Önemli Noktalar:
- SATCOM (uydu iletişim) sistemleri, diğer radyo frekansı (RF) sistemlerinin karşılaşmadığı çok sayıda doğal, teknik ve ticari zorlukla karşı karşıyadır.
- Yeni nesil SATCOM, ışın yönlendirme, modülasyon, anten tasarımı, optik iletişim ve daha birçok alanda ilerlemeler içermektedir.
- Uydu fırlatmak oldukça maliyetlidir! Bu gelişmiş sistemlerin tümü, fırlatma geri sayımı başlamadan çok önce yerde kapsamlı şekilde test edilmelidir. Keysight, bu testlerin yapılmasını sağlayan sistemleri sunar.
Uydular iletişimi nasıl geliştiriyor?
Bu on yılın sonuna kadar, akıllı telefonlar kapsama alanı dışında kalmayacak. Sevdiklerinizi okyanusun ortasında bir kruvaziyerdeyken, ıssız bir yolda araç kullanırken ya da yüksek bir dağda yürüyüş yaparken bile arayabileceksiniz.
Bu iletişimdeki sıçrama hem erişim alanı hem de hız açısından, uydu iletişim sistemlerindeki (SATCOM) gelişmeler sayesinde mümkün oluyor. Önceki uydu iletişimi makalemizde, SATCOM sistemlerinin temel yapı taşlarına ve uygulamalarına genel bir bakış sunmuştuk.
Bu blog yazısında ise yeni nesil SATCOM’u mümkün kılan teknolojilere derinlemesine bir bakış atıyoruz.
SATCOM'un sağladığı temel yetenekler nelerdir?
SATCOM'u bir çözüm olarak ne zaman ciddi bir şekilde düşünmelisiniz? SATCOM genellikle daha fazla harcama ve operasyonel karmaşıklık anlamına gelse de, aşağıda özetlenen cazip faydaları da sunar:
- Küresel Bağlantı: SATCOM, özellikle karasal altyapının bulunmadığı uzak bölgelerde geniş mesafeler boyunca bağlantı sağlar. Bu, daha iyi kamu yönetimi, akıllı enerji şebekeleri, iklim değişikliği izleme ve hava tahmini gibi uzun vadeli projeler için kritik öneme sahiptir.
- Düşük Gecikmeli Genişbant Hizmetleri: SATCOM geleneksel olarak yüksek gecikme ve düşük bant genişliği ile anılsa da, son gelişmeler bu algıyı değiştiriyor. Alçak Dünya yörüngesindeki (LEO) uydu takımyıldızları, elektronik olarak taranan dizi (ESA) antenler ve optik uydu arası bağlantılar gibi teknolojiler sayesinde artık yüksek bant genişliklerinde (5-200+ Mbps) ve düşük gecikmelerle (25-100 ms) hızlı internet, video konferans ve yayıncılık mümkün hale geliyor.
- Mobil Ağların Genişletilmesi: Uydu tabanlı karasal olmayan ağlar, 5G/6G mobil bağlantısının kapsamını uzak bölgelere, denizcilik platformlarına ve hava araçlarına kadar genişletir.
- Gerçek Zamanlı Veri Paylaşımı: SATCOM, dünyanın her yerinden her yere gerçek zamanlı veri paylaşımını mümkün kılar. Bu, özellikle nesnelerin interneti (IoT) sensör izleme, afet yönetimi ve acil müdahale durumları için hayati öneme sahiptir.
- Dayanıklı Durumsal Farkındalık: Kritik savaş alanı, savunma ve erken uyarı sistemleri için SATCOM; gerçek zamanlı durumsal farkındalık, dayanıklılık ve yedeklilik sunar.
- Otonom Araçların Kontrolü: SATCOM, kara araçları, uçaklar, dronlar ve deniz taşıtlarının uzaktan gerçek zamanlı kontrolü ve izlenmesini mümkün kılar.
Bu yazının geri kalanında, bu yeteneklerin arkasındaki radyo frekansı (RF) mühendisliği detaylarına değinilmektedir.
Bir SATCOM sisteminin temel bileşenleri nelerdir ve nasıl birlikte çalışırlar?
Şekil 1. SATCOM sistem bileşenleri
Bir SATCOM sisteminin temel bileşenleri yukarıda gösterilmiştir. Bunlar şunları içerir:
- İletişim Uyduları: Bu uydular, Dünya yörüngesinde farklı yüksekliklerde döner ve iletişimi sağlamak amacıyla görev yaparlar.
- Uydu Takımyıldızları: Birçok SATCOM sistemi, birbirine yakın yörüngelerde dönen ve kendi aralarında ağ oluşturan birden fazla uydudan oluşur. Bu yapılara “takımyıldızı” denir.
- Yer İstasyonları: Bazı yer istasyonları, uyduların telemetri, izleme ve komut (TT&C) işlemleri için kullanılır. Diğerleri ise, uyduların asıl amacına hizmet eden karasal ağın bir parçasıdır.
- Uplink (Yukarı Bağlantı): Bunlar, yer istasyonlarından veya kullanıcı terminallerinden uydulara doğru yönlendirilen iletişim bağlantılarıdır.
- Downlink (Aşağı Bağlantı): Bunlar, uydulardan yer istasyonlarına veya kullanıcı terminallerine doğru yönlendirilen iletişim bağlantılarıdır.
- Anten Sistemleri: Hem yer istasyonlarında hem de uydularda bulunan alıcı-vericiler, RF (radyo frekansı) sinyallerini göndermek ve almak için çeşitli tipte antenler kullanır.
- Uydu Arası Bağlantılar: Uydu takımyıldızları, birbirleriyle haberleşmek için optik veya RF uydu arası bağlantılar yoluyla ağlar oluşturur.
SATCOM sistemlerinin karşılaştığı başlıca zorluklar nelerdir?
SATCOM sistemleri için RF tasarımı, aşağıda açıklanan çeşitli doğal ve teknik zorlukların üstesinden gelmelidir.
Atmosferik etkiler
Şekil 2. Su tarafından 22,3 gigahertz'de (GHz) ve oksijen tarafından 1-300 GHz'de soğurulmaya bağlı zayıflama
Atmosferin bileşimi, hareketi ve yağmur gibi hava olayları; sinyal girişimi, zayıflama (attenuation) ve gecikmelere neden olur.
Girişim etkileri arasında sinyal yayılım gecikmeleri, polarizasyonun bozulması (depolarizasyon), kırılma (refraksiyon), difraksiyon ve çoklu yol solması (multipath fading) bulunur. Bu etkiler, gecikme, sinyal zayıflaması ve bozulmaya yol açar.
Bulutlar, yağmur, atmosferik katmanların hareketi ve bazı elementlerin emilimi de sinyal zayıflamasına neden olur. Örneğin:
- Su buharı, K-bandındaki (~22.3 GHz) frekansları zayıflatır.
- Oksijen ise Q-bandı (~60 GHz) frekanslarını etkiler.
RF mühendisleri, bağlantı bütçesi (link budget) hesaplamalarında bu tüm etkenleri göz önünde bulundurmalıdır.
İyonosferik bozulmalar
İyonosferden geçen sinyaller değişken gecikmelere maruz kalır ve bu da özellikle sabit Dünya yörüngesindeki (GEO) uydular için önemli iletim gecikmelerine yol açar.
Bir başka olay da, sinyaller güneş radyasyonu tarafından iyonize edilen iyonosferden geçerken genlik ve fazlardaki hızlı dalgalanmalar olan sintilasyondur.
Bu bozulmalar, çeşitlilik alımı veya frekans atlama gibi teknikler kullanılarak azaltılabilir.
Doppler kaymaları
LEO uyduları saatte 17.000+ mil (mph) ve orta Dünya yörüngesi (MEO) uyduları 7.200+ mph hızlarda yörüngeye oturur. Bu hızlarda, sinyal frekanslarının gerilmesi ve sıkıştırılması (Doppler etkisi) önemli olabilir.
SATCOM bant genişliği kullanımını en üst düzeye çıkarmak için birden fazla kanal ve karmaşık modülasyon kullandığından, kanal iletimi ve alımı gerçek zamanlı izleme ve gelişmiş modülasyon şemaları aracılığıyla Doppler kaymalarına dinamik olarak ayarlanmalıdır. Tüm bunlar dikkatli bağlantı bütçesi değerlendirmeleri ve sofistike alıcı tasarımları gerektirir.
Sofistike anten tasarımları
Yukarıda gördüğümüz olgular sofistike anten ve alıcı-verici tasarımları gerektirmektedir. ESA'lar, sinyal gücünü ve bütünlüğünü korurken değişen uydu konumlarına uyum sağlayan ışın yönlendirme yoluyla hızlı hareket eden LEO uydularına dinamik olarak uyum sağlayabilir.
Modülasyon şemaları
Verimli bant genişliği kullanımı ve yüksek veri hızları için, genlik ve faz kaydırmalı anahtarlama (APSK) gibi karmaşık modülasyon şemaları tercih edilmektedir. Güç amplifikatörlerinin daha verimli çalışmasını sağlamak için sinyalin tepe noktası ile ortalama oranlarını en aza indirirler.
Ayrıca, bu şemalar için gereken ek işlemler nedeniyle uçtan uca gecikme süresi artabilir. Bu nedenle, gecikmeyi azaltmak için verimli kodlama ve hibrit otomatik tekrar isteği stratejilerine ihtiyaç vardır.
Mevzuata uygunluk
RF ortamı büyük LEO takımyıldızları tarafından kalabalıklaştırılıyor. SATCOM sistemleri, özellikle karasal ve uydu hizmetlerinin çakıştığı bantlarda spektrum parazitini yönetmelidir. Ayrıca düzenleyici kurumlar tarafından belirlenen gelişen standartlara da uymak zorundadırlar.
Farklı uydu türleri ve bunların yörüngeleri SATCOM hizmetlerini nasıl etkiler?
Yukarıdaki faktörlere ek olarak, yörüngelerin de SATCOM tasarımı ve hizmetleri üzerinde derin etkileri vardır. GEO uydular aşağıdaki artıları ve eksileri sergilemektedir:
Maliyetler: Yaklaşık 35.786 kilometrelik (km) tipik irtifa, Dünya yüzeyinin çoğunu kapsayacak şekilde üç kadar uyduya izin verir. Yüzeye göre sabit bir konum sağladıkları için izleme gerekli değildir. Antenler her iki uçta da daha basit parabolik antenler olabilir. Ancak, uyduları bu irtifalara fırlatmak maliyetleri artırır.
Yüksek gecikme süresi: Yaklaşık 240 milisaniyelik (ms) gidiş-dönüş gecikmesi, bu uyduları düşük gecikmeli uygulamalar için daha az uygun hale getirir. Yerden bir GEO'ya iletim yapmak için gereken gücün diğer yörüngelere kıyasla daha yüksek olduğunu unutmayın.
Sınırlı kabiliyet: İstasyonda kalmak için hassas itiş gücüne ihtiyaç duyarlar, bu da önemli miktarda enerji ve daha yüksek işletme maliyetleri gerektirir.
MEO uyduları aşağıdaki özellikleri sergiler:
- Daha düşük gecikme süresi: MEO uyduları GEO sistemlerine kıyasla daha düşük gecikme sürelerine sahiptir. Küresel navigasyon ve metin iletişimi gibi orta gecikmeli kullanımlar için uygundurlar.
- Kapsama maliyetleri: Küresel kapsama alanı nispeten daha fazla uydu gerektirir (tipik olarak sekiz ila 20). Genellikle GEO uydularından daha küçük olduklarından fırlatılmaları ve bakımları daha ucuzdur. Ayrıca daha çeşitli faydalı yükleri de barındırabilirler.
LEO uyduları aşağıdaki artı ve eksilere sahiptir:
En düşük gecikme süresi: LEO uyduları en düşük gecikme süresine sahiptir, bu da onları yüksek hızlı internet ve mobil ağlar gibi geniş bant iletişimler için uygun hale getirir.
Konstelasyon gereksinimleri: Düşük irtifaları ve yüksek hızları nedeniyle, sürekli küresel kapsama için LEO sistemlerinden oluşan bir takımyıldızına ihtiyaç vardır. Bu da gerekli uydu sayısını, uydu tasarımının karmaşıklığını, anten tasarımını ve operasyonları artırmaktadır.
Daha kısa ömür: GEO uydularına kıyasla daha kısa operasyonel ömürleri (tipik olarak beş ila 10 yıl) vardır. Bu da daha sık fırlatma anlamına gelmektedir.
Frekans bandı seçimi SATCOM performansını nasıl etkiler?
Şekil 3. SATCOM frekans bantları ve uygulamaları
Yayılma özellikleri
Her frekans bandı, sinyal gücünü ve kalitesini etkileyen benzersiz yayılma özelliklerine sahiptir.
- L-bandı (1-2 GHz): Yeşillikler ve binalar arasından iyi bir penetrasyon sağlayarak mobil uygulamalar için uygun hale getirir. Ancak bant genişliği yüksek veri hızı uygulamaları için çok düşüktür.
- C-bandı (4-8 GHz): Yağmurun soldurmasına ve atmosferik emilime karşı dayanıklılığı onu telekomünikasyon için uygun hale getirir ancak dar bant genişliği nedeniyle engellenir.
- Ku-bandı (12-18 GHz): Daha fazla bant genişliği onu video ve geniş bant uygulamaları için uygun hale getirir. Antenleri daha küçüktür. Ancak, yağmur soldurmasından etkilenir.
- Ka-bandı (26,5-40 GHz): Geniş frekans aralığı çok yüksek veri hızları ve bant genişlikleri sağlar. Ancak, su buharı tarafından atmosferik emilim bazı frekansları kötü etkiler. Bu yüzden LEO uyduları için daha uygundur çünkü geçmeleri gereken daha az atmosfer vardır.
- Q-bandı (40-75 GHz): Yine, geniş frekans aralığı çok yüksek veri hızları sağlar, ancak 60 GHz'de oksijen emilimi önemli bir sorundur.
Anten tasarımı
Anten tasarımı daha yüksek frekanslarda kritik hale gelir. GEO uydularının çanak antenleri, işaretleme hassasiyetinin daha yönetilebilir olduğu C ve Ku bantlarında etkilidir. Bununla birlikte, büyük boyutları ve hassas sabit hizalama ihtiyaçları, onları hızlı hareket eden LEO uyduları için uygun hale getirmez. Bu uydular için hızlı takip ve faz dizi antenler gerekir.
Aşamalı dizilerin ışınları elektronik olarak yönlendirme yeteneği, hareket eden uydunun yüksek hızlarına rağmen bağlantıları korumalarını sağlar. Işın genişliği ve yönlülük üzerindeki kontrol özellikle yüksek frekanslarda kritik öneme sahiptir.
Daha yüksek frekanslar
Dijital video yayıncılığında olduğu gibi gelişmiş uydu yetenekleri, sağlam hata düzeltme mekanizmaları sağlarken daha fazla veri çıkışı için daha yüksek frekans bantlarından (Ka gibi) yararlanır. Bu, kayıplı kanallar üzerinden hizmet kalitesini korumak için çok önemlidir.
RF boru hattında ilerlemeler
Daha yüksek frekans bantları için RF güç amplifikatörleri, sinyal kalitesinde bozulma olmadan tutarlı çıkış gücü sağlamak için doğrusal olmayan etkilere göre tasarlanmalıdır.
Ka-bandında çalışan RF boru hatları atmosferik koşullardaki hızlı değişiklikleri idare etmelidir. Uyarlanabilir bant genişliği kullanımı ve gerekli hata düzeltme yazılım tanımlı uydular tarafından gerçekleştirilebilir.
ATCOM modern askeri ve savunma operasyonlarında nasıl bir rol oynamaktadır?
SATCOM, istihbarat ile eşleştirildiğinde, gerçek zamanlı durumsal farkındalık, erken uyarı savunma sistemleri ve küresel navigasyon sağlar. Otonom askeri uçakların kontrolüne, görüntü istihbaratının toplanmasına ve bir dizi LEO, MEO ve GEO uydusu kullanılarak savaş alanı farkındalığına olanak tanır.
Amerika Birleşik Devletleri Savunma Bakanlığı (DoD) ve ABD ordusu, askerlerin ve komutanların eline güçlü SATCOM terminalleri vermeyi planlamaktadır:
- Kapsamlı operasyonel entegrasyon için kara, hava ve yörünge sistemleri arasında etki alanları arasında koordinasyon
- görüş hattının ötesinde keşif, hedefleme ve izleme
- Karasal ağların kullanılamadığı veya savunmasız olduğu zorlu ortamlarda iletişim esnekliği
- operasyonel etkinlik için büyük hacimli gerçek zamanlı verilerin gerçek zamanlı paylaşımı
- karmaşık elektromanyetik ortamlarda parazit tespiti
SATCOM teknolojisindeki gelişmeler sektörü nasıl değiştiriyor?
Bu bölümde, SATCOM'daki bazı önemli son gelişmeleri gözden geçiriyoruz.
Yüksek verimli uydular (HTS)
HTS, Ka ve V bantlarında çok yüksek kapasiteli veri bağlantılarına ulaşır. Daha yüksek bant genişliklerine ve daha geniş bağlanabilirliğe olan talep arttıkça önemleri de artmıştır.
HTS'yi mümkün kılan temel teknolojiler büyük LEO uydu takımları, elektronik olarak yönlendirilebilir faz dizili antenler, gelişmiş modülasyon ve optik uydular arası bağlantılardır.
Birçok kanalı tek bir transponder üzerinde birleştirdikleri için daha geniş bant genişliğine sahip sinyalleri izlemeleri gerekir. Ayrıca, her biri farklı uydu bantlarında farklı modülasyon formatları ve sembol oranları kullanan birden fazla taşıyıcıyı yönetmek zorundadırlar.
Bu nedenlerle HTS, dinamik koşullara uyum sağlamak için yapay zeka ve makine öğrenimi kullanır.
HTS, kısa bir süre içinde büyük hacimlerde veri gönderebilmelidir. Bu da 1 GHz spektruma kadar daha geniş transponder bant genişlikleri gerektirir.
Gelişmiş modülasyon teknikleri
Daha yüksek bant genişliklerine olan talebin katlanarak artması ve iletişim ağlarının erişim alanının genişlemesi, daha fazla veri taşımak için spektrum kullanımını optimize eden gelişmiş modülasyon stratejileri gerektirmektedir.
Modern SATCOM, sinyal iletimini optimize etmek için hem genlik hem de fazın manipüle edildiği QAM gibi gelişmiş teknikler kullanır. 16QAM ve 64QAM gibi daha yüksek dereceli şemalar sembol başına iletilen bit sayısını artırırken sinyal bozulmalarına da direnç gösterir.
QAM'in sabit olmayan zarfı nedeniyle, doğrusal olmayan amplifikasyonun etkilerini en aza indirmek bir önceliktir. APSK gibi teknikler, daha düşük tepe/ortalama oranına sahip oldukları ve bu nedenle doğrusal olmayan bozulmaya karşı daha dayanıklı oldukları için benimsenmektedir.
Ortogonal frekans bölmeli çoğullama (OFDM) yüksek spektral verimliliği nedeniyle tercih edilmektedir. OFDM'nin yüksek tepe-ortalama güç oranları (PAPR) güç amplifikatörlerini zorlayabildiğinden, modülasyonu etkilemeden PAPR'yi azaltmak için ofset ve diferansiyel karesel faz kaydırmalı anahtarlama (QPSK) kullanılır.
Faz gürültüsü, özellikle OFDM gibi yüksek dereceli şemalarda sinyal bütünlüğünü etkileyen bir diğer kritik faktördür. Mükemmel faz gürültüsü performansına sahip cihazlar kullanılarak test yapılması çok önemlidir.
Uydular arası optik bağlantılar (OISL'ler)
OISL'ler saniyede 100+ gigabit gibi çok yüksek veri iletim hızlarını mümkün kılmaktadır. Bu, LEO uydu takımyıldızları aracılığıyla yüksek hızlı küresel internet erişiminin çalışması için kritik öneme sahiptir.
Yönlendirme aynaları, enerji kayıplarını azaltmak için hassas işaretlemeyi sürdürür. RF sistemlerinin aksine, sinyal bozulmasına uğramazlar. OISL'ler, takımyıldızlardaki örgü ağların verileri ağ koşullarına göre dinamik olarak yönlendirmesini sağlar.
Ayrıca gizli dinleme ve karıştırmaya karşı daha fazla güvenlik sunarlar.
Faz dizi antenler
Faz dizileri, geleneksel antenlerin mekanik karmaşıklıkları olmadan istenen bir hüzme desenini oluşturmak için faz kontrollü birçok küçük yama anten elemanı kullanır. Bunlar yüksek bant genişlikli LEO SATCOM'un kritik bileşenleridir.
Aktif ESA'lar (AESA'lar), her anten elemanının kendi gönderme-alma modülüne bağlı olduğu bir tür faz dizisidir. Bu sayede, hızlı ve hassas elektronik demet yönlendirme için aynı anda birden fazla demet oluşturulabilir.
Tasarımı optimize etmek ve performansı artırmak için RF devrelerini dijital işleme yetenekleriyle tek bir modülde entegre ederler.
Keysight SATCOM tasarımını ve testini nasıl kolaylaştırır?
Keysight, SATCOM sisteminizin tüm yönlerinin kalkıştan çok önce uçtan uca test edilmesini ve simüle edilmesini sağlayan eksiksiz bir donanım ve yazılım sistemleri portföyü sunar. Burada iki anahtar sistemi öne çıkarıyoruz.
Keysight SystemVue
Şekil 4. SystemVue SystemVue, uçtan uca SATCOM testi için diğer araçları entegre eder
SystemVue, SATCOM sistemlerinizin uçtan uca mühendislik tasarımı iş akışı yönetimi ve görev performansı testi içindir. Tüm özel sistemleri tutarlı bir uçtan uca sistem tasarımı ve test platformuna çeker. Bütünleştirir:
- RF alt sistemlerinin matematiksel modelleri
- GoldenGate gibi RF entegre devre tasarım araçlarından simülasyon modelleri
- EMPro gibi aşamalı dizi tasarım araçlarından modeller
- Harici araçlardan görev gereksinimleri ve uydu kinematiği modelleri
- Ağ analizörlerinden ölçülen veriler
RF tasarımları aşağıda gösterildiği gibi içe aktarılabilir.
Şekil 5. SystemVue'ya aktarılan RF tasarımları
Tüm bunlar, çeşitli işletim senaryolarının gerçekçi sistem testlerine ve simülasyonlarına olanak tanıyan tutarlı uçtan uca dijital ikizlere entegre edilmiştir. SystemVue, RF davranışlarını karakterize eder ve aşağıda gösterildiği gibi bağlantı bütçelerinin optimizasyonuna rehberlik eder.
Şekil 6. SystemVue'da SystemVue'da bağlantı bütçesi tahmini
PathWave Vektör Sinyal Analizi (VSA)
Şekil 7. SystemVue'dan alınan RF karakterizasyon sonuçlarının VSA'da görselleştirilmesi
PathWave Vektör Sinyal Analizi, SATCOM sistemlerinizin frekans, zaman ve modülasyon alanları hakkında derinlemesine bilgi edinmek için güçlü bir sinyal analiz yazılımı aracıdır. SystemVue, SATCOM simülasyonu ve sistem test sonuçlarının güçlü görselleştirilmesi ve analizi için VSA'yı sorunsuz bir şekilde entegre eder.
Keysight ile SATCOM doğrulaması
Bu blog yazısında, uydu iletişim sistemlerine giren RF mühendisliği hakkında derinlemesine bir anlayış kazandınız.
SATCOM sistemlerinizin tasarımı ve testine ilişkin uzman görüşleri için bizimle iletişime geçebilirsiniz.
