ASELSAN Sayfa Dönüş

Uydu Haberleşme Sistemi

Burak Çelik 

Bu yazıda, ASELSAN'ın ürün yelpazesine yeni eklemiş olduğu Uydu Haberleşme Sistemleri hakkında, genel tanıtım amaçlı bilgiler verilmeye çalışılacaktır.

***

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."

Şekil-1. Uzay terminallerinin yörünge üzerindeki yerleşimi

"Aşağıda belirtilen boylamlar, yerleştirilecek 3 terminalin tüm yerküreyi kapsaması için önerilen değerlerdir.

    300º Doğu-    Afrika ve Avrupa
    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: 

1. Yük (Payload), 

2. 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

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

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.

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.

(a) Çift Dönmeli Uydu                       (b) Üç-eksende kararlı uydu
Şekil-2. Uydu sınıfları

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.

Şekil-3. Uydu Haberleşme Sistemi

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: 

1. 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.

2. 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.

Şekil-4. C-bandında çalışan Intelsat V transponderi için tipik bir frekans planı

2) Zaman Paylaşımlı Çoklu Erişim

Kısaca 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.

Şekil-5. TDMA Zaman Planlaması

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

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.

Şekil-6. CDMA Kodlama Tekniği

Uydu Haberleşmesinde Kullanılan Frekanslar

Uydu haberleşme sistemlerinde genellikle 4 ana frekans bandı kullanılmaktadır. Bunlar sırasıyla C-bandı, X-bandı, Ku-bandı ve Ka-bandıdır. Çalışma frekansları ve kullanım alanları Şekil-7'de gösterilmektedir.

Şekil-7. Uydu Haberleşmesinin Gelişimi

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.

Şekil-8. Yer İstasyonları Genel Blok Yapısı

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.

Uydu haberleşmesinde kullanılan antenler aşağıdaki şekilde sınıflara ayrılabilirler:

• Horn Antenler
• Phased Array Antenler
• Parabolik Antenler 

Horn antenler yüksek Kazanç/Gürültü (G/T) oranı sağlasalar da küçük boyutlardaki tipleri dahi çok pahalı olduğundan artık kullanılmamaktadır.

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:

1. Simetrik veya Eksen-simetrik antenler
2. Offset antenler
3. Cassegrain antenler.

Şekil-9'da yukarıda saydığımız anten tiplerinden yaygın olarak kullanılan çift reflektörlü Cassegrain tipi anten yapısı gösterilmektedir.

Şekil-9- Cassegrain Anten Tipi

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.

SONUÇ

Günümüzde Uydu Haberleşme Sistemleri artık hayatımızın bir parçası olmuştur. Ortalama %99.5'luk yıllık aktif çalışma oranıyla, yaptığımız bilgi alışverişlerinin, evimize gelen televizyon sinyallerinin, gerçekleştirdiğimiz telefon konuşmalarının çoğunda farkında olmasak da altyapı olarak uydu sistemleri kullanılmaktadır. Artan iletişim trafiği, gün geçtikçe daha fazla kanal kapasiteli ve daha hızlı haberleşme sistemlerinin kurulmasına neden olmaktadır. Uydu haberleşme sistemleri saydığımız bu ihtiyaçları karşılayabilecek özelliklere sahip teknolojisiyle gelecekte çok daha yaygın ve spesifik olarak kullanılacaktır. 

Kısaltmalar

CDMA: Code Division Multiple Access
E.I.R.P.: Effective Isotropic Radiated Power
FDMA: Frequency Division Multiple Access
FDM/FM: Frequency Division Multiplexing/Frequency Modulation
GEO: Geostationary Orbit
HEO: High Earth Orbit
ITU: International Telecommunications Union
Ka: K-above 
Ku: K-under
LEO: Low Earth Orbit
LNA: Low Noise Amplifier
SSMA: Spread Spectrum Multiple Access
TDMA: Time Division Multiple Access
VSAT: Very Small Aperture Terminal

Kaynakça

ÖZGEÇMİŞ