintisiz kabul edildi˘ginde, literatürdeki MSSNR ile MMSE algoritmaları arasındaki denklik de verilmi¸stir, böylece önerilen yöntem MMSE’nin Hedef Dürtü Tepkisi (TIR) üzerine birim norm kısıtı eklenmi¸s haline de uygulanabilecektir.

• Önerilen yöntem ve literatürdeki kanal kısaltma yöntemlerinin benzetim- leri yapılmı¸stır, bit hata oranları ve veri hızları kar¸sıla¸stırılmı¸stır.

(38)

2. KD KANALI

˙Iyonküre, Dünya’yı çevreleyen iyonize olmu¸s atmosfer katmanlarından olu¸s- maktadır ve radyo dalgalarının Dünya üzerinde uzak mesafelere iletilmesine olanak sa ˘glamaktadır.

˙Iyonküre, farklı yüksekliklerde üç ana alana bölünmü¸stür. Bu alanlar; D, E ve F katmanları olarak isimlendirilmektedir. E ve F katmanları büyük ölçüde yansı- tıcı katmanlardır ve radyo dalgalarının uzak mesafelere iletilmesinde büyük rol oynamaktadırlar. D katmanı ise, KD sinyalleri üzerinde daha çok sinyal gücünü zayıflatıcı etki göstermektedir. E katmanı daha çok kısa mesafeler arasında radyo dalgalarının iletiminde kullanılmaktayken, F katmanı ise 2000 km üstün- deki mesafelerde radyo dalgalarının iletiminde kullanılabilir.

KD kanalında sinyalin izledi ˘gi farklı yollar mod olarak adlandırılmaktadır. Verici ve alıcı arasında, bazı frekans aralıklarında hiç mod olmayabilir, bazı aralık- larda ise altı mod görüldü ˘gü de olmu¸stur [34].

KD kanalını modellemek için kullanılan ölçümler iyonogramlardan alınabilmek- tedir. ˙Iyonogramlar dikey -alıcı ve vericinin birbirine yakın oldu ˘gu durum- ve e ˘gik -alıcı ve vericinin uzak oldu ˘gu durum- olarak iki kategoride sınıflandırılabi- lirler. ¸Sekil 2.1’de örnek bir iyonogram ve terimleri gösterilmi¸stir. ¸Sekilde göste- rildi ˘gi gibi sadece bazı frekans aralıklarında yapılan yayın alıcıya ula¸smaktadır.

Yayın aralı ˘gı en büyük kullanılabilir frekans (MUF) ve en küçük kullanılabilir frekans (LUF) ile sınırlandırılmı¸stır. “MUF”’dan yüksek frekanslar iyonosferi a¸sıp uzaya çıkmaktadır. “LUF”’dan dü¸sük frekanslar ise zayıflamaya maruz kalmak- tadır. ¸Sekilde görüldü ˘gü gibi, e ˘gik iletimde aynı frekanslardaki yayınlar farklı katmanlardan yansıyarak alıcıya ula¸sabilmektedir. Bu katmanlar E-, F-high, F- low-O ve F-low-X katmanlarıdır. Magneto-ionik etki dolayısı ile bazı modlar,

¸sekildeki F-low katmanı gibi, iki farklı yola ayrılabilmektedir. Bunlar sıradan (O) ve sıradı¸sı (X) yollar olarak adlandırılmaktadır. ¸Sekilde sadece F katmanından dönü¸sler çizilmi¸stir, E katmanı gösterilmemi¸stir. Ayrıca, ¸sekilde sıradı¸sı (X), sı-

(39)

radan (O), yüksek ve alçak F modları gösterilmi¸stir. X ve O modları, do ˘grusal polarizasyonlu KD sinyallerinin iyonkürede iki farklı dairesel polarizasyonlu dal- gaya ayrı¸smasıyla olu¸smaktadır. Alçak ve yüksek modlar ise, KD sinyallerinin iyonkürede farklı yüksekliklerden yansıması ile olu¸smaktadır [34].

5 10 15 20 25 30

Frekans (MHz) 7

7.5 8 8.5 9 9.5 10 10.5 11

Gecikme (ms)

X

O

MUF

¸

Sekil 2.1. E ˘gik ˙Iyonogram Modları

Tezin ilerleyen bölümlerinde KD kanalında geni¸sbant ileti¸sim teknikleri anla- tılacaktır. Bu bölümde ise, KD kanalını olu¸sturmak için kullanılan yöntem ve teknikler anlatılacaktır. Sinyallerin iyonosferde izledikleri yolları ve maruz kal- dıkları kayıp, gecikme ve Doppler etkilerini modelleyen bir çok çalı¸sma vardır.

Modeller istatistiksel ve deterministik modeller olarak ikiye ayrılabilir. Determi- nistik modeller, ı¸sın izleme yöntemini kullanmaktadır ve bunu gerçekle¸stirebil- mek için de iyonkürenin yapısı hakkında bilgiye ihtiyaç duymaktadır. En çok kul- lanılan darbantlı sinyaller için tasarlanan istatistiksel model ise Watterson modelidir [35]. Watterson modeli darbantlı sinyaller için tasarlanmı¸stır ve gecikme yayılımını da modellememektedir. Geni¸sbantlı KD ileti¸sim kanallarının model- lenebilmesi için ise ITS modeli önerilmi¸stir. ITS modeli 1 MHz’e kadar bantgeni¸sli ˘gine sahip kanalların modellenebilmesinde kullanılabilmektedir. Watterson modeline ek olarak, gecikme yayılımını da modelleyebilmektedir [36], [37]. KD kanalındaki geni¸sbant sinyallerin modellenmesinde ITS modeli yaygın olarak

(40)

kullanılmaktadır ve modelin gerçek zamanlı donanımlara da aktarımı gerçek- le¸stirilmi¸stir [38]. ˙Istatistiksel modellerin do ˘gruya yakın sonuçları üretebilmesi için, do ˘gru girilmesi gereken parametreler vardır. Watterson modeli için bu parametre sayısı az iken ITS modeli için ise ona yakın parametrenin do ˘gru girilmesi gerekmektedir. Parametreler kullanıcıların tecrübelerine göre veya ITU tarafından belirlenmi¸s kanal ko¸sullarına göre girilebilir [39].

˙Istatistiksel modellerin yanında, kanal bilgisi ı¸sın izleme yöntemi ile de elde edilebilir. ˙Istatistiksel yöntemlere göre daha zahmetli, yava¸s, daha çok i¸syükü iste- yen bir i¸stir fakat istenen konum ve zaman için daha do ˘gru sonuçlar verebilmek- tedir. I¸sın izleme yöntemleri, iki boyutlu veya üç boyutlu düzlemde iyonkürenin e¸syo ˘gunluklu katmanlardan olu¸stu ˘gunu ve ı¸sının her katmandan geçi¸sinde kı- rılıma u ˘gradı ˘gını varsayar. Yani, ı¸sın izleme algoritması ı¸sının takip etti ˘gi yolu çıkarabilmek için kırılım katsayılarına ihtiyaç duymaktadır. ˙Iyonküre katmanla- rının kırılım katsayıları, elektron yo ˘gunluklarından hesaplanabilmektedir. Elekt- ron yo ˘gunlukarı IRI modeli elde edilebilir [40]. IRI modeli, alınan birçok ölçüm yardımı ile olu¸sturulmu¸stur. Literatüde ayrıca, 20000 km’lik yüksekliklere kadar elektron yo ˘gunlu ˘gunu modelleyebilen IRI-Plas modeli de vardır. Bu model ayrıca, katman yükseklikleri ve toplam elektron içeri ˘gi bilgilerini girdi olarak kullanarak, elektron yo ˘gunlu ˘gu bilgisini güncelleyebilmektedir [41]. Toplam elektron içeri ˘gi GPS uyduları yardımı ile ölçülebilmektedir [42]. GPS uydularının olmadı ˘gı bölgeler için ise, arade ˘gerleme yapılmaktadır [43]. IRI ve IRI-Plas ile elde edilen elektron yo ˘gunlukları ı¸sın izleme algoritmaları tarafından kullanıla- bilir. ˙Iyonküre üzerinde sinyallerin yayılımını modelleyen ı¸sın izleme algoritma- ları Haselgrove denklemlerini kullanmaktadır [44], [45], [46], [47]. Üç boyutlu magneto-ionic etkinin tamamen modellendi ˘gi numerik ı¸sın izleme yöntemleri çok fazla i¸slem yükü gerektirdi ˘gi için bir çok ara¸stırmacı daha basit modeller önermi¸stir [48], [49], [50], [51]. Bu ı¸sın izleme algoritmalarında dünyanın manyetik alanının etkileri ihmal edilmi¸stir. Ayrıca, IONOLAB grubu tarafından geli¸s- tirilen bir ı¸sın izleme yazılımı da bulunmaktadır [52]. Fakat, bu çalı¸smanın sü- resi ile kısmen kesi¸sme oldu ˘gu için PHaRLAP yazılımının kullanılmasına karar

(41)

verilmi¸stir [53]. PHarLAP yazılımı, dünyanın manyetik etkilerini hesaba katarak üç boyutlu ve iki boyutlu ı¸sın izleme yapabilmektedir.

A¸sa ˘gıdaki alt bölümlerde sırasıyla, kanalın modellenmesi için kullanılan ITS modeli ve ı¸sın izleme algoritması hakkında bilgi verilecektir.

2.1 ITS Modeli

KD kanalının modellenmesi için bir çok istatistiksel model önerilmi¸stir. Bunların ilki Watterson modelidir [35], [54]. Fakat, Watterson modeli gecikme yayılımını modellemedi ˘gi için bu çalı¸smada kullanılması uygun de ˘gildir. Çünkü, geni¸s- bant sinyallerin iletilmesi durumunda KD kanalının, vericiden gönderilen sinyalin gecikme yayılımına etkisi daha da net ortaya çıkmaktadır. KD kanalında farklı frekanslara sahip sinyaller iyonkürede farklı yollar izleyerek ilerlemekte- dirler ve bantgeni¸sli ˘gi yüksek olan sinyallerin kanaldaki gecikme yayılımları da daha yüksek olmaktadır.

Watterson modelinde her katmandan olan yansıma tek bir katsayı ve sabit bir genlik ile ifade edilmi¸stir. Fakat, ITS modelinde en güçlü yansımanın etrafında gecikme yayılımı modellenebilmektedir.

ITS modeli, kanal dürtü tepkisini olu¸sturmak için, üç farklı etkiyi modellemekte- dir. Modelin önerdi ˘gi zamanla de ˘gi¸sen dürtü tepkisi,

h(t, τ ) = X

i

pP_i(τ )D_i(t, τ )Φ_i(t, τ ), (2.1)

biçiminde yazılabilir. ˙Iyonosfer kanalı, zamanla de ˘gi¸sen çoklu yol bile¸senlerin- den olu¸stu ˘gu için, e¸sitlikteki gibi gecikme ve zaman cinsinden ifade edilmektedir [55]. E¸sitlikte P_i(τ ) gecikme-güç profilidir. D_i(t, τ ) parametresi, belirlenimci Doppler kayması fonksiyonudur. Φi(t, τ )parametresi, Doppler yayılım fonksiyonudur. i parametresi, çoklu yol indisidir ve farklı yükseklikler (alçak ve yüksek açılar), farklı polarizasyon modları (O, X), çe¸sitli çokkatmanlı modlar (E ve F

(42)

katmanları), tek atlamalı ve çok atlamalı modlar gibi farklı yayılım modlarını belirtmek için kullanılmaktadır.

ITS modelinde kullanılan parametreler a¸sa ˘gıdaki tabloda gösterilmi¸stir. τchari- cindekilerin hepsi modele girdi olarak verilmelidir.

Çizelge 2.1. Model Parametreleri Parametre Açıklama

D Alıcı-verici arasındaki uzaklık f_c Ta¸sıyıcı frekansı

f_p katman plazma frekansı σ katman kalınlı ˘gı

h₀ katman yüksekli ˘gi

τ_c gecikme merkezi

στ gecikme yayılımı σ_c yükseli¸s zamanı

A genlik

fs τ = τc’daki doppler kayması

m τ’ya ba ˘glı olarak doppler kayması de ˘gi¸simi σ_D doppler yayılımı

2.1.1 Gecikme Güç Profili Gücün gecikmeye ba ˘glı de ˘gi¸simi,

P_i(τ ) = A α^α+1

∆Γ(α + 1)z^αe^−αz, (2.2)

biçiminde gösterilebilir [55], [37].

Yukarıdaki e¸sitlikte, τ gecikme parametresi, z parametresinin içindedir. z, zamanda kaydırılmı¸s ve normalize edilmi¸s gecikmedir ve

z = τ− τ^c

∆ + 1,

∆ = τ_c− τ^l, (2.3)

e¸sitli ˘gi ile ifade edilebilir. Güç profilinde, ∆ geni¸sli ˘gi, τ_c gecikme ofsetini, α ve tau_lparametreleri de profil simetrisini kontrol eder. Γ(.), Gamma fonksiyonudur,