Uzak mesafelere bilgi göndermek tartışmasız insanlık var olduğundan beri önemli ihtiyaçlarımzdan birisi. Son 30-40 yılın en önemli gelişmelerinden olan modern telsiz iletişime kadar olan binlerce yıllık süreçte hangi yöntemlerle uzak mesafelere bilgi gönderildiği de çok ilginç bir konu olsa da bir mikrodalga mühendisi olarak bu konuya girmeden asıl konumuza dönelim.
Hepimizin bildiği gibi telgraf telsiz haberleşmenin en önemli basamaklarından ve her şeyin başladığı yer. Elektrik kullanılarak yapılan bu iletişim bizim mesleğimizin de temellerinin atıldığı yer. Elektrik kullanılarak yapılan uzun mesafeli haberleşme ile kararlı ve hızlı bir şekilde iletişim sağlanabiliyordu ve dönemin koşulları içesinde bir devrim niteliğindeydi. Telgrafın önemi ve katkıları daha iyi anlaşıldıkça, endüstrinin de geniş ölçekte bu işe el atmasıyla telgraf ağları on dokuzuncu yüzyılın ortalarından itibaren hızla yaygınlaştı. Ancak bu konudaki en önemli sıkıntı, ulaşmak istediğiniz bütün noktalara bir haberleşme teli çekip bu tellerin bakımı ve güvenliğini sağlamak gerekiyordu.
Telgraf haberleşmesinde mors kodları kullanılıyor. 0-1 ya da kapalı/açık mantığıyla iletişim yapılsa da iletişim ağının genişlemesi ihtiyacı daha fazla telgraf hattının çekilmesi ve daha çok aktarma (röle) istasyonu kurulması ihtiyaçlarını da beraberinde getirdi. Sistem gelişmeye başladıkça doğal olarak telgraf sisteminden de talepler artmaya başlamış: Daha hızlı, kesintisiz ve güvenli iletişim gibi.
Hız konusu doğrudan bizle alakalı olduğun bu konuda devam edelim. Mühendisler ve firmalar sistemin nasıl geliştirilebileceği üzerine araştırmalara da eş zamanlı olarak devam ettiler. Araştırmalar ilerledikçe uzun tellerin aslında hızlı iletişime çok uygun olmadığı da anlaşılmaya başlandı.
Değişken akım ve gerilimin (atım/darbe (pulse) işareti ya da modülasyonlu bir işaret mesela) bir iletim ortamında (mesela bir telde) nasıl ilerlediğini mühendis okuyucularımız elektromanyetik ya da mikrodalga derslerinden hatırlayacaktır. Biraz karışık görünse de bir çift ikinci derece diferansiyel denklem ile, Telgrafçı Denklemleri, değişken bir işaretin belli bir ortamda nasıl ilerlediğini hesaplayabiliyoruz. Bu denklemler sayesinde de yayılma sabiti (propagation constant), karakteristik empedans, faz sabiti (phase constant) gibi mikrodalga mühendisleri için önemli tanımları da elde ediyoruz. Elde edilen sonuçları gerçek hayattaki uygulamalar için de genişletip deneme yanıma yapmadan bazı sonuçları önceden kestirebiliyoruz.
Örneğin, bu denklemlere iletim hatlarındaki kayıpları ekleyip nasıl bir davranışla karşılaşacağımız da önceden tahmin edebiliyoruz. Çok fazla ayrıntıya girmeden basit birkaç hesap yapalım. Elimizde dairesel hatlı bir haberleşme kablosu olsun (coaxial cable) (Şekil 1). Bu tür kablolar iki ana metal yapıdan oluşur. Dıştaki metal bütün kabloyu kaplar ve boru gibi bir yapı oluşturur. İç kısımdaki ana metal de elektrik akımını taşıyan kısımdır. Bu iki metal arasında da kablonun türüne bağlı olarak iletken olmayan bir malzeme bulunur. Bu tür kablolar diğer iletişim ortamlarına göre (dalga kılavuzu gibi) çok daha düşük maliyetli olarak üretilebiliyor. Esnek olabilmeleri de diğer önemli bir üstünlük. Ancak her fiziksel yapı gibi bu kablolarda da çeşitli etkilerden doları kayıplar oluşuyor. Yani hem iletmeye çalıştığınız işaretin gücü zayıflıyor, hem de bazı durumlarda işareti de bozmaya başlıyor.
#Şekil 1. Dairel hatlı iletişim ortamı (Coaxial line)
Şimdi böyle bir kablo kullanarak, yani kayıplı bir kablo ile, telsiz haberleşmeye eşdeğer bir iletişim yapabilir miyiz bir bakalım. Kaliteli bir kabloda *2,1 GHz frekansında kayıp miktarı her metre için aşağı yukarı 0,7 dB civarındadır. Parantez açıp böyle bir kablonun fiyatının birkaç yüz ABD doları olduğunu belirtmekte fayda var. Daha ucuz olan kablolar da var tabiki, ancak bu kabloların kayıpları da daha yüksek. Biz en iyi kabloları kullanarak hesaplarımıza devam edelim. 100 metre uzunluğunda kablo döşediğimizde toplam zayıflama miktarı 70 dB olacak. Bu da genel olarak işaretin neredeyse algılamayacak kadar zayıflayıp gürültü içerisinde kaybolmaya yetecek bir seviye (bant genişliği gibi konulara şimdilik girmiyorum). Bu durumda, kabaca her 100 metrede bir yükselteç koyup yola devam etmek gerekirdi. Bu da sadece kurulum maliyeti değil, aynı zamanda elektrik tüketiminden dolayı ek işletme maliyeti de getirecekti.
Benzer bir hikayeyi Edison ile Tesla arasındaki mücadelede de görüyoruz aslında. Edison doğru akım kullanarak şehirleri elektrikle donatabileceğini düşünüyordu. Ama iletim hattındaki kayıplar buna engel oluyordu. Çok fazla trafo kurulup sürekli yükseltme ve gerilim düzenlemesi gerekiyordu. Doğal olarak alternatif akım kazandı ve bugün bütün dünyanın kullandığı tek sistem haline geldi.
Buraya kadar bir özet yapacak olursak ilk bakışta kablo kullanarak geniş bantlı bir haberleşme (hızlı haberleşme) uygulanabilirlik açısından pek mantıklı görünmüyor. Bunu şimdi telsiz iletişim mümkün olduğu için böyle kolayca söylüyorum. Telsiz iletişim bulunmamış olsaydı duvarlardan sarkan kablolara ya da toplantı masasındaki bir cihaza bilgisayarımızı bağlayıp internete giriyor veya telefon görüşmelerimizi yapıyor olacaktır. Düşünmesi bile can sıkıcı.
Şanslıyız ki değişken işaretlerin, ya da yüksek frekanslı işaretlerin iletimi konusu araştırılırken telsiz iletişimin de varlığı fark ediliyor. Bu konuyu da başka bir yazıya saklıyorum.
Şimdi konuya farklı bir açıdan bakalım. Kablolar kayıplı ama telsiz iletişim kayıpsız mı? Tabiki hayır. Ama adına kayıp (loss) demek pek uygun değil. Bildiğiniz gibi elektromanyetik dalgalar boşlukta yayılıyor ve yayıldıkça gücü de azalıyor. Bunu bir balona benzetebiliriz. Elinizde koyu kırmızı bir balon olduğunu düşünün. Balonu şişirdikçe balonun rengi de açılmaya başlayacaktır. Yani koyu renk genişleyen balon yüzeyi üzerinde dağılmaya başlar. Benzer şekilde, kaynaktan çıkan elektromanyetik dalga da havada yayıldıkça kaynaktaki (antenden çıktığı andaki) gücü giderek azalmaya başlayacak. Bu azalma da mesafenin karesiyle artacak. Yani kaynaktan iki metre uzaklaştığınızda, kaynaktan bir metre mesafedeki güçle karşılaştırdığınızda dört kat azalmış olarak.
Özetle havada bir kayıp olmuyor, işaretin gücü işaret daha büyük bir alana yayıldığı için zayıflıyor. Bu değişim miktarını hesaplamak için hazırlanan formülün adı hala “**Free space path loss” olsa da bir göz atmakta fayda var.
Hesaplarımıza başlayalım. 2,1 GHz taşıyıcı frekanslarında işaret iletmek istiyoruz. Bunu telle ve telsiz olarak yapsaydık hangi mesafede kablo kaybı ve havadaki zayıflama birbirine eşit olurdu? Bu hesap bize güzel bir karşılaştırma fırsatı verecek.
Bir işaretin havadaki zayıflama miktarı şu şekilde ifade edilir:
Bu denklemde “d” metre olarak mesafe, “f” ise MHz olarak frekans.
Denklemi çözdüğümde aşağı yukarı 114 metrede kablo kaybı ve havadaki zayıflama miktarı 80 dB civarında eşit oluyor. Aşağıdaki grafiğe baktığımızda ilginç bir durum görüyoruz (Şekli 2). 114 metreye kadar kablo kullanmak telsiz iletişimden daha az kayıplı :) Kurulum maliyetini ve kullanım zahmetini dikkate almazsak baz istasyonunda daha az güç gerekeceği için işletme maliyeti daha az olacak.
Şekil 2. İletim hatları karşılaştırması: Boşluk ve bir kablo
Cep telefonu ile baz istasyonu arasındaki haberleşme koşullarını dikkate alarak hesaplamaya devam edelim. Baz istasyonundan aşağı yukarı 10W (40 dBm) ortalama gücünde yayın yapıldığını varsayalım. Bir cep telefonunun iyimser bir hesapla -60 dBm gücündeki işareti algılayabildiğini varsayalım***. Bu durumda baz istasyonundan iki durum için de (kablo ve telsiz iletişim) ne kadar uzaklaşabiliriz hesaplayalım: [Baz istasyonu çıkış gücü] – [cep telefonunun algılama seviyesi] = 40 - ( -60) = 100 dB
Özetle, baz istasyonundan ne kadar uzaklaşırsak 100 dB zayıflama olur?
1) Kablo kullandığımızda: 100 (dB) / 0,7 (dB/m) = 142 metre
2) Telsiz iletişim: Cevap yukarıdaki denklemi kullanarak 1136 metre.
114 ile 1136 arasında aşağı yukarı 10 kat fark var. En iyimser hesaplamayla bile, 1136 metre öteye haberleşme işaretimizi kablo ile taşıyabilmek içib kablo kullansaydık 6-8 tane ara yükselteç gerekecekti. Diğer kullanıcılar için gerekli ek dağıtıcıları, güç kaynaklarını, soğutma ihtiyacını düşündüğümüzde işin içinden çıkılamaz bir karmaşıklık söz konusu olacaktı.
Şimdi haklı olarak diyebilirsiniz ki evlerimizdeki telefon hatlarını ve kablosuz TV kablolarını düşündüğümüzde böyle bir kurulum pek de imkansız görünmüyor. Evet, bence de haklısınız :) 5G ile birlikte neredeyse her 100-200 metrede bir baz istasyonu olacağını da düşünürsek, bu istasyonları birbirine ve ana aktarma merkezlerine bağlayacak fiberoptik kablolar ile her yer zaten başka bir tür kablo ile döşenmiş olacak. Konuyu biraz dağıtacak ama buradaki zor olan kısım, mevcut şehirlerin çok büyük kısmının böyle bir altyapı değişimine uygun olmaması. Sırf bu nedenle bile 5G’nin yayılması yıllar sürecek diye düşünüyorum. Şimdi bazı AVM ya da meydanlarda çoğu reklam amaçlı da olsa 5G görmeye başladık. Ama bütün sokaklara, yollara, iş merkezlerine ne kadar zamanda yayılacak hep birlikte göreceğiz.
Sonuç olarak, uydu haberleşmesi gibi telsiz iletişimin zorunlu olduğu alanları düşünmezsek, artık unutulmaya başlanan VHF/UHF TV ve FM radyo yayınlarını göz önüne aldığımızda, tek bir noktadan herkese ulaşmak bir zamanlar çok değerliydi. Elinize aldığınız küçük bir radyo ile dünyadan haber alabiliyor olmak büyük bir devrimdi. Teknoloji geliştikçe sadece haber almanın ötesine geçip bizler de veri gönderebilir hale geldik. İki yönlü iletişim dünyanın gidişatını gözle görülür bir şekilde değiştirmeye devam ediyor. Artık ıssız yerlerde kamp yaparken bile taşınabilir uydu haberleşme sisteminizi kurup (Starlink) karavanınızdan ya da çadırınızdan son çektiğiniz fotoğraflarızı takipçilerinizle paylaşabiliyorsunuz. Sanırım telsiz iletişimin en büyük üstünlüğü getirdiği esneklik. Bu sayede çok hızlı bir şekilde kabul gördü ve yayıldı. İstediğiniz yerde cebinizde taşıdığınız küçük bir cihazla bütün dünyayla bağlantıya geçebilmenin güzelliği kimse inkar edemez.
Telsiz iletişimi bugünlere getiren bütün bilim insanlarına, mühendislere ve firmalara teşekkür ederek yazımı sonlandırıyorum.
Kaynaklar:
# Maury Microwave internet sitesi
* 2,1 GHz seçmemin sebebi birçok ülkede 4G için aşağı yukarı bu bant kullanılıyor. Karşılaştırma ve değerlendirme açısından daha rahat.
** Wikipedia
*** Bu değer haberleşme işaretinin bant genişliğine doğrudan bağlıdır. Ben birkaç MHz işaret için internette bulduğum kaba bir rakamı kullandım. Taşıyıcı frekansa, işaret bant genişliğine ve modülasyon tipine bağlı ayrıntılı hesaplamalar ve cetveller internette kolaylıkla bulunabilir.
