ADAPTİF ANTENLER VE UYGULAMALA ALANLARI Hazırlayanlar: İsmail MUŞ Sinan DOĞAN

SMART ANTEN NEDİR ? Bir smart anten smart anten sistemini içerir.Antenler smart değildir fakat anten sisitemleri smarttır

Genel olarak smart anten elemanları

SMART ANTEN SİSTEMİNİN FAYDALARI Smart anten sistemlerinin tek elemanlı antenlere göre bir çok yararları vardır ve bu yararlar smart anten sistemlerinin mobil iletişim sistemlerine girmesine ana nedendir

SMART ANTEN TEKNOLOJİSİ Smart antenler bir birleştirme ağıyla birleştirilmiş düşük kazançlı anten elemenlarından oluşurlar.Anten dizisi genellikle bir düzlem üzerine dağıtılmış eşit uzaklıktaki elemanlardan oluşur.Dizinin herbir kolu ek elemana sahiptir.Belli değerleri ayarlayarak dizinin ana hüzmesinin maksimumunu istenilen yöne yöneltmek mümkündür.

SMART ANTEN TİPLERİ 1-SWİTCHED BEAM SYSTEMS (ANAHTARLANMIŞ DALGA HÜZMESİ SİSTEMLERİ) 2-ADAPTİF ANTEN SİSTEMLERİ

ADAPTİF ANTEN SİSTEMLERİ GİRİŞ; Adaptif antenler, kablosuz iletişim sistemlerinde girişimleri bastırma, çok yollu ortamlarda bayılmayı azaltma, mevcut bandı kullanarak kapasiteyi artırma gibi üstünlüklere sahip dizi anten sistemleridir. Temelde adaptif anten tertiplerinin uygulama alanı;hücresel mobil iletişim sistemlerinin gözle görülür şekilde verimlerinin ve kapasitelerinin artırımıdır.Bu sebepten ikinci nesil mobil iletişim sistemlerinin gelişimi smart antenlerden yaralanılarak sağlanabilir.

Anten tertibi ;tek fiziksel kanaldaki bir kullanıcı yerine birden fazla kullanıcıya hizmet verebilir(bir frekans ve zaman dilimi için). Teknikte bu çoklu erişime SDMA ( Space Division Multiple Access, Boşluk Bölmeli Çoklu Erişim) denir. Bu tezin incelenmesinin amacı; değişik algoritma ve metotları dikkate alarak downlink ışık hüzmeleri ve aynı trafik kanalını kullanan iki kullanıcının SDMA sistemindeki downlink performansını değerlendirmektir.

1980 ‘lerin başlarından beri elde tutulabilen portatif radyo telefonlara duyulan talep çok hızlı bir şekilde artmıştır. Şekil 1’den de gördüğümüz üzere kablosuz teknoloji 10 yılda beklenildiği gibi ses iletişimi için temel ortam olmuştur. Kullanıcılardaki bu patlama networkların mevcut kapasitelerini daha da arttırmalarını zorunlu kılmıştır.

Sistemi geliştirmenin bir yolu adaptif antenlerin temel hücresel iletişim sistemlerinin istasyonlarında kullanılmasıdır.Adaptif antenler sadece ikinci nesil network kullanıcı sayısını artırmada kullanılmaz. Gelecekte UMTS (Universal Mobile Telecommunication System , Evrensel Mobil İletişim Sistemi ) gibi üçüncü nesil mobil iletişim sistemleri de adaptif antenlerden yararlanılacak , girişim azalıp link kalitesi artacaktır.

Sistem kapasitesinin ve spectral verimin artırım yolları ve farklı metotların avantaj ve dezavantajları incelenmektedir. Adaptif antenler iki yerde kullanılır. Birincisi SFIR (Spatial Filtering for Interference Reduction, Girişim Azaltımı için Uzaysal Süzgeçleme ) ikincisi ise ; SDMA( Space Division Multiple Access, Boşluk Bölmeli Çoklu Erişim) ‘dir.

HÜCRESEL MOBİL İLETİŞİMDE ADAPTİF ANTENLER Hücresel mobil iletişimde adaptif antenlerin kullanımından bahsedilince adaptif antenlerin baz istasyonlarında kullanıldığı,mobil istasyonlarda ise yöneltmesiz antenlerin kullanıldığı düşünülür.Prensipte uygun antenlerin mobil istasyonlarındada kullanımı mümkündür. Adaptif antenler sistemin girişimini azaltır ve bu da daha iyi bir link ve iletim kalitesi sağlar. Karmaşıklığın azaltımı , sistem kapasitesinin ve spectral verimin artmasını sağlar.

KAPASİTE ARTIRIM METODLARI Hücresel mobil iletişim sistemlerinde ,hizmete sunulan alan belli bir sayıdaki hücrelere eşit şekilde bölünmüştür. Her hücrede sadece frekans bandının küçük bir bölümü etkindir.Hücreler,ışık toplama tertibatları küme şeklinde gruplanmışlardır. Bu demek oluyor ki bir ışık toplama tertibatı küme içindeki hücreler frekans bandının tümünü paylaşırlar. Bir küme içindeki hücre sayısı küme boyutunu verir.

Şekil 2.1’de görüldüğü gibi reuse uzaklığı aynı frekansı kullanan birbirlerine en yakın baz istasyonları (BS, Base Station) arasındaki uzaklıktır. Hücresel networklar inşa edilirken , büyük makro hücreler kullanarak daha büyük bir kapsama alanı elde etmeye çalışılınır. Bu hücresel prensip yerine daha çok kullanıcının amaçlandığı başka metotlar da mevcuttur.

Bu metodlardan biri; bir tek hücreyi daha küçük hücrelere bölmektir Bu metodlardan biri; bir tek hücreyi daha küçük hücrelere bölmektir. Bu şekilde frekans reuse uzaklığı azalır ve dolayısıyla kapasite artar. Fakat bu yaklaşımda gereksinim duyulan baz istasyonu sayısı artar , yeni baz istasyonları kurmak gerekir. Gerekli teçhizatın ( elektrik enerjisi , direkler , diğer baz istasyonuna kadar ki iletim hattı vb.) ve baz istasyonunun kendi maliyeti çok fazla olur. Kullanılan diğer metot frekans sıçramasıdır(FH ,Frequency Hopping). Bu metotta amaç; frekansta ve girişimde değişiklik sağlanmasıdır. Geç etki (Latter Effect) ; sıçrama sırasında bazı frekansların, link kalitesine negatif etkide bulunmayan fakat içeriği etkilemesi olayıdır.

Bu şekilde baz istasyon sayısı artırılmadan kapasite artırımı sağlanır Bu şekilde baz istasyon sayısı artırılmadan kapasite artırımı sağlanır. Bunun temel prensibi ; spektrumu düzgün olarak planlanmış alt bantlara bölmektir. Böylelikle network aynı anda oluşan birkaç reuse kalıplarıyla birlikte işler ve böylece temel reuse uzaklığı ve küme uzaklığı azaltılmış olur.

GİRİŞİMİ AZALTICI UZAYSAL SÜZGEÇLEME (SFIR) Spatial Filtering for Interference Reduction Baz istasyonlarındaki kişisel iletişimde kullanılan antenleri anlatmanın bir yolu da SFIR’ dır. İsminden de anlaşılabilineceği gibi adaptif antenler sadece girişimi azaltırlar. Böyle olunca trafik kanalındaki tek bir kullanıcıya (frekans ve zaman dilimi başına) baz istasyonu tarafından hizmet verilir. Tipik bir SFIR şekil 2.2 ‘de gösterilmiştir.

Baz istasyonu anten ışınları diğer hücrelerin kullanımı için girişimi azaltır ve istenilen sinyal seviyesini artırır.

SFIR sistemi ; kullanıcıları yollara atar , belli bir yoldaki kullanıcı diğer kullanıcılardan uzaysal şekilde ayrılabilir. Adaptif anten sistemi anten kalıbındaki temel anteni kontrol ederek istenilen kullanıcıyı dahil eder ve girişimlere boşluklar koyar. Böylece bu konsept , bazıları 10 desibel civarında olan iç hücre girişimini azaltır. Network sağlayıcıları reuse uzaklığını ve yazışan küme uzaklığını azaltır. Hücre başına düşen kullanılabilir frekans bandı artmış olur, bu ; hücre başına düşen trafik kanalı sayısını ve sistem kapasitesini artırır. SFIR‘ın diğer hücre-ayırma teknolojisine göre bir avantajı da; SFIR ‘ın ekstra baz istasyonlarına gereksinim duymaması ve baz istasyonları masrafını azaltmasıdır.

SADECE GÖNDERİMDE UZAYSAL SÜZGEÇLEME (Spatial Filtering on uplink only) SFU Burada adaptif antenler baz istasyonlarında karşılama (reception) için kullanılırlar. Sistemde ya normal yöneltmesiz anten yada downlink iletimi için dilim anten kullanır. Bu konsept sadece sistemin uplink bölümündeki girişimi azaltır. Böylece küme uzaklığı sabit kalmış olur.

SFU uplinkdeki link kalitesini geliştirir ve uplinkdeki hücre yarıçapı artmış olur.Anten dizisinin anten kazancı uplinkde hizmet verilen uzaklığını artırmada kullanılır. Downlinkte baz istasyonunun verici gücü uplinkteki anten kazancı ile artırılır. Eğer uplink , sistemin belli bir parçasını sınırlıyor ise bu şemanın bir kapasitesi vardır.

BOŞLUK BÖLMELİ ÇOKLU ERİŞİM (Space Division Multiple Access) SDMA Baz istasyonlarında kullanılan adaptif antenlere ikinci yaklaşım ise SDMA ‘dır. Baz istasyonları farklı kullanıcılara erişim için uzaysal domen (azimut domeni) kullanırlar.Bunun anlamı ; baz istasyonlarının aynı anda bir trafik kanalındaki birden fazla kullanıcıya ulaşmasıdır (Bknz şekil 2.3). Bu nedenle SDMA kapasite ve uzaysal verimi doğrudan artırır.

Şekil 2. 3 SDMA Prensibi Normalde her mobil bir kanalı işgal eder (a) Şekil 2.3 SDMA Prensibi Normalde her mobil bir kanalı işgal eder (a) . Aynı frekans reusesinde iki veya daha fazla mobil aynı trafik kanalını paylaşırlar ve beam kalıpları konuşmaların karışmasını engeller (b).

Aynı hücre frekans reusesi uzaysal ayrışabilmeye gereksinim duyar Aynı hücre frekans reusesi uzaysal ayrışabilmeye gereksinim duyar.Bunun anlamı her kullanıcının baz istasyonuna farklı yönlerden ulaşmalarıdır. Baz istasyonu ,beamleri ayrıştırarak girişimi minimize ederek ve talep edilen sinyali en büyük hale getirerek her bir alıcıya sinyal gönderir. Bu uyumlu beamlerle siz , klasik çoklu erişim teknolojilerindeki (TDMA FDMA ve CDMA gibi ) kullanıcıları ayırmak için uzaysal uzaklığı kullanabilirsiniz.

Adaptif antenler intercell ve intracell girişimlerini azaltır Adaptif antenler intercell ve intracell girişimlerini azaltır. Reuse uzaklığı azaltılınabilir ve bu azaltım ek bir kapasite kazancına neden olur. SDMA için adaptif anten kullanımında bir tanesinin küme boyutu da mümkündür. [FKB97] ‘ ye bağlı olarak trafik kanalındaki kullanıcı sayısının gerçek değeri 1.87 ‘ ye ulaşırken kapasite kazancı 13. derecede (11.1 dB ) olur. SFIR ‘la karşılaştırılınca %85 ‘lik kapasite kazancı olduğu görülür. SDMA çok ağır trafiğin olduğu yerlerde kolayca uygulanılabilir aksi taktirde sıcak nokta hücreleri inşa edilmelidir. Fakat SDMA sistemi ek frekans planlamasına gereksinim göstermez.