Milimetre Dalgalarının Yayılım Karakteristikleri ve İletişim Üzerindeki Etkisi

Milimetre Dalgası İletişimi Yayılımının Temelleri

Milimetre dalgası (mmWave) 30-300 GHz bandında yapılan iletişim, yüksek veri hızı gerektiren 5G sistemlerinin anahtar bileşenidir. Geniş bantlı (~1 GHz) kanalların kullanımı, bu yöntemlerin artırılmış gerçeklik ve otonom araçlar gibi düşük gecikme gerektiren uygulamalar için ihtiyaç duyulan çok gigabit aktarım hızlarını sağlayabilmesini mümkün kılar. 2023 yılında Nature dergisinde yayınlanan bir rapor, yönlü antenler kullanıldığında mmWave ile 1 km mesafede 10 Gbps hızına ulaşılabildiğini göstermiştir; ancak yayılım karakteristikleri daha düşük frekanslardaki mikrodalgalardan oldukça farklıdır.

Açık alanda frekans karesiyle orantılı olan serbest yol kaybı, altı GHz altı bantlara göre 20-30 dB daha yüksek yol kayıplarına neden olur. Dış mekân çevresel sorunları bu durumu daha da kötüleştirir—yağmur, 60 GHz'de 5-15 dB/km zayıflamaya neden olabilir, beton gibi bina malzemeleri ise 40-60 dB'lik sinyal kaybına yol açar. Yaprak doku genellikle 10-20 dB sinyal kaybına neden olur ve açık bir alanda elde edilen güvenilirliğe ulaşmak için yaratıcı mühendislik çözümleri gerekir.

Fazlı dizi antenlerle ileri seviye ışın yönlendirme uygulamaları, yayılım kısıtlamalarını yönlendirilmiş iletim kanalları kurarak aşar. Bu yönlendirilmiş ışınlar sayesinde frekans uzayda yeniden kullanılabilir ve girişim azaltılabilir; bu da yoğun şehir içi dağıtımlarda önemli bir avantaj sağlar. En son mimariler, ortogonal çok taşıyıcılı modülasyon (OMM) ve kitlesel MIMO'nun hibrit yapılarını kullanarak, mmWave bantlarının frekans zenginliğini ve mikrodalga sistemlerinin dayanıklılığını değerlendirerek uçuşta maksimum verimliliği elde eden akıllı ağlar oluşturur.

Çevrenin MmWave İletişim Sinyallerine Etkisi

Milimetrik dalga (mmWave) iletişim sistemleri, farklı çalışma senaryolarında sinyal bütünlüğünü ciddi şekilde etkileyen eşsiz çevresel zorluklarla karşı karşıyadır.

Hava Durumuna Bağlı Sinyal Zayıflama Mekanizmaları

Yağmur, 60 GHz frekanslarda kilometre başına 20 dB'ye kadar zayıflamaya neden olur; kar ve sis faz uyumunu bozan ek dağılma etkilerine yol açar. Bu tür hava olayları, özellikle daha kısa dalgaboylarının partikül girişimlerine duyarlı olması nedeniyle, mmWave bağlantılarını alt frekanslı sistemlere göre daha fazla etkiler.

Bitki Örtüsü ve Bina Nüfuz Kayıpları Etkileri

Arazi ölçümleri, tek bir ağacın mmWave sinyallerini 35 dB zayıflattığını, yoğun yaprak örtüsünün sinyal gücünün %98'ini engellediğini göstermektedir. Kurşunlu cam gibi bina malzemeleri 28 GHz'de %40 iletim kaybına uğrar – mikrodalga frekanslarındaki değerin üç katı – yapısal engelleri aşmak için stratejik ağ planlaması gerektirir.

Yağmur Zayıflaması ve Atmosferik Soğurma Zorlukları

60 GHz'de oksijen emilimi, atmosferik kaybı 15 dB/km'ye çıkarır ve tropikal yağmur zayıflaması aşırı koşullarda 30 dB/km'yi geçebilir. Bu etkiler birlikte pratik dağıtım menzillerinin azalmasına neden olur, adaptif zayıflama payı hesaplamaları ve dinamik güç ayarlama protokolleri gerektirir.

Milimetre Dalga Haberleşmesinde Path Loss (Yol Kaybı) Modelleme

Serbest Alan vs. Şehirsel Yayılım Modelleri

Ortamına göre değişen özellikler gösteren milimetre dalga (mmWave) yayılım, serbest uzayda yol kaybı (FSPL), iletim mesafesinin karesiyle ters orantılı olarak ifade edilir, \(\frac{1}{R^2}\). Ancak şehirsel alanlarda kanal daha karmaşık etkileşimler oluşturur ve yol kaybı üsleri 2.5–4.5 (LOS) ve 4.7–9.2 (non-LOS) aralıklarında bulunur. 28 GHz’te yaprak kaybı 6–8 dB/m ve beton duvarlar 40–60 dB kayba neden olur. Kırınımla güç yönlendirmesi yapılmadığında şehirsel mmWave menzili bu engellerden dolayı teorik serbest uzay menzili olan 1–2 km’ye kıyasla 150–200 metreye kadar zayıflar. Uyarlanabilir anten dizileri, sinyal alınabilecek yollara güç yönlendirerek kısmen bu kayıpları karşılar; ancak uygulamada elde edilen menziller engel yoğunluğu ile belirlenir.

Frekansa Bağlı Zayıflama Karakteristikleri

Atmosferik soğurma, 24 GHz'de (su buharı nedeniyle) ve 60 GHz'de (oksijen nedeniyle) zirveye ulaşır ve mmWave sistemlerde ek 0.2–15 dB/km kayba neden olur. Orta şiddetli yağmurda, 30–40 GHz aralığında yağmur sönümlemesi 2–8 dB/km zayıflamaya yol açar. Aynı mesafelerde 24 GHz'e göre 73 GHz sinyallerinin serbest uzay kaybının FSPL denklemlerindeki \(f^2\) bağımlılığından dolayı 1.8 kat daha fazla olduğu göz ardı edilmemelidir. Bu durum kritik bir dengeyi oluşturur: Daha yüksek frekanslar daha geniş bant genişliklerine (2 GHz kanallar) olanak tanırken aynı zamanda 100 GHz'in altındaki aralıklara kıyasla 4 kat daha yoğun baz istasyonu dağıtımı gerektirir. Günümüzde gelişmiş malzemeler, örneğin düşük kayıplı dielektrikler ve metayüzey antenler sayesinde E-bandı frekanslarında %90 verimli bantlar mümkün olmakta ve bu sınırlamalar hafifletilmektedir.

Güvenilir İletişim için Görüş Hattı Gereksinimi

Milimetre dalgası (mmW) iletişim sistemleri, yüksek frekanslı çalışmaları nedeniyle (24–100 GHz) vericiler ile alıcılar arasında mükemmel hizalama gerektirir. Düşük frekans sinyalleri engellerin etrafında kırılabildiği halde, mmWave enerjisinin %60-90'ı engeller tarafından emilir (ITU 2023). Bu kısıtlama, 5G/6G senaryolarında çok gigabitlik aktarım hızlarını elde edebilmek için açık görüş hattının (LOS) zorunlu olduğunu göstermektedir.

İnsan Aktiviteleri ve Yapıların Yarattığı Engellemeler

Şehir içi ortamlar üç ana LOS bozucu içerir:

• Sabit engeller : Beton duvarlar mmWave sinyallerini 40–60 dB azaltırken, cam malzeme iletimi 15–25 dB zayıflatır
• Hareketli engeller : Tek bir yaya 20–35 dB sinyal kaybına yol açabilirken, araç trafiği 0,8–3,2 saniye süren aralıklı kesintiler oluşturur
• Çevresel dinamikler : Mevsimsel bitki örtüsü değişiklikleri yaprak doku zayıflamasını 12–18 dB oranında değiştirir

Bu etkiler, ortalama LOS kullanılabilirliğinin beamforming müdahaleleri olmadan %54-72'ye düştüğü yoğun şehirlerde birikerek artar.

NLOS Senaryoları için Işın Oluşturma Çözümleri

Faz dizisi antenler, engellerin aşılmasını sağlamak üzere 27 dBm eşdeğer izotropik radyasyon gücü (EIRP) ışın yönlendirmesi sağlar. Modern sistemler şu sonuçları elde eder:

• 1.2° ışın genişliği hassasiyeti için 1024 elemanlı anten kümeleri
• Yapay zekâ destekli RF yol tahmini kullanarak 3 ms altı ışın yeniden hizalama süresi
• duvar yansımaları aracılığıyla %78 NLOS (Işın Yolu Olmayan) güvenilirlik

2024 yılında yapılan bir İHA iletişim altyapısı çalışması, adaptif ışın oluşturma yönteminin sabit-sektör antenlerine kıyasla şehirsel kesinti olasılığını %63 azalttığını göstermiştir. Bu yöntem, tıkanıklık olayları sırasında QoS'yi korumak amacıyla gerçek zamanlı lidar haritalama ile dinamik spektrum paylaşımını birleştirir.

MmWave İletişimi için Kanal Modelleme Teknikleri

3D Uzaysal Yayılım Mekanizmaları

Milimetre dalga (mmWave) iletişim sistemlerinin sinyalin şehirsel öğelerle etkileşimini hem yükseklik hem de azimut düzlemlerinde anlayabilmesi için yüksek çözünürlüklü 3B uzaysal modeller gereklidir. Klasik 2B modellerin aksine, bina boyutlarını ve zamanla değişen engelleri örneğin genişletilmiş Saleh-Valenzuela modeli ile dahil ederek doğrudan görüş (LOS) olasılığını simüle etmek amacıyla istatistiksel modelleme tekniklerini kullanırlar. Bu modellerin farklı yapı geometrileri için 12–18 dB'lik kırınım kaybı değişimi tahmin ettiğini gösteriyoruz.

Çok Yollu Sönümleme ve Yansıma Analizi

MmWave'in kısa dalga boyları, yansıyan sinyallerin altı GHz sinyallerine kıyasla 6-9 dB zayıflama gösterdiği seyrek çok yollu kümeler oluşturur. İç mekan çalışmalarında saçılan enerjinin yalnızca %20-30'unun kullanılabilir çok yollu bağlantıya katkıda bulunduğu gösterilmiştir. Bu nedenle baskın yansıma yollarını yayılmış saçılıma tercih eden revize edilmiş istatistiksel modeller gereklidir.

Sektörel Çelişki: Yüksek Bant Genişliği ve Sınırlı Menzil Arasındaki Karşıtlık

MmWave bantları 400-800 MHz kanal bant genişliği sunarken, 28 GHz'deki boşluk kaybı 3 GHz'dekinden 29 dB daha yüksektir. Bu da ağların şehir merkezlerinde 150-200 metre aralıklarla küçük hücreler kurmasını zorunlu kılar; bu yoğunluk, mikrodalga tabanlı sistemlerden 4 kat daha yoğundur ve gigabit veri aktarım hızlarını korumak içindir.

Gerçek Dünyada Şehir İçi Kurulum Vakası

26 GHz frekanslarını kullanan Madrid metrosu denemesi, sinyal kesilmesini tahmin etme özelliğini gerçek zamanlı olarak ışın yönlendirme ile birleştirerek kalabalık istasyonlarda %94 güvenilirlik elde etmiştir. Ancak yaya hareketleri RSS’de 3-5 dB dalgalanmalara neden olmuş, bu da kamusal alanlarda yapay zeka destekli kanal adaptasyonuna duyulan ihtiyacı ortaya koymuştur.

Stratejik Ana İstasyon İletişim Ağlarının Planlanması

Sinyal Girişimini Azaltmak İçin Kurulum Yeri Seçimi

Baz istasyonlarının optimal olarak konumlandırılmasıyla, sinyaller engeller nedeniyle çok hızlı şekilde zayıflayan mm-dalga ağlarında girişim seviyesi en aza indirgenir. Kentsel alana yapılan kurulumlar, çevresel engelleme ve sinyal çakışmalarını gidermek için optimal yerleştirmeyi gerektirir. Karmaşık yayılım modellenmesi ile sistem planlayıcıları, çapraz kanal girişimini en aza indirgeyerek kapsama yoğunluğunu maksimize edecek alanları belirleyebilir. Alan seçiminde arazi bilincine dayalı yaklaşımın, eşit aralıklarla yerleştirme yöntemine kıyasla ölü bölgelerin sayısını %45 azaltabileceği ve ortalama çapın da %24 oranında daralmasına neden olabileceği tespit edilmiştir. Temel kriterler bina yoğunluğu ve yükseklik farkı etrafında şekillenmekte, mevcut altyapının haritalanması ise donanım yatırımı olmadan girişim bastırılmasına olanak sağlamaktadır.

Yakın Gelecek Eğilimleri: Hibrit RF-MmWave Mimarileri

MmWave teknolojisini altı GHz altı bantlarla entegre eden çift bantlı mimariler, geleceğin ağları için uygulanabilir adaylar olarak ortaya çıkmıştır. Bu hibrit mimari, yüksek verimlilikte yoğun şehir merkezleri için mmWave massive MIMO ile geniş banliyö/kırsal alanlarda RF frekansını bir araya getirir. Akıllı geçiş protokolleri, kullanıcıları mobiliteye ve hizmet profillerine göre bantlar arasında dinamik olarak tahsis eder. Sistem, yalnızca mmWave ağına göre %60 oranında kurulum yoğunluğunu azaltır ve geçiş sırasında gerekli QoS'u korur. Farklı arazilerde sürekli bağlantı gerektiren endüstriyel IoT uygulamaları için bu birleşik çözümün de umut verici olduğu kanıtlanmıştır.