Uydu Haberleşmesi
Uyduları
kullanarak küresel iletişim fikri ilk olarak ünlü İngiliz bilim adamı ve
bilim kurgu yazarı Arthur C. Clarke tarafından Mayıs 1945'te ortaya atılmıştır.
"Dünya merkezinden 42,000 km yukarıda 24 saatlik periyotla dönen uzay terminalleri zinciri sayesinde tüm iletişim sorunu çözülebilir. Kurulacak uzay terminallerinin yörünge üzerindeki yerleşimi için pek çok ayarlama gerekse de Şekil-1'de gösterilen metot en kolay olanıdır. Yerden bakan gözlemciye göre ekvator üzerinde dünya merkezinden 42,000 km yükseklikte bulunan terminaller oldukları yerde gözükeceklerdir. Bu metot yeryüzünde yönlü alıcı kurulumunu büyük ölçüde kolaylaştıracaktır.
Aşağıda belirtilen boylamlar, yerleştirilecek 3 terminalin tüm yerküreyi
kapsaması için önerilen değerlerdir.
"Dünya merkezinden 42,000 km yukarıda 24 saatlik periyotla dönen uzay terminalleri zinciri sayesinde tüm iletişim sorunu çözülebilir. Kurulacak uzay terminallerinin yörünge üzerindeki yerleşimi için pek çok ayarlama gerekse de Şekil-1'de gösterilen metot en kolay olanıdır. Yerden bakan gözlemciye göre ekvator üzerinde dünya merkezinden 42,000 km yükseklikte bulunan terminaller oldukları yerde gözükeceklerdir. Bu metot yeryüzünde yönlü alıcı kurulumunu büyük ölçüde kolaylaştıracaktır.
300º Doğu- Afrika ve Avrupa
1500º Doğu- Çin ve Okyanusya
900º Batı- Kuzey ve Güney Amerika"
1500º Doğu- Çin ve Okyanusya
900º Batı- Kuzey ve Güney Amerika"
Günümüzde
sivil ve askeri haberleşme amaçlı olarak sıklıkla kullandığımız uydu
haberleşme sistemleri, iletişim alanında daha hızlı ve yüksek kapasiteli
ama aynı zamanda da düşük maliyetli sistemler yaratma çabaları sonucunda
ortaya çıkmıştır.
İkinci
Dünya Savaşı sayesinde büyük gelişme kaydedilen güdümlü füze ve
mikrodalga haberleşme teknolojileri, beraber kullanımları sayesinde yeni bir
teknolojinin, Uydu Haberleşme Sisteminin doğmasına neden olmuştur.
1957 yılında
uzaya ilk uydunun (Sputnik) gönderilmesi ile uzay çağı başlamıştır. 1958
yılında Amerika Birleşik Devletleri Başkanı Eisenhower'in uydu üzerinden
Amerika'ya yılbaşı mesajı yollaması, 1960 yılında ilk yansıtıcı
uydunun kullanılması, 1962 yılında ilk röle uyduların kullanılması ve
ilk yere göre durağan (geostationary) uydunun kullanılmaya başlanması uydu
haberleşme sistemlerinin gelişim hızını göstermede örnek teşkil
etmektedirler.
Uydu
iletişim sistemleri; bir uydudan, uydunun yörüngesini, uzaydaki konumunu ve
çalışmasını denetleyen bir yeryüzü istasyonundan ve uydu üzerindeki
transponder (alma frekansını, gönderme frekansına çevirici) aracığıyla
gerçekleştirilen ve iletişim trafiğinin gönderilmesini (çıkarma hattı,
uplink) ve alınmasını (indirme hattı, downlink) sağlayan yer terminalleri ağından
oluşmaktadır. Uydunun kendisi ise iki temel bölümden oluşmaktadır:
-
Yük (Payload),
-
Link (Yol).
Yük,
iletişim sinyali için transponder işlevini yerine getiren antenler, alıcılar
ve vericilerden oluşur. Linkte ise, durum denetimi, sıcaklık denetimi, komut
ve telemetri sistemleri bulunur. Temel olarak link, yük çalışması için
destek (uydu bakım ve onarımı) görevlerini yerine getirir.
Uyduya
uzaya atıldıktan sonra, ekvatorun üzerinde, yeryüzüne göre değişmeyen
belli bir yükseklikte (36,000 km), yörüngesel bir konum ya da bölme tahsis
edilir. Bu bölmeler, yanları 0.1º ile 0.2º arasında olan ve birbirlerinden
3º ya da 4º mesafede konumlandırılırlar. Uzay tarafından uygulanan
kuvvetler nedeniyle uydunun senkron (yeryüzüne göre durağan) yörüngesinden
çıkmasını engellemek amacıyla yerdeki kontrol merkezi yörünge kontrol
sinyalleri ile uyduyu kendisine tahsis edilen bölgede tutar. Bunu gerçekleştirmek
için de uyduda bulunan ve püskürtme maddesi olarak genelde hidrazin (N2H4)
kullanan idare roketleri kullanılır. Tipik olarak her sene 10~15 kg arası püskürtme
maddesi kullanılır.
Uydu,
kendisi için gerekli olan elektrik enerjisini üzerinde bulundurduğu güneş
panellerinden sağlar. Uydunun güneşi göremediği durumlarda ise daha önceden
çalışması sırasında doldurduğu pilleri kullanmaktadır. Uydu her gün
yeryüzü tarafından birer kere, ilkbahar ve güz noktaları (dönenceleri)
civarında tutulur, dolayısıyla güneşle olan doğrudan bağlantı kesilir.
Tutulmalar 70 dakika kadar sürebilir ve bu sırada pil enerjisi kullanılır.
Uydu Sınıfları
Uydu Sınıfları
Günümüzde
kullanılan uydu tipleri, dünya üzerinde bulundukları yörüngelere göre
üç grupta sınıflandırılır. Bunlar sırasıyla dünya etrafında bir günde
bir turdan fazla yol alan uydular olan LEO tipi uydular, dünyanın etrafında dünya
ile aynı hızda dönen GEO tipi uydular ve dünya etrafındaki dönüşünü
bir günden daha uzun sürede tamamlayan HEO tipi uydulardır.
Uydunun Yapısı
Uydunun Yapısı
Uyduları
yapı bakımından üç bölüme ayırabiliriz. Birinci bölüm hizmet bölümü
denilen ve uyduyu yörüngede tutan, hareketlerini düzenleyen, dengeleyen
kimyasal ve elektriksel tepki motorlarını, hareket sistemini, yakıtı ve aküleri
barındıran bölümdür. İkinci bölümde uydunun ana görevini yerine getiren
transponderler, bilgisayarlar vb. tüm haberleşme donanımı yer almaktadır.
Üçüncü bölüm ise güneş levhaları ve tüm antenlerin bulunduğu dış kısımdır.
Uydunun tasarımı, haberleşmenin niteliği ile doğrudan ilgilidir. Dünya üzerinde bir yörüngede bulunan uydunun alıcı ve verici antenlerinin, dünya üzerinde istenen bir noktaya yönlendirilebilmesi için antenlerin her zaman dünyaya dönük olması gerekmektedir. Aksi halde iletişimin sürekliliği sağlanamayacaktır.
Uydunun tasarımı, haberleşmenin niteliği ile doğrudan ilgilidir. Dünya üzerinde bir yörüngede bulunan uydunun alıcı ve verici antenlerinin, dünya üzerinde istenen bir noktaya yönlendirilebilmesi için antenlerin her zaman dünyaya dönük olması gerekmektedir. Aksi halde iletişimin sürekliliği sağlanamayacaktır.
Uydu, yörüngede
iken yerçekimi farklılığı, dünyanın manyetik alanı, güneş enerjisi
gibi dış etkenler yanında uydunun dengelenmemiş iç hareketleri gibi birçok
değişik kuvvetin etkisindedir. Bu etkenler uydunun istenen yörüngede kalmasını
önlemektedir. Bu kuvvetlerin olumsuz etkilerini ortadan kaldırmak ve dolayısıyla
uyduyu kararlı bir durumda tutmak için, uyduyu kendi ekseni etrafında döndürmek
gerekmektedir. Böylece uydunun, yüksek açısal momentumu bulunan bir denge çarkı
gibi davranması sağlanmaktadır. Antenlerin her zaman dünyaya dönük
tutulması için antenler ve tüm haberleşme donanımı uydunun dönme hızıyla
aynı hızda, ancak dönme yönünün tersinde dönen düşük ataletli bir
platform üzerine oturtulmuştur. Uydunun bu şekilde kararlı tutulmasına
"Çift Dönme" yöntemi denir. Günümüzde ise yeni kararlı tutma yöntemleri
geliştirilmiştir. Bunlardan en önemlisi "Üç eksenli kararlı
tutma" yöntemidir.
Şekil-2'de
bu iki yöntemin yapısal farklılıkları görülmektedir. "Çift Dönmeli"
uydularda çeper solar hücreleri ile kaplanmış ve antenler ters yönde dönen
platform üzerine oturtulmuştur. Öte yandan "Üç Eksenli" uydularda
gerekli güç, solar hücrelerden sağlanmaktadır. Ancak bu hücrelerin yerleştirildiği
solar levhalar hareketlidir ve her zaman güneşe dönük durumda tutulmaktadır.
Yazının bundan sonraki bölümlerinde eşzamanlı yörüngede bulunan uydular
üzerinden gidilecektir.
Uydu
Kontrolü
Dünya
yüzeyine göre sabit bir nokta üzerinde dolanan bir iletişim uydusunun iletişim
işlevleri, yörüngenin ve durumun tam bir denetimini gerektirir. Durum
denetimi, antenleri yöneltmek için gereklidir.
Daha önce
belirtildiği gibi, her uyduya ekvatorun üzerinde dünya yüzeyinden yaklaşık
36,000 km yukarıdaki yörüngede bir boylam tahsis edilmiştir (Şekil-3). Yer
antenlerinden çoğu izleme yapmayan tür antenler olduğu için, uydunun önemli
miktarda hareket etmesi, uydunun hüzme pozisyonunu değiştirir. Bu durum
istenen iletişimin bozulmasına ve hatta kesilmesine neden olur. Bu nedenle yer
uydu istasyonu, uydu yörüngesini sürekli denetler.
Frekans
Planları
Günümüz
uydu haberleşme sistemlerinde, varolan iletişim ağını kullanarak daha
verimli ve yüksek hızda haberleşme yapabilmek amacıyla çeşitli çoklu erişim
yöntemleri kullanılmaktadır. Aşağıda bu tekniklerden en çok kullanılan
üçü hakkında bilgi verilecektir.
1)
Frekans Paylaşımlı Çoklu Erişim
Kısaca FDMA olarak tanımlanan Frekans Paylaşımlı Çoklu Erişim sistemlerde, her frekans taşıyıcı, ayrık bir frekansta bulunur ve bu taşıyıcıya, çok taşıyıcılı bir transponderde belirli bir yer tahsis edilir. İki FDMA tekniği kullanılmaktadır:
Kısaca FDMA olarak tanımlanan Frekans Paylaşımlı Çoklu Erişim sistemlerde, her frekans taşıyıcı, ayrık bir frekansta bulunur ve bu taşıyıcıya, çok taşıyıcılı bir transponderde belirli bir yer tahsis edilir. İki FDMA tekniği kullanılmaktadır:
-
FDM/FM/FDMA: Bu teknikte, gönderme konumunda yer istasyonu, birçok tek yanbant taşıyıcı telefon kanalını, tek bir taşıyıcı temelbanda frekans paylaşımlı çoğullar (FDM-Frequency Division Multiplexing, Frekans Paylaşımlı Çoğullama); bu temel bant daha sonra bir taşıyıcıyı bir frekans modülasyonuna tabi tutar ve bu taşıyıcı bir FDMA uydu ağına uygulanır.
-
Taşıyıcı başına tek kanal: Bu teknikte, her iletişim kanalı ayrı bir radyo frekansı taşıyıcıyı modüle eder.
Örnek olarak C-bandında çalışan Intelsat V transponderi için tipik bir frekans planı Şekil-4'te gösterilmiştir. Uydu aracığıyla sinyalin yönlendirilmesi, yerden verilen komutla anahtarlanabilir. Bu özellik, daha fazla sayıda link olasılığı gerçekleştirerek, çeşitli alma ve gönderme antenlerinin birçok transpondere bağlanmasına olanak sağlar. FDMA tekniğinde kullanılan polarizasyon yöntemi ile aynı frekans bandından iki sinyal birbirine dik polarizasyonla yollanabilir. Böylece frekans bandının daha verimli kullanılması sağlanmaktadır.2) Zaman Paylaşımlı Çoklu ErişimKısaca TDMA olarak tanımlanan zaman paylaşımlı çoklu erişim modunda, her kullanıcı, uydu transponderine aynı taşıyıcı frekansını kullanarak, belli bir referans zamanına göre belli zaman bölmelerinde erişir. TDMA çerçevesi adı verilen bir zaman aralığı belirlenmiştir, bu süre içinde, ağdaki tüm kullanıcılar, kendilerine ayrılan zaman bölmeleri içinde bilgi paketlerini iletirler. Bu zaman çerçevesinin uzunluğu 2 ms, ya da 120832 semboldür. Her ağ kullanıcısına tahsis edilen zaman bölmeleri, çerçevede (frame) ne kadar iletişim trafiği iletileceğine ya da alınacağına bağlı olarak değişir. Tipik bir uydu TDMA çalışma sistemi, Şekil-5'te gösterilmiştir.
İki ya
da daha fazla FDM/FM sinyal aynı anda doğrusal olmayan bir yükselteç tarafından
yükseltilirse, bir FDM/FM taşıyıcının temelbandına başka taşıyıcılardan
karışma olur. Bu meydana geldiğinde, doğrusal olmayan yükseltecin genlik
modülasyonu/faz modülasyonu özellikleri, taşıyıcıda genlik modülasyonu
oluşturur, bu da diğer taşıyıcılarda faz modülasyonu meydana getirir (AM/PM
conversion). TDMA sayesinde diğer taşıyıcılarda oluşturulacak faz modülasyonu
sorunu çözülmektedir, dolayısıyla uydu güç yükselteci, doyum modunda çalıştırılabilmektedir.
3. Kod Paylaşımlı Çoklu Erişim
3. Kod Paylaşımlı Çoklu Erişim
Kısaca
CDMA olarak adlandırılan Kod Paylaşımlı Çoklu Erişim teknolojisi II. Dünya
Savaşı sırasında müttefik kuvvetlerinin, haberleşmeleri sırasında düşman
karıştırıcı sinyallerinden etkilenmemesi amacıyla geliştirilmiştir. Günümüzde
ise askeri uygulamaların yanı sıra sivil uygulamalarda da sıklıkla kullanılan
bir çoklu erişim yöntemidir. Bu metot sayesinde tüm kullanıcılar aynı
frekans bandını kullanabilirler. Her kullanıcıya ait bilgi yine o kullanıcı
için rasgele yaratılmış bir kod dizisiyle çarpılarak tüm band boyunca yayılır.
Kullanılan kod dizileri birbirlerinden bağımsız olduğu için alıcı tarafında hangi kullanıcıya ait bilgi alınmak isteniyorsa, alınan sinyaller o kullanıcının kodu ile tekrar çarpılarak istenilen bilgiye ulaşılır. CDMA tekniği yukarıda açıkladığımız yöntem sayesinde, kullanıcıların aynı frekans bandını istedikleri zamanda kullanabilmesine olanak vermektedir, literatürde CDMA, SSMA olarak da adlandırılmaktadır. Şekil-6'da CDMA modunun basit çalışma sistemi gösterilmektedir.
Kullanılan kod dizileri birbirlerinden bağımsız olduğu için alıcı tarafında hangi kullanıcıya ait bilgi alınmak isteniyorsa, alınan sinyaller o kullanıcının kodu ile tekrar çarpılarak istenilen bilgiye ulaşılır. CDMA tekniği yukarıda açıkladığımız yöntem sayesinde, kullanıcıların aynı frekans bandını istedikleri zamanda kullanabilmesine olanak vermektedir, literatürde CDMA, SSMA olarak da adlandırılmaktadır. Şekil-6'da CDMA modunun basit çalışma sistemi gösterilmektedir.
Uydu Haberleşmesinde Kullanılan Frekanslar
Yer İstasyonları
Yer istasyonlarının genel blok yapısı Şekil-8'de gösterilmiştir. Yer istasyonları anten modülü, anten modülüne bağlı uydudan gelen "beacon" sinyalini algılayan arama modülü, alma ve gönderme modüllerinden oluşur. Ayrıca karasal haberleşme şebekesiyle bağlantıyı sağlayan altyapı ve sistem monitörleme modülleri de bulunmaktadır. Yer istasyonu sayesinde uydu haberleşme sistemindeki tüm parametreler (güç, uydunun yörüngesi, yer terminalleri parametreleri, EIRP vb.) monitör ve kontrol edilebilir. Böylece olağandışı durumlarda sistemdeki aksaklıklar monitör edilip, gerekli önlemlerin alınması sağlanmış olur.
Antenler
Uydu antenlerinin temel görevleri aşağıdaki gibi sıralanabilir:
Phase Array antenler özellikle hareketli uydu haberleşme sistemlerinde avantaj sağlamasına rağmen kullanılan teknolojinin zorluğu ve maliyetinin yüksek oluşu, bu anten tipinin kullanımını sınırlamaktadır.
Uydu haberleşme sistemlerinde en sık kullanılan anten tipi parabolik reflektör antenlerdir. Bu tip antenler 3 ayrı gruba ayrılırlar, bunlar sırasıyla:
Uydu
Transponderleri
Uydu transponderleri,
tekrarlayıcı (röle) mantığıyla çalışır. Temel olarak, alıcı antenine
gelen yer terminali sinyalini filtreledikten ve yükselttikten sonra sinyali ulaşması
gereken yer terminaline istenen frekansta iletmekle yükümlüdür. Uydu
transponderlerinde olası intermodülasyon etkilerini en aza indirmek için,
kullanılan güç yükselteç modülünün doğrusal bölgede çalışmasını
sağlayan sistemler mevcuttur. Bu sayede güç yükseltecinin doyum noktasına
ulaşması durumunda (birden fazla taşıyıcı sinyalin aktarımı durumu vb.)
bu doğrulayıcı sistemler devreye girerek, güç yükseltecinin çalışma
noktası doğrusal bölgeye getirilir.Yer İstasyonları
Yer istasyonlarının genel blok yapısı Şekil-8'de gösterilmiştir. Yer istasyonları anten modülü, anten modülüne bağlı uydudan gelen "beacon" sinyalini algılayan arama modülü, alma ve gönderme modüllerinden oluşur. Ayrıca karasal haberleşme şebekesiyle bağlantıyı sağlayan altyapı ve sistem monitörleme modülleri de bulunmaktadır. Yer istasyonu sayesinde uydu haberleşme sistemindeki tüm parametreler (güç, uydunun yörüngesi, yer terminalleri parametreleri, EIRP vb.) monitör ve kontrol edilebilir. Böylece olağandışı durumlarda sistemdeki aksaklıklar monitör edilip, gerekli önlemlerin alınması sağlanmış olur.
Antenler
Uydu antenlerinin temel görevleri aşağıdaki gibi sıralanabilir:
- Kurulduğu bölgedeki istenen frekans ve polarizasyondaki radyo frekans dalgalarını toplamak.
- Mümkün olduğunca az istenmeyen sinyal toplamak.
- İstenen frekans ve polarizasyondaki radyo frekans dalgalarını iletmek.
- Anten hüzmesi dışındaki alanlara minimum güç yaymak.
- Horn Antenler
- Phased Array Antenler
- Parabolik Antenler
Phase Array antenler özellikle hareketli uydu haberleşme sistemlerinde avantaj sağlamasına rağmen kullanılan teknolojinin zorluğu ve maliyetinin yüksek oluşu, bu anten tipinin kullanımını sınırlamaktadır.
Uydu haberleşme sistemlerinde en sık kullanılan anten tipi parabolik reflektör antenlerdir. Bu tip antenler 3 ayrı gruba ayrılırlar, bunlar sırasıyla:
- Simetrik veya Eksen-simetrik antenler
- Offset antenler
- Cassegrain antenler.
Uydu
Hat Bütçeleri
Uydu Hat Bütçesi (Satellite Link Budget) hesaplaması, uydu iletişim sisteminde hatasız ve emniyetli iletişim yapılması için gerekli olan güç kriterinin sistem parametrelerine (anten kazançları, çıkış gücü, transponder kazancı, atmosferik ve coğrafik koşullar vb.) bağlı olarak hesaplanmasıdır.
Çıkarma hattı bütçeleri, uydu iletişimi için kritik bir faktör değildir, çünkü güçlü yer istasyonları gereken tüm gücü sağlayabilir. İndirme hattında ise durum farklıdır; güç sınırlıdır ve yer iletişim sistemlerinde uzay iletişim uydularından gelen sinyal yayılımında girişim olasılığı vardır. Bu nedenden dolayı ITU tarafından, uzay iletişim sistemlerinden gelen gücün yeryüzü yüzeyi üzerinde oluşturduğu maksimum akı yoğunluğu için genel kurallar belirlenmiştir.
Uyduda, sinyal anten tarafından alınır, filtrelenir ve sonra düşük gürültülü bir yükselteç (LNA) tarafından yükseltilir. Bir frekans çevirici, tekrar iletimden önce sinyali indirme hattı frekansına çevirir. Bu yöntem, uydunun yüksek güçlü çıkışı ile girişi arasında bant içi girişimini önler, frekans çevirme işlemi yapılmadığı takdirde ise alma/gönderme arasında çok yüksek yalıtım gerekir (100-150 dB arası).
ASELSAN ve Uydu Haberleşme Sistemleri
ASELSAN, X-Band Uydu Haberleşme Sistemi Projesi ile, Silahlı Kuvvetlerimize komple bir uydu haberleşme sistemi kurulması ve idamesi hususunda ana yüklenici olarak görevlendirilmiştir.
Bu proje ile edinilen deneyim ve bilgi birikimi, uydu haberleşmesi konusunda, ileride yapılması planlanan askeri ve sivil projelerde ASELSAN'a hem bir referans, hem de kazandığı deneyimi geliştirme ve ürün yelpazesine yeni sistemler kazandırma yeteneği kazandıracaktır.
Uydu Hat Bütçesi (Satellite Link Budget) hesaplaması, uydu iletişim sisteminde hatasız ve emniyetli iletişim yapılması için gerekli olan güç kriterinin sistem parametrelerine (anten kazançları, çıkış gücü, transponder kazancı, atmosferik ve coğrafik koşullar vb.) bağlı olarak hesaplanmasıdır.
Çıkarma hattı bütçeleri, uydu iletişimi için kritik bir faktör değildir, çünkü güçlü yer istasyonları gereken tüm gücü sağlayabilir. İndirme hattında ise durum farklıdır; güç sınırlıdır ve yer iletişim sistemlerinde uzay iletişim uydularından gelen sinyal yayılımında girişim olasılığı vardır. Bu nedenden dolayı ITU tarafından, uzay iletişim sistemlerinden gelen gücün yeryüzü yüzeyi üzerinde oluşturduğu maksimum akı yoğunluğu için genel kurallar belirlenmiştir.
Uyduda, sinyal anten tarafından alınır, filtrelenir ve sonra düşük gürültülü bir yükselteç (LNA) tarafından yükseltilir. Bir frekans çevirici, tekrar iletimden önce sinyali indirme hattı frekansına çevirir. Bu yöntem, uydunun yüksek güçlü çıkışı ile girişi arasında bant içi girişimini önler, frekans çevirme işlemi yapılmadığı takdirde ise alma/gönderme arasında çok yüksek yalıtım gerekir (100-150 dB arası).
ASELSAN ve Uydu Haberleşme Sistemleri
ASELSAN, X-Band Uydu Haberleşme Sistemi Projesi ile, Silahlı Kuvvetlerimize komple bir uydu haberleşme sistemi kurulması ve idamesi hususunda ana yüklenici olarak görevlendirilmiştir.
Bu proje ile edinilen deneyim ve bilgi birikimi, uydu haberleşmesi konusunda, ileride yapılması planlanan askeri ve sivil projelerde ASELSAN'a hem bir referans, hem de kazandığı deneyimi geliştirme ve ürün yelpazesine yeni sistemler kazandırma yeteneği kazandıracaktır.
Yorumlar
Yorum Gönder