Kablosuz İletişimde Mesafe Hesaplamaları

Herhangi bir kablosuz iletişim tasarımında önemli parametrelerden biri normal şartlar altında verici ve alıcı arasındaki maksimum mesafe aralığıdır. Bu yazımızda mesafe hesaplamaları ile ilgili faktörleri ve güvenilir bir bağlantı sağlanabilmesi için bu aralığın nasıl hesaplanacağını inceledik.

A- A+

11.06.2017 tarihli yazı 32703 kez okunmuştur.

Belirtilen Mesafe - Gerçek Mesafe Farkı

Daha önce gömülü projeleriniz için kablosuz iletişim modülü aldınız mı? Aldığınız modülün veri sayfasına baktığınız zaman belirtilen radyo frekanslarını sağlayamadığını fark ettiniz mi? Bu sorun muhtemelen üreticinin hangi şartlar altında ölçüm yaptığından kaynaklanmaktadır.

Genellikle üreticiler gerçekte ki mesafe aralıklarının deneysel olarak veya bir hesaplama yöntemiyle belirtirler. Her yaklaşım tüm değişkenleri hesaba kattığınız sürece uygundur. Bununla birlikte deneysel çözümlerde hesaplamaların çözemediği gerçek dünyadaki durumları ortaya çıkarabilir.

Yaklaşımları karşılaştırmadan önce üreticilerin sayısal verilerini veya aralık için ilgili değişkenleri anlamak için birkaç terime değinelim.

Radyo Frekansı (RF) gücü en çok milliwatt referans alınarak veya dBm ile desibel cinsinden ölçülür ve ifade edilir. Desibel,sistemin gücünün bir referansa oranı alan logaritmik bir birimdir.

dBm,logaritmik bir ölçeğe dayandığından mutlak bir güç ölçümüdür. Her 3dBm’lik artış için kabaca iki katı çıkış gücü bulunur ve her 10 dBm artış ise güçte 10 katı daha artışa neden olur.

mW ile dBm arasında bu bağlantıları kullanabiliriz:

Örneğin 2.5 mW dBm cinsinden elde etmek istersek,

Yol Kaybı

Radyo dalgası bir mesafe boyunca oluşurken oluşan güç yoğunluğundaki azalmalara denilir.Yol kaybında ki birincil faktör radyo dalgalarının kendi aralarındaki sinyal gücü azalmalarıdır. Radyo dalgaları ile güç yoğunluğu arasında bir ters kare bağıntısı bulunur. Örneğin; mesafeyi iki kat artırdığımız vakit gücün yalnızca dörtte biri elimizde kalır. Verici gücünün yanı sıra, menzili etkileyen bir diğer faktörde alıcı hassaslığıdır. Genellikle –dBm şeklinde ifade edilir. Hem çıkış gücü hem de alıcı hassasiyeti dBm olarak ifade edildiğinden bir sistemin maruz kalabileceği azami yol kaybını hesaplayabilmek için:

"Maksimum yol kaybı = Yayın(iletim) Gücü - Alıcı Hassasiyeti + Kazançlar-Kayıplar"

►İlginizi Çekebilir: Antenler ve Anten Çeşitleri

Kazançlar, yönlü iletim veya alıcı antenlerden kaynaklanan kazanımları içerir.Anten kazançları genellikle izotropik bir anten referans alınarak dBi cinsinden ifade edilir. Kayıplar ise kablo zayıflaması, bir filtre veya çevresel koşulları içerir.Bu ilişki bir sistemin alıcıda ki gücü ölçebilmek için tüm kazançlar ve kayıplar ile birlikte bir bağlantı şeklinde ifade edilir.

"Alınan Güç = İletim Gücü + Kazançlar – Kayıplar"

Hedef, alınan gücü alıcı hassasiyetinden daha büyük yapmaktır. Serbest alanda(ideal bir koşul),aralığı etkileyen tek faktör ters karedir.Bununla birlikte dünyada bu aralığı etkileyebilecek etkenler bulunur:

► Duvarlar,ağaçlar ve tepeler gibi engeller önemli sinyal kaybına neden olur,
► Havadaki nem RF etkiler,
► Metal objeler, aynı dalgadan yeni sürümler oluşturarak radyo dalgalarını yansıtabilir. Bu çoklu dalgalar alıcıya farklı zamanlarda ulaşır ve yıkıcı olarak (bazen yapıcı) olarak etkileşime girer ve buna çoklu yol denir.

Sönme Aralığı

Bu engellerin ölçülebilmesi için pek çok formül bulunur. Üreticiler mesafe aralıklarını belirtirken genellikle engelleri görmezden gelirler ve yalnızca bir gözlem hattını veya ideal yol aralığını belirtirler. Aslında bir yönden haklıdırlar. Çünkü modülün kullanabileceği tüm ortamları bilmek imkânsızdır. Üreticiler çevresel koşulları sağlayabilmek için bazen hesaplarına sönme aralığı da eklerler ve böylece denklem:

►İlginizi Çekebilir: Minyatür Uydular

Sönme aralığı,bir sistem tasarımcısı tarafından bilinmeyen değerleri hesaba katmak demektir.Sönme aralığı ne kadar yüksek olursa genel bağlantı kalitesinde o kadar kaliteli olur. Bir sönme aralığı sıfır olarak ayarlandığında,bağlantı yalnızca gözlem hattı koşullarında geçer ve çoğu tasarımcı için pratik değildir. Sönme aralığı için 20-30 dBm arası uygun aralıktır. Örneğin 20 dBm’lik iletim gücü,-100 dBm’lik bir alıcı hassasiyeti,6 dB anten kazancı ve 12 dB bir sönme aralığı olduğunu varsayalım.

"Maksimum yol kaybı = Yayın (iletim) Gücü - Alıcı Hassasiyeti + Kazançlar - Kayıplar"
"20-(-100)+12-12 = 120 dB"

Menzil mesafesini bulmak için ise

Mesafe (km) = (10)^((maksimum yol kaybı-32,44-20 log⁡(f) )/20)

Formüldeki f frekansı temsil etmektedir.
Şimdi 120 dB yol kaybı ve 2.45 GHz frekansta menzil mesafesini bulalım,

(10)^((120-32,44-20 log⁡(2450) )/20 ) = 9,735 km

Şekilde maksimum yol kaybı ile 2.45 GHz frekansı göstermektedir

Deneysel yöntemler aralığın belirlenmesinde çok yararlı olmasına rağmen dünya ölçümleri için ideal gözlem hattını elde etmek zordur ve bir sönme aralığının sisteme ne kadar katıldığını anlamayı da zorlaştırır. Ölçülen sonuçlar, çok yollu yayılımı, parazitlenme ve RF absorsiyonu gibi bir sistem aralığını etkileyebilecek RF yayılımının ötesinde konuları belirlemenizde yardımcı olur.

Deneysel bir testte elde edilen aralığı etkileyebilecek faktörler; anten kazancı, anten yüksekliği ve parazittir. Anten kazancı,sistemde kazanç sağlayan kilit bir kaynaktır. Genellikle üreticiler telsizini yüksek kazançlı Yagi ve Patch antenlerden daha ılımlı kazançlı çok yönlü antenlere kadar farklı anten türlerinde ile çalışacakları konusunda sertifikalandırılır. Testlerde telsizi kullandığınız antenlerin aynı tip de olması önemlidir.

Anten Yüksekliği ve Frensel Bölge

Anten yüksekliği deneysel ölçümler için bir diğer husustur. Bir antenin yerden yüksekliğiniarttırmak iki ana konuda size yardımcı olabilir. İlk olarak sizi araba, insan, ağaç ve bina gibi muhtemel engeller üzerinde bulmanıza yardımcı olabilir. İkincisi gerçek RF gözlem hattı Fresnel bölgesinde en az %60 açıklık elde etmenize yardımcı olabilir. Frensel bölgesi, alanın sinyal dalga boyuyla tanımlanan alıcı verici arasındaki elipsoit bir hacimdir. Optimal sinyal elde etmek için bir sinyalin engeller etrafında olması gereken uygun boşluğu hesaplamak için kullanılır. Genel bir kural, gözlem hattı (LOS) yolunun anten yüksekliği %60 dan fazla olmayan engeller üzerinde açık olmasıdır. Dünyanın eğriliği, uzun menzilli kablosuz bağlantılar için LOS’u da etkileyebilir. Tabloda* bağlantı yolunun orta noktasındaki yerküre yüksekliği,tepeler veya diğer arazi özellikleri için hesaplanmayan ve anten yüksekliği Fresnel alanında en az %60’lık birsinyal elde eden etkisi için bazı örnekler sunulmuştur

Birçok pratik ortamda alıcı vericileri daha düşük bir anten yüksekliğinde çalışabilir ancak üreticiler antenlerini uygun bir yüksekliği yerleştirmeleri iyi olur. En iyi menzili elde etmek için uygun bir anten yüksekliğine sahip olmaya çalışmalısınızdır. Şekilde, yol mesafesi, engel yüksekliği ve anten yüksekliği Fresnel alanıyla nasıl bir ilişkisi olduğunu göstermektedir.

Son olarak gürültü veparazit, kablosuz bir sistemin menzilini olumsuz etkileyebilir. Gürültü kontrol edilemez ancak bir sorun olmasıdâhilinde hesaplamaya dahil edilmelidir. 902 ila 928 mHz (Kuzey Amerika) ve 2,4 GHz(dünya çapında) olan endüstriyel,bilimsel ve tıbbı bantlarda girişim beklenebilir ancak bunu hesaplamak zordur. Üreticiler deneysel testleri yalnızca girişim olmadığında yapabilirler. Kesinlikle, çevrenizin üreticinin testi sırasında mevcut olduğundan daha fazla parazit oluşturması olası bir durumdur.

Özet

Bir sistemdeki bu kadar çok değişkenle ile birlikte bir üreticinin verdiği aralığın sisteminize uygulanıp uygulanmayacağınız nasıl anlarız? Testlerin deneysel olarak gerçekleştirilip aralık sayılarının hesaplanıp hesaplanmadığını bilmek imkânsızdır. Her iki durumda da maksimum yayın(iletim) gücü ve alıcı hassaslığını analiz ederek, bir modül ile bir sonraki modülü karşılaştırmak için bir taban çizgisi oluşturabilirsiniz. Bu rakamları ayarlanmış solmaya karşı sönme aralığı ve antenler veya RF kablolarından kaynaklanan kayıplardan kaynaklanan kazanımlarla birlikte kullanarak maksimum bir bağlantı bütçesi hesaplayabilirsiniz. Ardından kendi aralığını hesaplamak için yukarıdaki mesafe denklemini kulanın. Çeşitli radyo aygıtları için bu ihtiyaçlarınızı karşılayan iki veya üç sistemi karşılaştırmak için iyi bir temel oluşturulmalıdır.

Telsizlerin uygulamanızda çalışıp çalışamayacağınızı anlamak için anten yükseklik, çoklu yol, parazit ve tıkanıkları hesaba katan gerçek dünya testleri için gayret sarf etmelisiniz. Uygulamanız için dünya testleri geciktirmek ve sadece üreticilerin numaralarını aynen alırsanız “Menzilim nedir?” sorusunu aklınıza takılabilir.

Kaynak

►Electronic Design

Yazar: Zekeriya Yoldaş