Giriş :

Muhtemelen herkes üzerinde çok durmamış olmakla birlikte cep telefonları, televizyon vb cihazların radio dalgalarını kullanan cihazlar olduğunu bilmektedir. Bununla birlikte çok az insan, elektronik mühendislerinin dahi çok az bir kısmı bu konu hakkında derinlemesine bilgi sahibidir.

Bu bölümde aktarılan bilgiler daha çok RF modül kullanarak kablosuz ekipmanlar tasarlamak istiyenlere yardımcı olamka niyeti ile hazırlanmıştır. Umarız araştırma vb amaçlarla okuyanlar içinde faydalı bir kaynak işlevi görür.
Bu bilgileri mümkün olan tüm okuyucular tarafından anlaşılır kılabilmek için fazla formül kullanmadan şekiler yardımıyla vermeye çalıştık.

Bir RF ürün tasarım çalışmasına başlamadan önce bu bilgilerden faydalanılması, tasarım süresinin kısaltılması için çok yararlı olacaktır.

Kablosuz Teknoloji

Kablosuz Teknoloji (Radio Frequency-RF) diye tanımlanabilecek ticari-mühendislik faaliyet alanı; 3 Hz ile 300 GHz spectrum içerisinde elektromanyetik dalgaların kullanılması-işletilmesidir.

Genel olarak spektrum ve kullanım alanları aşağıdaki toblo ile özetlenmiştir.

Radyo dalgalarının uzay boşluğunda yayılım hızları ışık hızı olan 300,000 km/sn eşittir. Bu hız, konektör, kablo gibi iletkenler üzerinde çok düşük bir miktarda düşebilir. Radyo dalgalarının dalga boyu bu bilgi sayesinde aşağıdaki formül ile bulunabilir.

λ (lambda) = dalga boyu (m)

f = frekans (Hz)

C = Radio dalga hızı (3x10⁸)

Kablosuz bir cihaz ile iletişim kurabilmek için bulunulan noktaya ilgili radyo dalgalarının ulaşıyor olması gereklidir. Her ne kadar radyo dalgalarının o noktada bulunup bulunmaması yayın yapan antenin uzaklığı ile ilgili olsada, radyo dalgalarının gücü ve tespiti aslında o noktadaki elektriksel alanın yoğunluğu ile ilgilidir.

Radyo dalgalarının ilerlemesinin anlaşılabilmesi için, başlama noktasında sanal bir referans anten olduğu kabul edilir. Bu teorik antene izotropik anten denir. Bu, uzay boşluğunda, her yönde eşit miktarda yayılım yapan sanal bir kaynak olarak kabul edilir.

Aşağıdaki kürede gürüleceği üzere, P[W] gücünü izotropik bir antenle yayan bir kaynaktan D[m] kadar uzakta “bulunulan alanda” güç yoğunluğu P_D[W/m²] ile ifade edilir ve aşağıdaki formül ile hesaplanır.

Bununla birlikte aynı bölgedeki elektriksel alan yoğunluğu E[V/m] ile ifade edilir ve aşağıdaki formül ile hesaplanır.

Aynı bölgedeki elektriksel alan yoğunluğu kazancı G_i olan bir anten ile tespit edilmeye çalışıldığında formül aşağıdaki gibi değişmektedir. Formülde G_i değeri olarak antenin dBi cinsinden değil gerçek değeri kullanılmalıdır.

SM BAND / STANDARTLAR ve REGULASYONLAR

Elektromanyetik spektrumun farklı ihtiyaçların, ürünlerin, üreticilerin ve kullanıcıların ortaya çıkması ile hızla yaygınlaşan kullanımı neticesinde 1985’de Amerika’da FCC (Federal Communications Commission) adlı komisyon kullanıcıların lisans gerekmeksizin bazı telsiz sistemlerini -bu sistemler ISM (Industrial Scientific Medical) diye adlandırılan bandda çalıştığı sürece- kullanabileceğini kararlaştırmıştır. Avrupa’da RF teknolojileriyle çalışan ve ISM bandı operasyonlarını da kapsayan telsiz vb. cihazlarla ilgili kullanımı düzenleyen ve standartları belirleyen kurumlar CEPT ve ETSI dir.

Avrupa’da 9KHz-25GHz bandı ve bu bandda çalışacak kablosuz cihazlar uyumluluk ve onay açısından 3 ayrı standartla tanımlanmaktadır.

EN 300 220 (25MHz-1GHz)

EN 300 330 (9KHz-25KHz)

EN 300 440 (1GHz-25GHz)

Amerika’da kablosuz ürünlerle ilgili her türlü uyumluluk ve onay işlemleri FCC tarafından yürütülür ve ISM bandları ve bu bandlarda lisanssız kullanım CFR47-Part 15 ile düzenlenir.

Lisans gerektirmeyen ve ISM bandı olarak anılan band Avrupa’da 433MHz ve 868MHz’de Amerika da 260-470MHz ve 902-928MHz bandlarının belli bölgelerindedir. Bunun dışında son yıllarda universal ISM bandı diye anılan 2.4GHz bandı özellikle Bluetooth, DECT/DPRS, WLAN ve IEE802.11 uygulamalarında çok önem kazanmış ve yaygınlaşmıştır.

Türkiye’de bu bandların kullanımı Bilgi Teknolojileri ve İletişim Kurumu tarafından Kısa Mesafe Telsiz Cihazları Yönetmeliğiyle düzenlenmektedir ve ISM bandları açısından Avrupa da kullanılan band ve standartlar uygulanmaktadır.

RF Modul :

Kullanıcılar genelde düşük maliyetli, yüksek performanslı ve kolay kullanılabilecek ürünler isterler. Bu talep Radyo heberleşme ürünleri için, düşük maliyet, lisans gerektirmeden kullanabilme, basit kullanım ve yüksek iletişim perfermansı şeklindedir. Bu özelliklerin bütününü içinde barındıran çok az ürün vardır, üreticeler için bu tür ideal bir ürünü ortaya koymak ciddi bir problematiktir.

RF Modül neden gereklidir :

Genellikle yüksek frekansta çalışan devrelerin, teorideki kadar başarılı çalışmadığı ve deneyim kazanılmadıkça da çalışmayacağı söylenir. Bu yüzden genellikle ses ekipmanları ya da logic ekipmanlar yapan mühendisler kablosuz sistemlerde başlamak için bile bu kadar bilgiye sahip olmaları gerektiğinden kablosuz sistem dizaynı yapmaktan çekinerek genellikle elektriksel devre dizaynını tercih ederler. Ayrıca buna ek olarak bir de kablosuz sistemlerde yasal düzenlemeler işin içine girdiğinden tüm işin zorluk seviyesi de artar denir.

Ama tabi ki bu tam olarak gerçek değildir, sonuçta karalamayla başlayan her dizayn doğal bir şekilde çok zor olacaktır. İşte bu sorunların ve soru işaretlerinin oluştuğu noktada sadece yüksek frekansta çalışan ve devreye entegre edilebilecek bir elemanın (modülün) ihtiyacı ortaya çıkıyor. Bu modüller sayesinde, yüksek frekansta ki performans sorunlarının çözüldüğünün bilinmesi ve ayrıca yasal prosedür problemlerinin de aşılması üreticinin (tasarımcının) bu sorunlardan onları uzak tutup dizaynları ile başka konular üstüne odaklanmasını sağlamaktadır.

Modül çeşitleri nelerdir ?

Aşağıda özelliklerine ve çeşitlerine göre piyasada olan RF modüllerini bulabilirsiniz.

·       Çeşitlerine göre : çeşitlerine göre sadece sinyal ileten Vericiler, sadece sinyal alan Alıcılar ve son olarak hem alıcı hem hem verici görevi gören Alıcı vericiler olmak üzere 3 e ayrılırlar. Burada alıcı ve vericiler hep beraber tek yönlü iletişim için kullanılırlar ancak Alıcı vericiler bu iki çeşidin fonksiyon olarak birleşimiyle çift yönlü haberleşmeye olanak sağlamaktadır.

·       Frekans Bandına göre :

1.     434 MHz Bandına göre : 434 MHz bandındaki radyo modülleri, iletilecek datayı dar bir frekans bandı aralığında radyo dalgaları etkin bir şekilde kullanmaktadır. 434 MHz bandındaki radyo dalgaların kullanım alanları ve karakteristikleri ise oldukça geniş bir alana yayılmıştır.

2.     868 MHz Bandına göre : 434 MHz bandına benzer bir şekilde bu modüller de dar bir frekans bandında çalışırlar. 434 MHz bandına kıyasla bu bandda kullanılan ekipman sayısı az olduğu için daha az parazite rastlama ihtimali vardır bu bandda. Ancak kullanım alanı da 434 MHz modüllerine nazaran daha dardır.

3.     2.4 GHz Bandına göre : Dağınık spektrumlu iletişim sistemleri 2.4 GHz düşük güçtete veri iletişim sistemleri ve geniş bant üzerinden bilgi verisi ileten sisteme sahip radyo modülleri kullanma yetkisine sahiptirler. 2.4 GHz radyo dalgaları daha yğksek oranda düzlüğe sahiptirler. 400 MHz e kıyasla radyo dalgalar daha az kırılmaya sahiptirler ve iletişim alanının bakış açısından söz sahibidir. Ancak yüksek bit oranı, mükemmel güvenliği, iyi parazit muafiyetinin olması ve bu modülasyonu kullanan üreticilerin hızla artması sebebiyle bu alan çok dolmuş durumdadır.

·       Dijital modülasyon sistemine göre : Bu modüllerde kullanılan modülasyon sistemleri şunlardır ; FSK (CPFSK, MSK, GMSK), PSK (BPSK, QPSK, DQPSK) ve ASK..

Genel olarak ASK modülleri çevresel etkenlerden kolay etkilenebilmektedirler bu sebeple de bir kaç metre gibi kısa mesafe iletişiminde (micro-power) radyo ekipmanlarında kullanılır.

FSK ve PSK modülasyonları ise güvenirlikleri ve iletişim menzilleri sebebiyle kullanılırlar. FSK PSK’ya kıyasla daha ucuzdur, daha küçüktür, daha az enerji sarfiyatı vardır ve son olarak hata oranı daha azdır. PSK devreleri ise daha komplekstir ancak daha yaygın olarak kullanılır. MSK ve GMSK’nın işletim alanları geniş olmasına rağmen kullanılan frekans bandı dardır. DQPSK ise diğer modülasyonlara kıyasla daha dar dolu bir band da yüksek bit oranlı ve az hatalı çoklu düzey modülasyonu kullanmaktadır. Ayrıca bu modülasyon geniş olarak kullanılmaktadır.

·       Kullanılan frekans kanallarına göre : Sentezleyici bir sistem kullanılarak ve belirli bir frekansta ve sabit tutulan dalgalarla pek çok frekans kanalı desteklenir. Genellikle tek bir dalgayı kullanan radyo frekans modulleri, daha küçük ve düşük enerji sarfiyatına sahip olurlar. Ayrıca çok iyi Performans/Fiyat oranına ulaşırlar.

Sentezleyici sistemler kullanan modullerde ise kullanıcı eğer kullanımı için planladığı kanalın meşgul olduğunu görürse iletişim için başka kanallara da geçiş yapma avantajına sahiptir.

Aynı zamanda otomatik olarak kanallar arasında geçiş yapabilecek hazır fonksiyonlu modüller de mevcuttur.

Kullanılan frekans kanallarına da bağlı olarak, iletimdeki zaman limitleri ve benzeri gibi metodların kullanımında limitler oluşabilir.

·       Osilasyon devrelerinin tiplerine göre : Kristal ve (SAW) rezonatör tipleri olmak üzere iki çeşit osilasyon tipi vardır. Kristal devresinin harika frekans kararlılığı varken (SAW) rezonatör devresi daha aşağı seviyede bir frekans kararlılığı göstermektedir ancak genellikle bu devre de düşük maliyeti sebebiyle tercih edilmektedir.

·       Data giriş/çıkış metodlarına göre : Seri data ve paralel data girişi olmak üzere radyo modüllere data girişi yapmak için iki tip format vardır. NRZ, NRZI, DMI, Manchester kodları ve benzeri kodlar seri data formatı için müsait kodlardır. Ancak frekansın doluluk oranı ve gönderilecek bit hızının, kodlama tipleriyle ilişkisi olduğundan hangi kodlama yönteminin seçileceği dikkatli bir şekilde ve önem verilerek yapılmalıdır.

·       Data iletim hızına göre : Yüzlerce saniye başına bitten (bps) onlarca Mega bite (Mbs) kadar, veri gönderme hızları geniş bir alanda yapılabilir. Uzaktan kontrol için bit hızları 2400bps den 4800bps ye kadar ya da benzeri hızlarda olabilir. Veri iletimi için yapılan radyo modülleri için ise onlarca Mbps’ye kadar yüksek hızda veri aktarımını mümkün kılan modüller vardır.

·       Veri işleme metodlarına göre : Veri iletmek üstüne hazırlanan ve üretilen uzaktan kontrollü ve normal radyo modullerin basit verileri iletmesi ve veri akışını sağlaması gerekmektedir. Ancak yine de hata işleyen protokollerde, veri bağlantılarını işleme protokollerinde ya da özel olmayan protokollere sahip modüller de vardır. Bu sistemde ilk olarak data, giriş terminallerinden girilir ve modül daha sonra bu datayı daha sonraki aşamada daha özel bir iletim protokolu alabilmemiz adına bizim için işler. Ancak iki şekilde de kullanılabilecek ayrı modüller de vardır.

·       Yasal Prosedürlere göre : Eğer elinizde standartlara uygun bir radyo modül var ise izinler için uğraşılacak karışık bürokratik işlemlerden ve ürünü ticarileştirmek için harcanacak zamandan kurtulmuş olursunuz.

·       Uygulamalarına göre : Pil ile çalışan modüllerin küçük ebatlarda ve düşük enerji sarfiyatlarında olmaları gerekmektedir.

Endüstriyel alanlarda kullanılacak modüllerde ise dış koşullar (çalışma dereceleri, nem, vb.) da önem kazanmaktadır.

PROTOKOLLER-(WIRELESS PROTOCOLS)

Kablosuz bir networkde protokol sağlıklı bir veri iletişiminin ve yüksek performanslı bir networkün en önemli parçalarından biridir. Eğer frekans atlama gibi teknikler de kullanılıyorsa protokol frekans atlamanın senkronizasyonu gibi faktörler nedeniyle daha da yüksek bir önem arzetmektedir.

Herhangi bir kablosuz networkde uygulamaya ve uygulama gereksinimlerine çok bağlı olmakla birlikte frame yapılarının dikkatli bir ön çalışmanın ardından belirlenmiş olması, gelecekte çıkabilecek gereksinimleri de minumum veya hiç modifikasyon olmadan gidermesi beklenmelidir.

Kablosuz sistemin performans kriterlerinden biri Bit Hata Oranı yani BER (Bit Error Rate) dir. Bir veya birden fazla katman protokolleri bu bit hata oranını minimuma indirgeyecek farklı tekniklerin kullanımına olanak sağlayabilir. MAC olarak da adlandırılan Media Access Control katmanı genelde bu tür tekniklerin birarada toplandığı ve klasik OSI-2 ve OSI-3 katmanlarını birleştiren bir katman olarak bu tür uygulamalarda yeralmaktadır.

Uygulamanın gereksinimlerine göre protokol katmanları hata ayıklama ve giderme (FEC) teknikleri, interleaving ve scrambling, Frekans Atlama, Güç Kontrolü, Adaptif Kanal Seçme gibi yöntemlerin kullanılmasını gerektirebilir ve frame yapısı bunları da gözönünde bulunduracak şekilde oluşturulabilir.

Network

Network

			Kullanım Yerleri

ENTERFERANS-(WIRELESS INTERFERENCE)

Tüm kablosuz sistemler ve networkler benzer sistemlerin ya da aynı frekans bandında çalışan diğer cihazların yaratacağı enterferansa maruzdur. Özellikle ISM bandı gibi lisans gerektirmeyen bandlarda aynı frekans bandında çalışan farklı uygulamalarda farklı amaçlarla kullanılan çok sayıda cihaz ve ekipman bulunmaktadır. Özellikle 2.4GHz bandı milyonlarca Bluetooth, WLAN, IEE802.11 cihazlarının çalıştığı bir band olarak adı geçen enterferans sorununun en yaygın görüldüğü bandlardan biridir.

433Mhz ve 868 Mhz bandları genel olarak oto alarm ve ev-işyeri güvenlik ve alarm cihazlarının kullanıldığı bandlardır.

Önceki bölümlerde de bahsi geçtiği üzere CRC, FEC gibi bilinen birtakım yöntemleri kullanarak enterferans etkisini ve dolayısıyla BER-Bit Hata Oranlarını minimize etmek mümkündür. Bunun dışında çok kanallı bir sistem, otomatik kanal seçimi ya da frekans atlama teknikleri ile belli lokasyonlarda enterferans nedeniyle kullanılamayan frekanslardan kaçınmak ve enterferans etkisini azaltmak açısından faydalı olacaktır.

GÜVENLİK-(WIRELESS SECURITY)

Kablosuz çözümlerde güvenlik daha çok WLAN uygulamalarının son yıllardaki artışıyla birlikte ortaya çıkan bir gereksinimdir. Bir çok WLAN kullanıcısı için bilginin istenmeyen üçüncü partilere geçme riski, kablosuz networke yetkisiz giriş ihtimali ve networkün doğrudan bloke edilme tehlikesi üç temel tehdit olarak algılanmaktadır.

IEEE802.11 ve WLAN uygulamalarının özellikle büyük şirket ağlarında kullanılmaya başlaması kablosuz ağ güvenlik uygulamalarını sıkça sorgulanır hale getirmiştir.

Oto alarm ya da ev-iş yeri güvenlik ve alarmı veyahut SCADA,telemetri sistemlerinde bu tür yüksek düzeyde bir güvenlik ihtiyacı olmamakla birlikte kredi kartı bilgilerinin işleneceği ve kablosuz ağ üzerinden transfer edileceği RF POS benzeri bir sistemde yüksek düzeyde güvenlik ve güvenilirlik standartları aranması beklenmelidir.

Tarihsel süreçte IEEE 802.11’de güvenlik için WEP-Wired Equivalent Privacy kulanıla gelmekteydi. Bu standartla protokolün yetkisiz girişleri önlemek üzere authentication, veri gizliliğini ve çalınmasını önlemek üzere privacy özelliklerinin, kablolu sistemlerdeki ile eşdeğer olması beklenmekteydi. Bununla birlikte durumun öyle olmadığı, WEP key diye adlandırılan anahtarların ve WEP IV diye adlandırılan başlatma vektörleri uzunluklarının yetersiz olduğu görüldü. Başka birtakım yan sıkıntılarla birlikte ilk aşamada bu WEP key ve WEP IV uzunlukları bit sayısı artırımı ile arttırılarak bir başka standart olan HomeRF’de kullanılmaya başladı.

Şu aşamada IEEE 802.11i gibi yakın vadedeki standartlarda kullanımda olan WEP protokollerinin gelişmiş bir versiyonu olarak da görülen TKIP-Temporal Key Integrity Protocol ve orta vadede CBC-MAC gibi AES destekli protokoller öngörülmektedir.

SERVİS KALİTESİ-(WIRELESS QUALITY of SERVICE)

Kablosuz networklerde servis kalitesi genel anlamda kullanıcıya sunulan hizmetin farklı kriterlere göre ölçümünün bütünleşik hali olarak değerlendirilebilir ve Hata Oranı Performansı, Kullanılabilirlik ve Devredışı Kalma, Gecikme, kaybolan frameler, arıza bulma ve giderme gibi birçok temel performans kriterine bağlı olarak karakterize edilebilir. Özellikle zaman gecikmesi konusunda hassas olan gerçek zamanlı veya yaklaşık gerçek zamanlı kablosuz sistemlerde servis kalitesine etki eden en önemli faktörlerden biri bit hata oranı, frame hata oranı veya paket hata oranı olarak adlandırılan kriterler ve gecikmeyi gösteren doğru verinin gönderici terminalden gönderildikten ne kadar süre sonra (verinin doğru alınamaması ve tekrarlanması vb.) alıcı terminale ulaştığıdır.

Protokol belirli ölçütlere göre servis kalitesini garantileyecek şekilde tasarlanabilir ve bunun için genelde kullanılan yöntemler kaynak rezarvasyonu, öncelik mekanizması ve uygulama kontrolüdür. Kablosuz ağ uygulamalarında enterferans etkisini de gözönüne alarak yukarda sayılan her üç yöntemin de kendisinin veya altyapısının yer alabileceği bir protokol ve frame yapısının tasarlanmasının, performans yükseltici ve servis kalitesi arttırıcı etkilerinin olacağı değerlendirilmektedir.

Bunun yanında tasarlanacak cihazlarda frame hata oranı gibi bazı performans kriterlerinin ölçüm altyapısının bulunmasının gerek testlerde gerekse kullanım sırasında kolaylık sağlayacağı düşünülmektedir.