gsm, umts ve lte frekans seçici Ölçümleri ve analizi

of 12/12
25 Makale Türü: Araştırma Makalesi Gönderim Tarihi: 16.05.2019 Kabul Tarihi: 04.07.2019 GSM, UMTS ve LTE Baz İstasyonu Sinyallerinin Oluşturduğu Maruziyetin Frekans Seçici Ölçümleri ve Analizi Frequency Selective Measurements and Analysis of Exposure to GSM / UMTS / LTE Base Station Signals Mustafa Çetintaş 1 , Cafer Bahadır Tektaş 2 , 1,2 TÜBİTAK Ulusal Metroloji Enstitüsü, Kocaeli, Türkiye [email protected], [email protected] Öz Günümüzde, elektromanyetik alanların sebep olduğu maruziyetin seviyesini ölçmek için yaygın olarak frekans seçici ölçüm yöntemi kullanılmaktadır. Ancak bu ölçümler uzmanlık gerektiren ve uygulamada farklı sonuçlar verebilen hassas ölçümlerdir. Bu nedenle, farklı GSM (Global System for Mobile Communication), UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) ve LTE (Long Term Evolution) baz istasyonu antenlerinden gelen sinyallerin RF maruziyetinin hassas bir şekilde ve frekans seçici olarak ölçülmesi ve değerlendirilmesi gerekmektedir. Bu amaçla, frekans seçici ölçüm yöntemi kullanılarak Almanya/Regensburg’da bulunan elektromanyetik kirlilik ölçümleri konusunda uzman, referans bir laboratuvar ile TÜBİTAK Ulusal Metroloji Enstitüsü (UME), Elektromanyetik Laboratuvarı arasında karşılaştırma ölçümleri gerçekleştirilmiştir. Çalışma kapsamında ölçümler, Almanya/Bayreuth'da 4 farklı bölgede bulunan baz istasyonlarında, her bölgede 2 ölçüm noktası seçilerek eş zamanlı olarak gerçekleştirilmiş ve değerlendirilmiştir. Dört farklı konumda bulunan, 8 farklı ölçüm noktasındaki bağıl farkın 0 dB ile 1.4 dB arasında olduğu belirlenmiştir. Elde edilen karşılaştırma sonucu verileri incelendiğinde her iki ölçüm ekibi tarafından oluşturulan ölçüm sonuçlarının iyi bir uyum içinde olduğu görülmüştür. Anahtar kelimeler: Elektromanyetik, Maruziyet, Frekans Seçici, Karşılaştırma, Ölçüm Abstract Nowadays, the frequency selective measurement method is commonly used to measure the level of exposure caused by electromagnetic fields. However, these measurements are sensitive measurements that require expertise and can give different results in practice. For this reason, the RF exposure of the signals from different GSM (Global System for Mobile Communication), UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) and LTE (Long Term Evolution) base station antennas needs to be measured sensitively as frequency selective and evaluated accurately. For this purpose, the comparison measurements were performed between the Electromagnetic Laboratory of TUBITAK National Metrology Institute (UME) and the reference laboratory, which are experts in electromagnetic pollution measurements situated in Germany/Regensburg by using frequency selective measurement method. Within the scope of study, the measurements were performed and evaluated simultaneously at 4 different locations of base stations in Bayreuth, Germany by selecting 2 measurement points in at each location. The relative difference in 8 different measuring points at the 4 different locations was determined to be between 0 dB and 1.4 dB. When the comparison result data were investigated, it was seen that the measurement results generated by both measurement teams were in good agreement. Keywords: Electromagnetic, Exposure, Frequency Selective, Comparison, Measurement 1. Giriş Elektromanyetik alanların sebep olduğu maruziyetin belirlenmesi için gerçekleştirilen elektromanyetik kirlilik ölçümlerinde yaygın olarak kullanılan iki ölçüm yöntemi bulunmaktadır. Bu yöntemlerden ilki, geniş bant alan problarının kullanımını gerektiren, basit ve hızlı ölçüm çözümler sunan geniş bant ölçüm yöntemidir. Geniş bant ölçümlerinde kullanılan alan probları çok geniş frekans aralığında, sahip oldukları izotropik yapı gereği prob içerisinde bulunan x, y ve z eksenlerinden her birinin ölçtüğü elektrik veya manyetik alan değerini, toplayarak tek bir değer olarak vermektedir. Ancak geniş bant alan probları, radyo, TV yayını veya baz istasyonları gibi farklı frekans aralıklarındaki radyasyonları sınıflandırmak üzere tasarlanmamıştır. Bu durum ölçülen elektromanyetik alan seviyesini maruziyet limitleriyle karşılaştırılması durumunda

Post on 13-Mar-2022

1 views

Category:

Documents

0 download

Embed Size (px)

TRANSCRIPT

GSM, UMTS ve LTE Baz stasyonu Sinyallerinin Oluturduu Maruziyetin Frekans Seçici Ölçümleri ve Analizi
Frequency Selective Measurements and Analysis of Exposure to GSM / UMTS / LTE Base Station Signals
Mustafa Çetinta1, Cafer Bahadr Tekta2, 1,2TÜBTAK Ulusal Metroloji Enstitüsü, Kocaeli, Türkiye
[email protected], [email protected]
Öz Günümüzde, elektromanyetik alanlarn sebep olduu maruziyetin seviyesini ölçmek için yaygn olarak frekans seçici ölçüm yöntemi kullanlmaktadr. Ancak bu ölçümler uzmanlk gerektiren ve uygulamada farkl sonuçlar verebilen hassas ölçümlerdir. Bu nedenle, farkl GSM (Global System for Mobile Communication), UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) ve LTE (Long Term Evolution) baz istasyonu antenlerinden gelen sinyallerin RF maruziyetinin hassas bir ekilde ve frekans seçici olarak ölçülmesi ve deerlendirilmesi gerekmektedir. Bu amaçla, frekans seçici ölçüm yöntemi kullanlarak Almanya/Regensburg’da bulunan elektromanyetik kirlilik ölçümleri konusunda uzman, referans bir laboratuvar ile TÜBTAK Ulusal Metroloji Enstitüsü (UME), Elektromanyetik Laboratuvar arasnda karlatrma ölçümleri gerçekletirilmitir. Çalma kapsamnda ölçümler, Almanya/Bayreuth'da 4 farkl bölgede bulunan baz istasyonlarnda, her bölgede 2 ölçüm noktas seçilerek e zamanl olarak gerçekletirilmi ve deerlendirilmitir. Dört farkl konumda bulunan, 8 farkl ölçüm noktasndaki bal farkn 0 dB ile 1.4 dB arasnda olduu belirlenmitir. Elde edilen karlatrma sonucu verileri incelendiinde her iki ölçüm ekibi tarafndan oluturulan ölçüm sonuçlarnn iyi bir uyum içinde olduu görülmütür.
Anahtar kelimeler: Elektromanyetik, Maruziyet, Frekans Seçici, Karlatrma, Ölçüm
Abstract Nowadays, the frequency selective measurement method is commonly used to measure the level of exposure caused by electromagnetic fields. However, these measurements are sensitive measurements that require expertise and can give different results in practice. For this reason, the RF exposure of the signals from different GSM (Global System for Mobile Communication), UMTS (Universal Mobile
Telecommunications System) and LTE (Long Term Evolution) base station antennas needs to be measured sensitively as frequency selective and evaluated accurately. For this purpose, the comparison measurements were performed between the Electromagnetic Laboratory of TUBITAK National Metrology Institute (UME) and the reference laboratory, which are experts in electromagnetic pollution measurements situated in Germany/Regensburg by using frequency selective measurement method. Within the scope of study, the measurements were performed and evaluated simultaneously at 4 different locations of base stations in Bayreuth, Germany by selecting 2 measurement points in at each location. The relative difference in 8 different measuring points at the 4 different locations was determined to be between 0 dB and 1.4 dB. When the comparison result data were investigated, it was seen that the measurement results generated by both measurement teams were in good agreement.
Keywords: Electromagnetic, Exposure, Frequency Selective, Comparison, Measurement
1. Giri Elektromanyetik alanlarn sebep olduu maruziyetin belirlenmesi için gerçekletirilen elektromanyetik kirlilik ölçümlerinde yaygn olarak kullanlan iki ölçüm yöntemi bulunmaktadr. Bu yöntemlerden ilki, geni bant alan problarnn kullanmn gerektiren, basit ve hzl ölçüm çözümler sunan geni bant ölçüm yöntemidir. Geni bant ölçümlerinde kullanlan alan problar çok geni frekans aralnda, sahip olduklar izotropik yap gerei prob içerisinde bulunan x, y ve z eksenlerinden her birinin ölçtüü elektrik veya manyetik alan deerini, toplayarak tek bir deer olarak vermektedir. Ancak geni bant alan problar, radyo, TV yayn veya baz istasyonlar gibi farkl frekans aralklarndaki radyasyonlar snflandrmak üzere tasarlanmamtr. Bu durum ölçülen elektromanyetik alan seviyesini maruziyet limitleriyle karlatrlmas durumunda
106
EMO Bilimsel Dergi, Cilt 8, Say 2, Aralk 2018 TMMOB Elektrik Mühendisleri Odas
2 2 2


Burada, k dalga numarasdr. Denklemin çözümü için ikinci varsaym, fonksiyonun deikenler üzerinde dalabilir olduudur. Baka bir deyile: . , , .rf r f r f f (2)
Böylelikle, (2) ve (1) bantlar kullanlarak üç farkl datlm denklem elde edilir:
2 2 2 1 0,r r
d fr k r n n f dr r
(3)
2
2
f mn n f
Bu durumda, (3) bantsnn çözümü küresel Bessel fonksiyonlar olup, bu fonksiyonlar sradan Bessel fonksiyonlar ile ortak özelliklere sahiptir. [7] Buna ilaveten, dorusal kombinasyonlar birinci ve ikinci dereceden küresel Hankel fonksiyonlarn verecektir: 1 ,n n nh j kr iy kr (6)
2 .n n nh j kr iy kr (7)
Küresel Bessel fonksiyonlarnn nb kr sradan Bessel fonksiyonlar nB kr cinsiden tanmlamak gerekirse:
. 1 2
. 2n n
(8)
EM alann, küre içerisinde ve/veya dnda Bessel ve Hankel fonksiyonlar cinsinden tanmlamak için, bu fonksiyonlarn asimptotik davranlarn incelemek gerekir [8]. Kabaca, küre içerisinde ki EM alan temsili için nj kr kullanlmaldr çünkü 0r için nj kr sonlu olup; r için sinüzoidal yapdadr. Dolaysyla bu fonksiyon, duraan tipi bir dalga tanm için uygudur. Dier taraftan, r için birinci dereceden Hankel fonksiyonlar (1)
nh kr ma koullarn saladndan; dar doru uzak alandaki dalgalarn temsili için kullanlrlar. Öte yandan, (4) bantsnn çözümü ile bütünleik Legendre fonksiyonlar cos , cosm m
n nP Q elde edilecektir [8]. Bu fonksiyonlar 0 ve için tekil olduklarndan, 0, aral için sonlu bir dalga fonksiyonu tanmlayabilmek adna: cos .m
nf P (9)

f m P z kr

(11)
(11) bantsnda gösterilen nz kr EM dalgann konumuna göre küresel Bessel ya da birinci dereceden küresel Hankel fonksiyonunu temsil eder. laveten, (11) bantsnda verilmi olan m ve n birer tam saydr ve her bir terim karlkl olarak birbirlerine diktir [8]. Böylelikle, (1) bantsnda verilmi Helmholtz denklemini salayabilen herhangi bir fonksiyon, (11) bantsnda tanml fonksiyonlarca seri açlm yaplarak tanmlanabilir [8-9].
2.2 Vektörel Dalga Denklemi ve Küresel Harmonikler

, , ,
, , ,
(12)
(12) bantsna bakarak her üç vektörün birbirlerine dik olduu aikardr. L vektörünün rotasyoneli ve diverjans için:
2 2
Buna ilaveten, M ve N vektörlerinin alan çizgileri daireseldir; dier bir deyile, diverjanslar sfrdr. 0.M N (14) (12), (13) ve (14) bantlarnn sonuçlarna bakarak, herhangi bir dalga fonksiyonu yukarda tanmlanan vektörel fonksiyonlarn dorusal kombinasyonlar olarak sunulabilir. Ayrca, bo uzayda ki düzlem EM alanlar, diverjanslar sfr ve birbirlerinin rotasyoneli olarak tanmlanabileceinden, M ve N vektörleri, elektrik alan E r ve manyetik alan H r
tanmlar için yeterli ve uygundurlar. Eer en bata tanmlanan sabit ve birim uzunlukta ki c vektörü, kürenin radyal birim vektörü olan re olarak kabul edilirse, bu durumda, M ve N vektörleri, seçilecek o küre için teet olacaklardr. (11) bantsnda gösterilen skaler fonksiyonun tek ve çift bileenlerine bal kalarak, (12) bantsnda tanmlanan vektörlerinin tek ve çift bileenleri için,
EMO Bilimsel Dergi, Cilt 9 Say 1, Haziran 2019 TMMOB Elektrik Mühendisleri Odas
26 106
EMO Bilimsel Dergi, Cilt 8, Say 2, Aralk 2018 TMMOB Elektrik Mühendisleri Odas
2 2 2


Burada, k dalga numarasdr. Denklemin çözümü için ikinci varsaym, fonksiyonun deikenler üzerinde dalabilir olduudur. Baka bir deyile: . , , .rf r f r f f (2)
Böylelikle, (2) ve (1) bantlar kullanlarak üç farkl datlm denklem elde edilir:
2 2 2 1 0,r r
d fr k r n n f dr r
(3)
2
2
f mn n f
Bu durumda, (3) bantsnn çözümü küresel Bessel fonksiyonlar olup, bu fonksiyonlar sradan Bessel fonksiyonlar ile ortak özelliklere sahiptir. [7] Buna ilaveten, dorusal kombinasyonlar birinci ve ikinci dereceden küresel Hankel fonksiyonlarn verecektir: 1 ,n n nh j kr iy kr (6)
2 .n n nh j kr iy kr (7)
Küresel Bessel fonksiyonlarnn nb kr sradan Bessel fonksiyonlar nB kr cinsiden tanmlamak gerekirse:
. 1 2
. 2n n
(8)
EM alann, küre içerisinde ve/veya dnda Bessel ve Hankel fonksiyonlar cinsinden tanmlamak için, bu fonksiyonlarn asimptotik davranlarn incelemek gerekir [8]. Kabaca, küre içerisinde ki EM alan temsili için nj kr kullanlmaldr çünkü 0r için nj kr sonlu olup; r için sinüzoidal yapdadr. Dolaysyla bu fonksiyon, duraan tipi bir dalga tanm için uygudur. Dier taraftan, r için birinci dereceden Hankel fonksiyonlar (1)
nh kr ma koullarn saladndan; dar doru uzak alandaki dalgalarn temsili için kullanlrlar. Öte yandan, (4) bantsnn çözümü ile bütünleik Legendre fonksiyonlar cos , cosm m
n nP Q elde edilecektir [8]. Bu fonksiyonlar 0 ve için tekil olduklarndan, 0, aral için sonlu bir dalga fonksiyonu tanmlayabilmek adna: cos .m
nf P (9)

f m P z kr

(11)
(11) bantsnda gösterilen nz kr EM dalgann konumuna göre küresel Bessel ya da birinci dereceden küresel Hankel fonksiyonunu temsil eder. laveten, (11) bantsnda verilmi olan m ve n birer tam saydr ve her bir terim karlkl olarak birbirlerine diktir [8]. Böylelikle, (1) bantsnda verilmi Helmholtz denklemini salayabilen herhangi bir fonksiyon, (11) bantsnda tanml fonksiyonlarca seri açlm yaplarak tanmlanabilir [8-9].
2.2 Vektörel Dalga Denklemi ve Küresel Harmonikler

, , ,
, , ,
(12)
(12) bantsna bakarak her üç vektörün birbirlerine dik olduu aikardr. L vektörünün rotasyoneli ve diverjans için:
2 2
Buna ilaveten, M ve N vektörlerinin alan çizgileri daireseldir; dier bir deyile, diverjanslar sfrdr. 0.M N (14) (12), (13) ve (14) bantlarnn sonuçlarna bakarak, herhangi bir dalga fonksiyonu yukarda tanmlanan vektörel fonksiyonlarn dorusal kombinasyonlar olarak sunulabilir. Ayrca, bo uzayda ki düzlem EM alanlar, diverjanslar sfr ve birbirlerinin rotasyoneli olarak tanmlanabileceinden, M ve N vektörleri, elektrik alan E r ve manyetik alan H r
tanmlar için yeterli ve uygundurlar. Eer en bata tanmlanan sabit ve birim uzunlukta ki c vektörü, kürenin radyal birim vektörü olan re olarak kabul edilirse, bu durumda, M ve N vektörleri, seçilecek o küre için teet olacaklardr. (11) bantsnda gösterilen skaler fonksiyonun tek ve çift bileenlerine bal kalarak, (12) bantsnda tanmlanan vektörlerinin tek ve çift bileenleri için,
EMO Bilimsel Dergi, Cilt 9 Say 1, Haziran 2019 TMMOB Elektrik Mühendisleri Odas
sorunlara neden olmaktadr [1]. Ayrca baz istasyonlar gibi modülasyonlu ve sinyal gücünün hzl deitii sinyaller ölçülürken okuma hatalar ortaya çkabilmektedir. Geni bant ölçüm yönteminin sahip olduu bu dezavantajlar nedeniyle elektromanyetik kirlilik ölçümlerinde kullanlmas sakncal olabilmektedir. Bu noktada karmza dier bir ölçüm yöntemi olan ve çalmann temelini oluturan frekans seçici ölçümler çkmaktadr [2,3]. kinci yöntem olan frekans seçici ölçümlerde, güvenlik analizi ve yüksek frekansl elektromanyetik alanlarn çevresel ölçümleri için kompakt frekans seçici ölçüm cihazlar kullanlmaktadr. Bu yöntem ile geni bir frekans band içerisindeki istenilen bir frekans aral bölgesi ölçülebilir [4]. Cihazn sahip olduu frekans bilgisi sayesinde ölçülen her sinyale ait ölçüm sonucu görüntülenmekte ve böylece frekansa karlk gelen limitler de kolaylkla uygulanabilmektedir. Frekans seçici ölçüm cihazlar kullanlarak yaplacak frekans seçici ölçümler ile birçok mobil telefon servis salaycsnn ortak anten gruplarn kullandklar mekânlar olarak adlandrlan baz istasyonlar ve ihtiva ettikleri alanlarn bilinmedii benzeri ortamlarda, hem toplam alan seviyesi hem de her bir tekil servis salaycsnn toplam alan içindeki pay gerek mutlak deer gerekse izin verilen seviyenin yüzdesi olarak gösterilebilir. Bu sayede her servis kendi kanallarna çözümlenir ve her kanaln toplam alan yaym içerisindeki pay ölçülebilir. Frekans seçici ölçümlerde kullanlan cihazlar genel olarak bir spektrum analizörün evrensel olarak kullanlan genel özelliklerini tarlar. Birden fazla ölçüm modlar bulunmakta ve sahip olduklar bu modlar ile baz istasyonlarndan yaylan GSM, UMTS ve LTE sinyallerini çok hassas bir ekilde ölçebilir ve yüksek kesinlikle hesaplayabilirler [5]. Bu çalmada frekans seçici ölçüm cihaz ve cihazn içerisinde bulunan spektral ölçüm modu ve kod çözücü ölçüm modu kullanlarak, referans bir laboratuvar ile karlatrma ölçümleri yaplmtr. Ölçümler, Almanya/Bayreuth'da 4 farkl baz istasyonunda e zamanl olarak gerçekletirilmitir. Her lokasyonda 2 ölçüm noktas seçilmi ve tüm ölçüm noktalar baz istasyonu antenlerine dorudan bakan d mekan noktalar olarak belirlenmitir. Ölçümü gerçekletirilen her noktaya ait ölçüm sonucu için paralel deerlendirmeler ve hesaplamalar yaplmtr. Son olarak her iki laboratuvar tarafndan elde edilen ölçüm sonuçlar karlatrlmtr.
2. Baz stasyonlar RF radyo vericileri etrafnda ölçülen maruziyet deerleri genellikle elektrik alan iddeti E (V/m), manyetik alan iddeti H (A/m) veya güç ak younluu S (W/m2) olarak verilir. Bir vericinin uzak alannda, elektrik ve manyetik alan iddeti ve güç younluu sabit bir oranla birletirilir. Cep telefonu baz istasyonlar etrafndaki ölçümler, genellikle baz istasyonundan yeterince uzakta gerçekletirildii için uzak alan koullar kabul edilebilir [6]. Bu nedenle maruz kalma deerlendirmesi yaplrken denklik (1)’de belirtildii gibi bu üç büyüklükten elektrik alann ölçülmesi yeterlidir. Özel olarak belirtilmedii sürece, maruz kalma seviyelerinin her zaman RMS deeri olarak verildii ve maruz kalma snrlarnn frekansa bal olduu belirtilmelidir. Çoklu sinyal ve çoklu frekansl ortamlarda, her bir sinyal, karlk



ölçülen
ölçülenölçülen
(2) Frekans seçici yöntem ile ölçümü gerçekletirilen baz istasyonlarnn yapsna baktmzda, ekil 1’de görüldüü gibi genel olarak her biri 120°’lik açya sahip üç antenle, 360° derecelik bir alan kapsayan sektör antenlerden olumaktadr. Her bir baz istasyonunda genellikle 3 sektör anten bulunurken, her bir sektör antende ise ekil 2’deki gibi aralarnda 180° olan 2 anten veya aralarnda 90° olan 4 anten bulunmaktadr [9,10].
ekil 1. Baz istasyonu sektör antenleri
27
GSM, UMTS ve LTE Baz stasyonu Sinyallerinin Oluturduu Maruziyetin Frekans Seçici Ölçümleri ve Analizi Frequency Selective Measurements and Analysis of Exposure to GSM / UMTS / LTE Base Station Signals
Mustafa Çetinta , Cafer Bahadr Tekta
ekil 2. Baz istasyonu sektör antenlerinin iç yaps [11]
Baz istasyonlar, sahip olduu anten yapsnn yan sra, hizmet ettii bölge ve konuma göre farkl trafik kapasitelerine, farkl sinyal güçlerine ve farkl güç üretimlerine sahiptirler. Bu durum her baz istasyonunun farkl bir elektromanyetik maruziyet seviyesine sahip olmasna neden olur [12]. Ancak elektromanyetik maruziyet ölçümünde en önemli olan nokta baz istasyonunun hangi hücresel haberleme sistemlerini bünyesinde bulundurduunun frekans seçici olarak tespit edilebilmesidir. Günümüzde, hücresel mobil baz istasyonlar GSM (2G), UMTS (3G) ve LTE (4G) haberleme teknolojilerini içermektedir. Baz istasyonlar sahip olduklar sektör antenler ile bu üç teknolojiyi ayr ayr veya ayn anda servis edebilir [13]. Ancak, GSM, UMTS ve LTE sinyalleri ayn anda tek bir baz istasyonu üzerinden yayn gerçekletirseler de, sahip olduklar farkl frekans aralklar, modülasyon tipleri, kanal ve sinyal bant genilikleri gibi özelliklerinden dolay elektromanyetik maruziyet ölçümleri srasnda her birinin ayr ayr ölçülmesi gerekmektedir. Bu noktada yaplmas gereken frekans seçici olarak ölçümleri gerçekletirebilen ölçüm cihazlarn, ölçümü yaplacak sinyale uygun ayarlarn yaparak kullanmaktr. Frekans seçici ölçümler srasnda dikkat edilmesi gereken bir dier nokta ise ölçüm tekniidir. Farkl ölçüm teknikleri olmasna ramen en çok kullanlan teknik, tarama yöntemi (sweeping method) dir. Bu teknikte frekans seçici ölçüm cihaz manuel olarak yönlendirilir ve hacim taramas yaplarak ölçümler gerçekletirilir. Tarama srasnda, izotropik anten farkl polarizasyonlarda ölçüm alacak ekilde gezdirilir. Ölçümlerde, en az bir insan boyu kadar yükseklikte belirli bir alan maksimum seviyeyi bulmak için taranr. Ölçümün gerçekletirilecei noktann yanstc yüzeylerden en az 50 cm uzakta olmas gerekmektedir [14].
2.1. GSM Baz stasyonlar GSM (Global System for Mobile Communication) baz istasyonlar ses ve veri sinyallerini iletmek için çeitli teknikleri bir araya getiren tipik olarak 3 sektör antenden olumaktadr. GSM, 200 kHz sinyal bant geniliine sahip birkaç frekans kanal (tayc) kullanr. Bu frekans kanallarnn her biri sekiz zaman aral (veya zaman kanal) içerir. Her zaman dilimi (darbe genilii = 577µs, darbe periyodu = 4600µs) sadece bir ses kanal tar, bu nedenle teorik olarak en fazla 8 telefon bir verici frekans ile servis edilebilir (TDMA = zaman bölmeli çoklu eriim). Her bir GSM baz istasyonu, a ve baz istasyonunun kendisi hakknda bilgiler içeren bir baz kanal salar [15]. Bu kanal belirli bir frekans bandn kaplar ve Broadcast Control Channel (BCCH) olarak adlandrlr. Pratik olarak sabit alan iddetinde iletilir. Ses ve veri sinyallerini iletmek için buna trafik kanallar (TCH) ad verilen bir veya daha fazla frekans kanal eklenir. Bu kanallarn alan iddeti yüke göre deiir ve tamamen kapatlabilirler [16,17]. Mevcut bir balantnn kesintisiz olarak farkl frekans kanallarna geçirildii durumlarda frekans atlamas da mümkündür. Frekans seçici ölçüm cihazlar kullanlarak gerçekletirilecek GSM baz istasyonu ölçümlerinde downlink frekans bandndaki BCCH frekans kanallar biliniyorsa ölçüm cihaznn spektrum analiz
modunda ölçümleri kolaylkla yaplabilir. Eer frekans bilgisi bulunmuyor ise, BCCH kanal frekanslarnn alan güçleri TCH kanallarna kyasla çok daha dengeli olmas nedeniyle spektrumda kolayca tannabilirler [18]. Bunun için frekans seçici ölçüm cihaz ile spektral modda maksimum ve minimum iaret seviyelerine baklarak ekil 3’deki gibi spektrumda gücü sabit kalan frekanslar BCCH kanal olarak tespit edilir. BCCH kanal frekanslar belirlendikten sonra, spektrumu tek tek kanallara ayrtrmak için yeterli çözünürlük bant genilii, video bant genilii, detektör tipi vb. ayarlamalar ölçüm cihaz üzerinden ayarlanr ve her bir sektör anten için, hücrenin izin verilen maksimum güç düzeyinde (Pmax) çaltrlmad durumda, denklik (3) kullanlarak EBCCH elektrik alan iddeti hesaplanr.
antBCCH
ekil 3. BCCH kanal frekanslarnn tespiti
zin verilen maksimum çk gücü Pmax seviyesinin gerçek PBCCH güç seviyesine orann belirlemek için servis salaycs tarafndan verilen bilgiye ihtiyaç vardr. Tüm trafik kontrol kanallar (TCH) tam olarak yüklenmise ortaya çkacak olan hücrenin toplam alan iddeti Emax, denklik (4)’teki gibi BCCH'n alan gücünün ekstrapolasyunu ile elde edilir.
nEE maksBCCHmaks _ (4) Burada n, BCCH dahil olmak üzere toplam trafik kanal saysdr. Ancak mümkünse ölçümlerden önce muhtemel trafik kanal says servis salaycs tarafndan alnmaldr. Tipik olarak, bir salaycdan üç BCCH ve belirli bir alan için ölçülecek dier salayclardan gelen olas BCCH kanallar olacaktr. Bu durumda GSM band için toplam alan maruziyeti seviyesi denklik (5)’teki gibi olmaldr.
106
EMO Bilimsel Dergi, Cilt 8, Say 2, Aralk 2018 TMMOB Elektrik Mühendisleri Odas
2 2 2


Burada, k dalga numarasdr. Denklemin çözümü için ikinci varsaym, fonksiyonun deikenler üzerinde dalabilir olduudur. Baka bir deyile: . , , .rf r f r f f (2)
Böylelikle, (2) ve (1) bantlar kullanlarak üç farkl datlm denklem elde edilir:
2 2 2 1 0,r r
d fr k r n n f dr r
(3)
2
2
f mn n f
Bu durumda, (3) bantsnn çözümü küresel Bessel fonksiyonlar olup, bu fonksiyonlar sradan Bessel fonksiyonlar ile ortak özelliklere sahiptir. [7] Buna ilaveten, dorusal kombinasyonlar birinci ve ikinci dereceden küresel Hankel fonksiyonlarn verecektir: 1 ,n n nh j kr iy kr (6)
2 .n n nh j kr iy kr (7)
Küresel Bessel fonksiyonlarnn nb kr sradan Bessel fonksiyonlar nB kr cinsiden tanmlamak gerekirse:
. 1 2
. 2n n
(8)
EM alann, küre içerisinde ve/veya dnda Bessel ve Hankel fonksiyonlar cinsinden tanmlamak için, bu fonksiyonlarn asimptotik davranlarn incelemek gerekir [8]. Kabaca, küre içerisinde ki EM alan temsili için nj kr kullanlmaldr çünkü 0r için nj kr sonlu olup; r için sinüzoidal yapdadr. Dolaysyla bu fonksiyon, duraan tipi bir dalga tanm için uygudur. Dier taraftan, r için birinci dereceden Hankel fonksiyonlar (1)
nh kr ma koullarn saladndan; dar doru uzak alandaki dalgalarn temsili için kullanlrlar. Öte yandan, (4) bantsnn çözümü ile bütünleik Legendre fonksiyonlar cos , cosm m
n nP Q elde edilecektir [8]. Bu fonksiyonlar 0 ve için tekil olduklarndan, 0, aral için sonlu bir dalga fonksiyonu tanmlayabilmek adna: cos .m
nf P (9)

f m P z kr

(11)
(11) bantsnda gösterilen nz kr EM dalgann konumuna göre küresel Bessel ya da birinci dereceden küresel Hankel fonksiyonunu temsil eder. laveten, (11) bantsnda verilmi olan m ve n birer tam saydr ve her bir terim karlkl olarak birbirlerine diktir [8]. Böylelikle, (1) bantsnda verilmi Helmholtz denklemini salayabilen herhangi bir fonksiyon, (11) bantsnda tanml fonksiyonlarca seri açlm yaplarak tanmlanabilir [8-9].
2.2 Vektörel Dalga Denklemi ve Küresel Harmonikler

, , ,
, , ,
(12)
(12) bantsna bakarak her üç vektörün birbirlerine dik olduu aikardr. L vektörünün rotasyoneli ve diverjans için:
2 2
Buna ilaveten, M ve N vektörlerinin alan çizgileri daireseldir; dier bir deyile, diverjanslar sfrdr. 0.M N (14) (12), (13) ve (14) bantlarnn sonuçlarna bakarak, herhangi bir dalga fonksiyonu yukarda tanmlanan vektörel fonksiyonlarn dorusal kombinasyonlar olarak sunulabilir. Ayrca, bo uzayda ki düzlem EM alanlar, diverjanslar sfr ve birbirlerinin rotasyoneli olarak tanmlanabileceinden, M ve N vektörleri, elektrik alan E r ve manyetik alan H r
tanmlar için yeterli ve uygundurlar. Eer en bata tanmlanan sabit ve birim uzunlukta ki c vektörü, kürenin radyal birim vektörü olan re olarak kabul edilirse, bu durumda, M ve N vektörleri, seçilecek o küre için teet olacaklardr. (11) bantsnda gösterilen skaler fonksiyonun tek ve çift bileenlerine bal kalarak, (12) bantsnda tanmlanan vektörlerinin tek ve çift bileenleri için,
EMO Bilimsel Dergi, Cilt 9 Say 1, Haziran 2019 TMMOB Elektrik Mühendisleri Odas
28 106
EMO Bilimsel Dergi, Cilt 8, Say 2, Aralk 2018 TMMOB Elektrik Mühendisleri Odas
2 2 2


Burada, k dalga numarasdr. Denklemin çözümü için ikinci varsaym, fonksiyonun deikenler üzerinde dalabilir olduudur. Baka bir deyile: . , , .rf r f r f f (2)
Böylelikle, (2) ve (1) bantlar kullanlarak üç farkl datlm denklem elde edilir:
2 2 2 1 0,r r
d fr k r n n f dr r
(3)
2
2
f mn n f
Bu durumda, (3) bantsnn çözümü küresel Bessel fonksiyonlar olup, bu fonksiyonlar sradan Bessel fonksiyonlar ile ortak özelliklere sahiptir. [7] Buna ilaveten, dorusal kombinasyonlar birinci ve ikinci dereceden küresel Hankel fonksiyonlarn verecektir: 1 ,n n nh j kr iy kr (6)
2 .n n nh j kr iy kr (7)
Küresel Bessel fonksiyonlarnn nb kr sradan Bessel fonksiyonlar nB kr cinsiden tanmlamak gerekirse:
. 1 2
. 2n n
(8)
EM alann, küre içerisinde ve/veya dnda Bessel ve Hankel fonksiyonlar cinsinden tanmlamak için, bu fonksiyonlarn asimptotik davranlarn incelemek gerekir [8]. Kabaca, küre içerisinde ki EM alan temsili için nj kr kullanlmaldr çünkü 0r için nj kr sonlu olup; r için sinüzoidal yapdadr. Dolaysyla bu fonksiyon, duraan tipi bir dalga tanm için uygudur. Dier taraftan, r için birinci dereceden Hankel fonksiyonlar (1)
nh kr ma koullarn saladndan; dar doru uzak alandaki dalgalarn temsili için kullanlrlar. Öte yandan, (4) bantsnn çözümü ile bütünleik Legendre fonksiyonlar cos , cosm m
n nP Q elde edilecektir [8]. Bu fonksiyonlar 0 ve için tekil olduklarndan, 0, aral için sonlu bir dalga fonksiyonu tanmlayabilmek adna: cos .m
nf P (9)

f m P z kr

(11)
(11) bantsnda gösterilen nz kr EM dalgann konumuna göre küresel Bessel ya da birinci dereceden küresel Hankel fonksiyonunu temsil eder. laveten, (11) bantsnda verilmi olan m ve n birer tam saydr ve her bir terim karlkl olarak birbirlerine diktir [8]. Böylelikle, (1) bantsnda verilmi Helmholtz denklemini salayabilen herhangi bir fonksiyon, (11) bantsnda tanml fonksiyonlarca seri açlm yaplarak tanmlanabilir [8-9].
2.2 Vektörel Dalga Denklemi ve Küresel Harmonikler

, , ,
, , ,
(12)
(12) bantsna bakarak her üç vektörün birbirlerine dik olduu aikardr. L vektörünün rotasyoneli ve diverjans için:
2 2
Buna ilaveten, M ve N vektörlerinin alan çizgileri daireseldir; dier bir deyile, diverjanslar sfrdr. 0.M N (14) (12), (13) ve (14) bantlarnn sonuçlarna bakarak, herhangi bir dalga fonksiyonu yukarda tanmlanan vektörel fonksiyonlarn dorusal kombinasyonlar olarak sunulabilir. Ayrca, bo uzayda ki düzlem EM alanlar, diverjanslar sfr ve birbirlerinin rotasyoneli olarak tanmlanabileceinden, M ve N vektörleri, elektrik alan E r ve manyetik alan H r
tanmlar için yeterli ve uygundurlar. Eer en bata tanmlanan sabit ve birim uzunlukta ki c vektörü, kürenin radyal birim vektörü olan re olarak kabul edilirse, bu durumda, M ve N vektörleri, seçilecek o küre için teet olacaklardr. (11) bantsnda gösterilen skaler fonksiyonun tek ve çift bileenlerine bal kalarak, (12) bantsnda tanmlanan vektörlerinin tek ve çift bileenleri için,
EMO Bilimsel Dergi, Cilt 9 Say 1, Haziran 2019 TMMOB Elektrik Mühendisleri Odas
%100
(5) Burada n, BCCH kanallarnn saysdr. Formüle bakldnda, Emax,n, her bir frekans kanal için ekstrapolasyonlu alan iddetini, EGn, frekansa uygulanacak limit deeri, TEQE ise toplam maruz kalma orann göstermektedir [19].
2.2. UMTS Baz stasyonlar UMTS (3G) (Universal Mobile Telecommunications System), üçüncü nesil cep telefonu standarddr. , UMTS ile GSM (2G) karlatrldnda, deiken ve çok daha yüksek veri aktarm hzna sahip olduu görülür. Daha yüksek bir veri hz daha ksa bir spektrum aral ile birletiinden, daha yüksek bir verici istasyon younluu gereklidir. UMTS ve GSM gibi kablosuz servisler genellikle ayn anten konumunu paylatklar için UMTS'ye bal toplam saha maruziyet seviyesinin oran sadece frekans seçici ölçümle belirlenebilir [6,20]. UMTS, ses ve veri sinyallerini iletmek için geni bant kod bölmeli çoklu eriim prosedürünü (W- CDMA) kullanr. Her bir ses ve veri kanal farkl kodlarla ayn frekans bandnda iletilebilir. Her salayc, ekil 4’teki gibi her biri 5 MHz bant geniliine sahip bir veya daha fazla frekans kanal kullanabilir. Her UMTS baz istasyonu bu frekans kanallarndan birinde çalr. Böylece, birçok hücre ayn frekans kullanabilmektedir. UMTS sinyallerinin iki farkl modu bulunmaktadr. Bunlar, uplink ve downlink için ortak tek bir frekans kanalnn kullanld FDD modu ve ayr kanallarn kullanld TDD modudur. TDD nadiren kullanlmaktadr, genellikle FDD modu kullanlr [21].
ekil 4. UMTS sinyaline ait örnek bir spektrum
UMTS kanallarnn frekans seçici spektral ölçümüne bakldnda her bir kanala ait spektrumun merkez frekans (fc) belirlenip anlk olarak ölçüldüünde doru sonucu verecektir. Ancak buradaki sonuç baz koullar altnda doru
olarak kabul edilebilir. Bir spektrum ölçümü ile yalnzca her bir frekans kanalnn toplam alan gücü tespit edilebilirken, her antenin bireysel katksn ayrma imkân yoktur. Örnein baz istasyonu antenlerinden herhangi biri yayn yapmad takdirde bu durum spektral ölçüm ile fark edilemeyebilir. Ölçümü yaplacak UMTS spektrumunda komu kanallar var ise spektrum analiz modunda bireysel kanallarn ayrlmas zorlar veya imkânsz hale gelir. Bu nedenle spektral ölçüm ile UMTS kanallarnn ölçümü ancak "trafik yükü yok" varsaym altnda gerçekletirilebilir [22]. Operatör tarafndan verilmesi gereken ekstrapolasyon faktörünün (K) bilindii ve trafik yükünün olmad varsayld durumda ölçülen sinyal, Pmin olarak kabul edilirse, spektrumun maksimum gücü Pmax denklik (6)’ da ki gibi bulunur.
minPKPmaks (6) Denklik (6), “trafik yükü yok” varsaymn kulland için maksimum trafiin kaba bir tahminini vermekte olup, özellikle trafik varken, gerçek maruziyetin daha fazla tahmin edilmesine sebep olabilmektedir. UMTS maruziyetinin belirlenmesinde spektral ölçümünün bu dezavantajlarndan kaçnmak için çok daha hassas bir metot olan kod çözücü ölçüm metodu kullanlmaktadr. UMTS baz istasyonlarnda ayr ses ve veri kanallarndaki bilgiler, bir kanalizasyon kodu tarafndan ayr ayr kodlanr ve ekil 5’teki gibi ayn anda 5 MHz’lik bir tam sinyal bant genilii üzerinden yaylr. Bir hücrenin downlink'teki tüm bilgi ak tekrar bir kartrma kodu (Scrambling code) kullanlarak kartrlr. Anten bana bir P-CPICH kanal (Birincil Ortak Pilot Kanal), multipleks sinyale gömülür. Bu kanal sabit bir güç seviyesinde ve sürekli olarak iletilir. Bu kanaln alan iddeti kod çözme yoluyla ölçülebilir ve kartrma kodu vastasyla belirli bir hücreye atanabilir. Bu deer, “en kötü durum” senaryosunu, yani hücre kapasitesi tamamen kullanldnda maksimum alan iddetini tahmin etmek için kullanlabilir.
ekil 5. Ayn frekans kanal içerisinde kodlanm UMTS sinyalleri [11]
Kod çözücü metoda göre, UMTS baz istasyonuna ait her bir sektör antene ait CPICH sinyallerinin alan iddeti, ECPICH ölçülür ve maksimum kanal gücüne göre ekstrapolasyonu (Pmax/PCPICH oran ebeke operatörü tarafndan verilmelidir) yaplr. Maksimum elektrik alan denklik (7)’deki gibi belirlenir. Burada n her bir sektör antenin numarasdr [23].
29
GSM, UMTS ve LTE Baz stasyonu Sinyallerinin Oluturduu Maruziyetin Frekans Seçici Ölçümleri ve Analizi Frequency Selective Measurements and Analysis of Exposure to GSM / UMTS / LTE Base Station Signals
Mustafa Çetinta , Cafer Bahadr Tekta
nCPICH
,
, ,,
(7) Son olarak tüm antenlerin toplam maruziyet seviyesi denklik (8)’deki gibi hesaplanr.
%100
TEQ
(8) Bu formülde Emax,n, n kodlu sinyal için ekstrapolasyonlu alan iddetini, EGn, frekansa uygulanacak ICNRP limit deerlerini, TEQE ise toplam maruz kalma orann göstermektedir. UMTS baz istasyonu ölçümlerinde genellikle tarama ölçüm yöntemi (sweeping method) kullanlr. Kod çözücü ölçümler göreceli uzun bir ilem süresi gerektirdii için tarama srasnda ölçüm cihaz yavaça hareket ettirilmelidir [23].
2.3. LTE Baz stasyonlar LTE (Long Term Evolution), öncüleri GSM ve UMTS ile karlatrldnda, daha yüksek veri hzlar, frekans spektrumunun daha verimli kullanlmas ve düük gecikme süreleri ile karakterize edilmi bir teknolojidir. LTE baz istasyonlarna baktmzda yayn yapan her sektör 2 veya 4 antenden olumaktadr. Her sektörde farkl kanal bant geniliine (1.4/3/5/10/15/20 MHz) ve farkl sinyal bant geniliine (1.08/2.7/4.5/9/13.5/18 MHz) sahip sinyaller bulunabilir. Bu sinyaller OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) modülasyonlu sinyallerdir [24]. LTE teknolojisi de UMTS de olduu gibi FDD ve TDD olmak üzere iki modda çaltrlmaktadr. Ancak ebekeler genellikle FDD modunda çaltrlr. Bir LTE baz istasyonunun tipik iletim gücü, kanal bana yaklak 20 W ila 50 W arasndadr. Bu seviye GSM ve UMTS istasyonlarnn kanal çk gücü ile karlatrlabilir olmasn salar. LTE baz istasyonlarnda sinyaller MIMO (Multiple Input - Multiple Output) üzerinden salanr. ekil 6’da verilen MIMO yaps aslnda bir veri üretimini artrma tekniidir. ki ayr fiziksel sinyal, iki ayr anten üzerinden, X polarizasyonunda ±45° ile ayn anda yaylr. Gelecekte 4 kanall MIMO antenlerinin kullanlabilmesi için günümüzde çalmalar devam etmektedir [6,25].
ekil 6. ki kanall MI-MO yaps [11]
Bir LTE sinyalinin en küçük zaman birimi “sembol”dür ve 70 µs dir. Ardk olarak bir araya gelen 7 sembol 1 “slot” oluturur ve 0.5 ms bir zaman dilimi kapsar. Ardk olarak bir araya gelen 20 slot ise “frame” oluturur ve 10 ms’dir. Frekans alannda, LTE sinyali için kullanlan modülasyon yöntemi OFDMA (ortogonal frekans bölümü çoklu eriim) nedeniyle 15 kHz’lik bir tayc bolua sahip birçok alt tayc içerir. En küçük zaman frekans ünitesine, yani bir semboldeki (15 kHz x 70 µs) bir alt taycya bir kaynak eleman (RE) denir. Ardk 12 alt tayc ve 7 sembol ise Resource Block (RB) oluturur [26]. Günümüzde LTE baz istasyonlarnda maruz kalma ölçümleri, UMTS’de olduu gibi frekans seçici ölçüm cihazlar kullanlarak spektral yöntem ve kod çözücü yöntem ile gerçekletirilir. Spektral yöntemde, ekil 7’deki gibi LTE spektrumunda merkez frekansn etrafndaki 1 MHz sinyalleme bölümüne odaklanlr. Frekans seçici ölçüm cihaz standart bir spektrum analizörü gibi kullanlarak, 1 MHz'lik bir çözünürlük bant genilii (RBW) ile sinyal bölümü spektrumdan filtrelenebilir ve istasyonun maksimum yüküne ekstrapolasyonu için kullanlabilir. Baz istasyonu sinyalinin yüksek tepe faktörü nedeniyle spektral ölçümde RMS detektörün kullanlmas zorunludur. RMS detektörü ile beraber tarama süresinin de (sweep time) ayarlanmas gerekmektedir.
ekil 7. LTE sinyaline ait örnek bir spektrumu
106
EMO Bilimsel Dergi, Cilt 8, Say 2, Aralk 2018 TMMOB Elektrik Mühendisleri Odas
2 2 2


Burada, k dalga numarasdr. Denklemin çözümü için ikinci varsaym, fonksiyonun deikenler üzerinde dalabilir olduudur. Baka bir deyile: . , , .rf r f r f f (2)
Böylelikle, (2) ve (1) bantlar kullanlarak üç farkl datlm denklem elde edilir:
2 2 2 1 0,r r
d fr k r n n f dr r
(3)
2
2
f mn n f
Bu durumda, (3) bantsnn çözümü küresel Bessel fonksiyonlar olup, bu fonksiyonlar sradan Bessel fonksiyonlar ile ortak özelliklere sahiptir. [7] Buna ilaveten, dorusal kombinasyonlar birinci ve ikinci dereceden küresel Hankel fonksiyonlarn verecektir: 1 ,n n nh j kr iy kr (6)
2 .n n nh j kr iy kr (7)
Küresel Bessel fonksiyonlarnn nb kr sradan Bessel fonksiyonlar nB kr cinsiden tanmlamak gerekirse:
. 1 2
. 2n n
(8)
EM alann, küre içerisinde ve/veya dnda Bessel ve Hankel fonksiyonlar cinsinden tanmlamak için, bu fonksiyonlarn asimptotik davranlarn incelemek gerekir [8]. Kabaca, küre içerisinde ki EM alan temsili için nj kr kullanlmaldr çünkü 0r için nj kr sonlu olup; r için sinüzoidal yapdadr. Dolaysyla bu fonksiyon, duraan tipi bir dalga tanm için uygudur. Dier taraftan, r için birinci dereceden Hankel fonksiyonlar (1)
nh kr ma koullarn saladndan; dar doru uzak alandaki dalgalarn temsili için kullanlrlar. Öte yandan, (4) bantsnn çözümü ile bütünleik Legendre fonksiyonlar cos , cosm m
n nP Q elde edilecektir [8]. Bu fonksiyonlar 0 ve için tekil olduklarndan, 0, aral için sonlu bir dalga fonksiyonu tanmlayabilmek adna: cos .m
nf P (9)

f m P z kr

(11)
(11) bantsnda gösterilen nz kr EM dalgann konumuna göre küresel Bessel ya da birinci dereceden küresel Hankel fonksiyonunu temsil eder. laveten, (11) bantsnda verilmi olan m ve n birer tam saydr ve her bir terim karlkl olarak birbirlerine diktir [8]. Böylelikle, (1) bantsnda verilmi Helmholtz denklemini salayabilen herhangi bir fonksiyon, (11) bantsnda tanml fonksiyonlarca seri açlm yaplarak tanmlanabilir [8-9].
2.2 Vektörel Dalga Denklemi ve Küresel Harmonikler

, , ,
, , ,
(12)
(12) bantsna bakarak her üç vektörün birbirlerine dik olduu aikardr. L vektörünün rotasyoneli ve diverjans için:
2 2
Buna ilaveten, M ve N vektörlerinin alan çizgileri daireseldir; dier bir deyile, diverjanslar sfrdr. 0.M N (14) (12), (13) ve (14) bantlarnn sonuçlarna bakarak, herhangi bir dalga fonksiyonu yukarda tanmlanan vektörel fonksiyonlarn dorusal kombinasyonlar olarak sunulabilir. Ayrca, bo uzayda ki düzlem EM alanlar, diverjanslar sfr ve birbirlerinin rotasyoneli olarak tanmlanabileceinden, M ve N vektörleri, elektrik alan E r ve manyetik alan H r
tanmlar için yeterli ve uygundurlar. Eer en bata tanmlanan sabit ve birim uzunlukta ki c vektörü, kürenin radyal birim vektörü olan re olarak kabul edilirse, bu durumda, M ve N vektörleri, seçilecek o küre için teet olacaklardr. (11) bantsnda gösterilen skaler fonksiyonun tek ve çift bileenlerine bal kalarak, (12) bantsnda tanmlanan vektörlerinin tek ve çift bileenleri için,
EMO Bilimsel Dergi, Cilt 9 Say 1, Haziran 2019 TMMOB Elektrik Mühendisleri Odas
30 106
EMO Bilimsel Dergi, Cilt 8, Say 2, Aralk 2018 TMMOB Elektrik Mühendisleri Odas
2 2 2


Burada, k dalga numarasdr. Denklemin çözümü için ikinci varsaym, fonksiyonun deikenler üzerinde dalabilir olduudur. Baka bir deyile: . , , .rf r f r f f (2)
Böylelikle, (2) ve (1) bantlar kullanlarak üç farkl datlm denklem elde edilir:
2 2 2 1 0,r r
d fr k r n n f dr r
(3)
2
2
f mn n f
Bu durumda, (3) bantsnn çözümü küresel Bessel fonksiyonlar olup, bu fonksiyonlar sradan Bessel fonksiyonlar ile ortak özelliklere sahiptir. [7] Buna ilaveten, dorusal kombinasyonlar birinci ve ikinci dereceden küresel Hankel fonksiyonlarn verecektir: 1 ,n n nh j kr iy kr (6)
2 .n n nh j kr iy kr (7)
Küresel Bessel fonksiyonlarnn nb kr sradan Bessel fonksiyonlar nB kr cinsiden tanmlamak gerekirse:
. 1 2
. 2n n
(8)
EM alann, küre içerisinde ve/veya dnda Bessel ve Hankel fonksiyonlar cinsinden tanmlamak için, bu fonksiyonlarn asimptotik davranlarn incelemek gerekir [8]. Kabaca, küre içerisinde ki EM alan temsili için nj kr kullanlmaldr çünkü 0r için nj kr sonlu olup; r için sinüzoidal yapdadr. Dolaysyla bu fonksiyon, duraan tipi bir dalga tanm için uygudur. Dier taraftan, r için birinci dereceden Hankel fonksiyonlar (1)
nh kr ma koullarn saladndan; dar doru uzak alandaki dalgalarn temsili için kullanlrlar. Öte yandan, (4) bantsnn çözümü ile bütünleik Legendre fonksiyonlar cos , cosm m
n nP Q elde edilecektir [8]. Bu fonksiyonlar 0 ve için tekil olduklarndan, 0, aral için sonlu bir dalga fonksiyonu tanmlayabilmek adna: cos .m
nf P (9)

f m P z kr

(11)
(11) bantsnda gösterilen nz kr EM dalgann konumuna göre küresel Bessel ya da birinci dereceden küresel Hankel fonksiyonunu temsil eder. laveten, (11) bantsnda verilmi olan m ve n birer tam saydr ve her bir terim karlkl olarak birbirlerine diktir [8]. Böylelikle, (1) bantsnda verilmi Helmholtz denklemini salayabilen herhangi bir fonksiyon, (11) bantsnda tanml fonksiyonlarca seri açlm yaplarak tanmlanabilir [8-9].
2.2 Vektörel Dalga Denklemi ve Küresel Harmonikler

, , ,
, , ,
(12)
(12) bantsna bakarak her üç vektörün birbirlerine dik olduu aikardr. L vektörünün rotasyoneli ve diverjans için:
2 2
Buna ilaveten, M ve N vektörlerinin alan çizgileri daireseldir; dier bir deyile, diverjanslar sfrdr. 0.M N (14) (12), (13) ve (14) bantlarnn sonuçlarna bakarak, herhangi bir dalga fonksiyonu yukarda tanmlanan vektörel fonksiyonlarn dorusal kombinasyonlar olarak sunulabilir. Ayrca, bo uzayda ki düzlem EM alanlar, diverjanslar sfr ve birbirlerinin rotasyoneli olarak tanmlanabileceinden, M ve N vektörleri, elektrik alan E r ve manyetik alan H r
tanmlar için yeterli ve uygundurlar. Eer en bata tanmlanan sabit ve birim uzunlukta ki c vektörü, kürenin radyal birim vektörü olan re olarak kabul edilirse, bu durumda, M ve N vektörleri, seçilecek o küre için teet olacaklardr. (11) bantsnda gösterilen skaler fonksiyonun tek ve çift bileenlerine bal kalarak, (12) bantsnda tanmlanan vektörlerinin tek ve çift bileenleri için,
EMO Bilimsel Dergi, Cilt 9 Say 1, Haziran 2019 TMMOB Elektrik Mühendisleri Odas
Tarama süresi ne RMS hesaplamas için yeterli örneklemeyi yapamayacak kadar ksa ne de aktif semboller arasnda oluacak boluklardaki ortalamalardan dolay düük tahmine sebep olacak kadar uzun olmamaldr. Maksimum trafik yüküne ekstrapolasyon, baz istasyonun maksimum iletim gücünün, ölçülen sinyalin iletim gücüne oran kullanlarak gerçekletirilir. LTE sinyalinin toplam bant geniliine oran bize ekstrapolasyon faktörünü (K) verecektir. Buradan maksimum elektrik alan (Emaks) denklik (9)’ daki gibi elde edilir. Yaplan hesaplama srasnda spektral ölçümlerde kullanlan RMS detektör için ayarlanacak tarama süresi ise denklik (10)’daki gibi belirlenir.
][]/[]/[ dBKmVdBEmVdBE ölçülenmaks (9)
sn 70süresiTarama (10) Burada n yatay tarama noktalarnn saysdr. Ancak UMTS’ de olduu gibi LTE sinyallerinin spektral ölçümünde de baz sakncalar bulunmaktadr. LTE, tek frekansl bir adr, bu nedenle farkl hücrelerin sinyalleri, spektral ölçümlerle (hem frekans hem de zaman alannda) ayrlamaz. Baz istasyonunun üç sektör anteninden birinin veya baz MIMO kanallarnn ölçüm srasnda yayn yapmadn fark etmek imkânszdr. Sektör antenlerden hepsi yayn yapsa bile sahip olabilecekleri farkl ekstrapolasyon faktörleri nedeniyle tam hassasiyetle ölçümler yaplamaz. Spektral ölçüm yönteminden kaynaklanan bu durumlarn önüne geçebilmek için kullanlacak olan en iyi alternatif yöntem yine kod çözücü ölçüm yöntemidir. Her LTE baz istasyonu için (hücre), hücreye özel olarak kodlanm baz sinyaller vardr. Bu sinyaller, P-SS (Primary Synchronization Signal), S-SS (Secondary Synchronization Signal) ve RS (Reference Signal) sinyalleridir. Bir LTE kod çözücünün yardm ile bu sinyaller, alnan baz istasyonu sinyalinden filtre edilebilir. Gerçek trafikten bamsz olarak sabit güçle iletildiklerinden, bu sinyallerin maruziyet hesaplamalar baz istasyonunun azami yüküne ekstrapolasyonu temel alnarak gerçekletirilir. Bu sinyallerden en önemlisi RS sinyaldir. Çünkü RS sinyalleri, en kararl ve MIMO anten kanallarna göre ayrlabilen sinyallerdir. Kod çözücü yöntem ile RS sinyalleri tarafndan kaynak eleman (RE) bana üretilen alan iddeti belirlenebilir. Ölçüm, spektrumun tanmlanm bir ksmnn ortalamas alnarak yaplr ve ekstrapolasyon faktörü ile maksimum maruz kalma, ölçüm deerlerinden hesaplanabilir [27]. Bir LTE kanalnda kod çözücü ölçüm, yalnzca ayarl kanal bant genilii (CBW) üzerinden ortalama bir RS elemannn gücünü ölçer. RS kodunun çözülmesinin yaplaca kaynak ebekeden gelen alt tayclarn says, "CBW" için seçilir. Örnein, 10 MHz'lik bir kanal bant geniliine sahip bir LTE-800 sinyali ölçülecekse, CBW ayar 10 MHz'den daha fazla olmamaldr. Ancak, daha küçük CBW deerleri kullanlabilir. 1,4 MHz'lik en düük ayarda (1,08 MHz'lik bir sinyal bant geniliine karlk gelir), ölçüm cihaz RS'i



,log10][
(11) Her anten için ekstrapolasyon faktörü Ki hesaplanr ve denklik (12)’deki gibi ölçüm sonuçlar ilgili ekstrapolasyon faktörü ile hesaplanr.
][]/[]/[ ,, dBKmVdBEmVdBE iRSimaksi (12) Burada Ki, i numaral antene ait ekstrapolasyon faktörü, Pmaks,I, antenin maksimum gücü, PRS,I ise anten referans sinyalinin gücü olarak tanmlanr. Eer ölçüm srasnda tüm alt tayclar ayn güç deerine ayarlanmsa (yani "RS yükseltme" olmazsa), maksimum sinyal gücü, kaynak eleman bana RS sinyali gücünün, alt tayclarn says ile çarpmna eit olacaktr. Yani ekstrapolasyon faktörü, alt tayclarn saysyla ayn olacaktr. Bu durumda bir LTE sinyalinin bant geniliinin bir alt taycya (15 kHz) oranna göre hesaplanm ve kullanlacak olan ekstrapolasyon faktörleri Tablo 1’deki gibi olacaktr. Ancak alt tayclarn ayn güç deerine ayarlanmad yani RS sinyallerinin gücünün artrld (tipik olarak 3 dB RS yükseltme) durumlarda maruziyet seviyesi tahmininin normalden daha yüksek olmasn önlemek için ise Tablo 2’deki gibi 3 dB azaltlm ekstrapolasyon faktörleri kullanlacaktr.
Tablo 1. Ekstrapolasyon faktörleri (RS yükseltmesiz)
Kanal Bant
Ekstrapolasyon Faktör
Ekstrapolasyon Faktör
GSM, UMTS ve LTE Baz stasyonu Sinyallerinin Oluturduu Maruziyetin Frekans Seçici Ölçümleri ve Analizi Frequency Selective Measurements and Analysis of Exposure to GSM / UMTS / LTE Base Station Signals
Mustafa Çetinta , Cafer Bahadr Tekta
Tablo 2. Ekstrapolasyon faktörleri (3dB RS yükseltmeli)
Kanal Bant
Ekstrapolasyon Faktör
Ekstrapolasyon Faktör
Karlatrma ölçümleri, Almanya/Bayreuth’da, kuru ve güneli hava koullarnda 25 - 27 ubat 2019 tarihleri arasnda yaplmtr. 3.1. Ölçüm Noktalar Karlatrma ölçümleri 95445 Bayreuth, Almanya’da ekil 8’de harita üzerinde iaretlenmi 4 farkl konumda, her konum için belirlenen iki farkl ölçüm noktasnda gerçekletirilmitir. Seçilen tüm ölçüm noktalarnn ortak özellii baz istasyonlarnn antenlerine dorudan bakan d mekan noktalar olmasdr.
ekil 8. Ölçüm gerçekletirilen bölgelerin konumu
Belirlenen konumlarda maruziyet ölçümü gerçekletirilen baz istasyonlarna ait detaylar ve her bir konumdaki ölçüm noktalar ekil 9 ile ekil 12 arasnda verilmitir.
ekil 9. 1. ölçüm konumuna ait baz istasyonlar ve ölçüm noktalar
106
EMO Bilimsel Dergi, Cilt 8, Say 2, Aralk 2018 TMMOB Elektrik Mühendisleri Odas
2 2 2


Burada, k dalga numarasdr. Denklemin çözümü için ikinci varsaym, fonksiyonun deikenler üzerinde dalabilir olduudur. Baka bir deyile: . , , .rf r f r f f (2)
Böylelikle, (2) ve (1) bantlar kullanlarak üç farkl datlm denklem elde edilir:
2 2 2 1 0,r r
d fr k r n n f dr r
(3)
2
2
f mn n f
Bu durumda, (3) bantsnn çözümü küresel Bessel fonksiyonlar olup, bu fonksiyonlar sradan Bessel fonksiyonlar ile ortak özelliklere sahiptir. [7] Buna ilaveten, dorusal kombinasyonlar birinci ve ikinci dereceden küresel Hankel fonksiyonlarn verecektir: 1 ,n n nh j kr iy kr (6)
2 .n n nh j kr iy kr (7)
Küresel Bessel fonksiyonlarnn nb kr sradan Bessel fonksiyonlar nB kr cinsiden tanmlamak gerekirse:
. 1 2
. 2n n
(8)
EM alann, küre içerisinde ve/veya dnda Bessel ve Hankel fonksiyonlar cinsinden tanmlamak için, bu fonksiyonlarn asimptotik davranlarn incelemek gerekir [8]. Kabaca, küre içerisinde ki EM alan temsili için nj kr kullanlmaldr çünkü 0r için nj kr sonlu olup; r için sinüzoidal yapdadr. Dolaysyla bu fonksiyon, duraan tipi bir dalga tanm için uygudur. Dier taraftan, r için birinci dereceden Hankel fonksiyonlar (1)
nh kr ma koullarn saladndan; dar doru uzak alandaki dalgalarn temsili için kullanlrlar. Öte yandan, (4) bantsnn çözümü ile bütünleik Legendre fonksiyonlar cos , cosm m
n nP Q elde edilecektir [8]. Bu fonksiyonlar 0 ve için tekil olduklarndan, 0, aral için sonlu bir dalga fonksiyonu tanmlayabilmek adna: cos .m
nf P (9)

f m P z kr

(11)
(11) bantsnda gösterilen nz kr EM dalgann konumuna göre küresel Bessel ya da birinci dereceden küresel Hankel fonksiyonunu temsil eder. laveten, (11) bantsnda verilmi olan m ve n birer tam saydr ve her bir terim karlkl olarak birbirlerine diktir [8]. Böylelikle, (1) bantsnda verilmi Helmholtz denklemini salayabilen herhangi bir fonksiyon, (11) bantsnda tanml fonksiyonlarca seri açlm yaplarak tanmlanabilir [8-9].
2.2 Vektörel Dalga Denklemi ve Küresel Harmonikler

, , ,
, , ,
(12)
(12) bantsna bakarak her üç vektörün birbirlerine dik olduu aikardr. L vektörünün rotasyoneli ve diverjans için:
2 2
Buna ilaveten, M ve N vektörlerinin alan çizgileri daireseldir; dier bir deyile, diverjanslar sfrdr. 0.M N (14) (12), (13) ve (14) bantlarnn sonuçlarna bakarak, herhangi bir dalga fonksiyonu yukarda tanmlanan vektörel fonksiyonlarn dorusal kombinasyonlar olarak sunulabilir. Ayrca, bo uzayda ki düzlem EM alanlar, diverjanslar sfr ve birbirlerinin rotasyoneli olarak tanmlanabileceinden, M ve N vektörleri, elektrik alan E r ve manyetik alan H r
tanmlar için yeterli ve uygundurlar. Eer en bata tanmlanan sabit ve birim uzunlukta ki c vektörü, kürenin radyal birim vektörü olan re olarak kabul edilirse, bu durumda, M ve N vektörleri, seçilecek o küre için teet olacaklardr. (11) bantsnda gösterilen skaler fonksiyonun tek ve çift bileenlerine bal kalarak, (12) bantsnda tanmlanan vektörlerinin tek ve çift bileenleri için,
EMO Bilimsel Dergi, Cilt 9 Say 1, Haziran 2019 TMMOB Elektrik Mühendisleri Odas
32 106
EMO Bilimsel Dergi, Cilt 8, Say 2, Aralk 2018 TMMOB Elektrik Mühendisleri Odas
2 2 2


Burada, k dalga numarasdr. Denklemin çözümü için ikinci varsaym, fonksiyonun deikenler üzerinde dalabilir olduudur. Baka bir deyile: . , , .rf r f r f f (2)
Böylelikle, (2) ve (1) bantlar kullanlarak üç farkl datlm denklem elde edilir:
2 2 2 1 0,r r
d fr k r n n f dr r
(3)
2
2
f mn n f
Bu durumda, (3) bantsnn çözümü küresel Bessel fonksiyonlar olup, bu fonksiyonlar sradan Bessel fonksiyonlar ile ortak özelliklere sahiptir. [7] Buna ilaveten, dorusal kombinasyonlar birinci ve ikinci dereceden küresel Hankel fonksiyonlarn verecektir: 1 ,n n nh j kr iy kr (6)
2 .n n nh j kr iy kr (7)
Küresel Bessel fonksiyonlarnn nb kr sradan Bessel fonksiyonlar nB kr cinsiden tanmlamak gerekirse:
. 1 2
. 2n n
(8)
EM alann, küre içerisinde ve/veya dnda Bessel ve Hankel fonksiyonlar cinsinden tanmlamak için, bu fonksiyonlarn asimptotik davranlarn incelemek gerekir [8]. Kabaca, küre içerisinde ki EM alan temsili için nj kr kullanlmaldr çünkü 0r için nj kr sonlu olup; r için sinüzoidal yapdadr. Dolaysyla bu fonksiyon, duraan tipi bir dalga tanm için uygudur. Dier taraftan, r için birinci dereceden Hankel fonksiyonlar (1)
nh kr ma koullarn saladndan; dar doru uzak alandaki dalgalarn temsili için kullanlrlar. Öte yandan, (4) bantsnn çözümü ile bütünleik Legendre fonksiyonlar cos , cosm m
n nP Q elde edilecektir [8]. Bu fonksiyonlar 0 ve için tekil olduklarndan, 0, aral için sonlu bir dalga fonksiyonu tanmlayabilmek adna: cos .m
nf P (9)

f m P z kr

(11)
(11) bantsnda gösterilen nz kr EM dalgann konumuna göre küresel Bessel ya da birinci dereceden küresel Hankel fonksiyonunu temsil eder. laveten, (11) bantsnda verilmi olan m ve n birer tam saydr ve her bir terim karlkl olarak birbirlerine diktir [8]. Böylelikle, (1) bantsnda verilmi Helmholtz denklemini salayabilen herhangi bir fonksiyon, (11) bantsnda tanml fonksiyonlarca seri açlm yaplarak tanmlanabilir [8-9].
2.2 Vektörel Dalga Denklemi ve Küresel Harmonikler

, , ,
, , ,
(12)
(12) bantsna bakarak her üç vektörün birbirlerine dik olduu aikardr. L vektörünün rotasyoneli ve diverjans için:
2 2
Buna ilaveten, M ve N vektörlerinin alan çizgileri daireseldir; dier bir deyile, diverjanslar sfrdr. 0.M N (14) (12), (13) ve (14) bantlarnn sonuçlarna bakarak, herhangi bir dalga fonksiyonu yukarda tanmlanan vektörel fonksiyonlarn dorusal kombinasyonlar olarak sunulabilir. Ayrca, bo uzayda ki düzlem EM alanlar, diverjanslar sfr ve birbirlerinin rotasyoneli olarak tanmlanabileceinden, M ve N vektörleri, elektrik alan E r ve manyetik alan H r
tanmlar için yeterli ve uygundurlar. Eer en bata tanmlanan sabit ve birim uzunlukta ki c vektörü, kürenin radyal birim vektörü olan re olarak kabul edilirse, bu durumda, M ve N vektörleri, seçilecek o küre için teet olacaklardr. (11) bantsnda gösterilen skaler fonksiyonun tek ve çift bileenlerine bal kalarak, (12) bantsnda tanmlanan vektörlerinin tek ve çift bileenleri için,
EMO Bilimsel Dergi, Cilt 9 Say 1, Haziran 2019 TMMOB Elektrik Mühendisleri Odas
ekil 10. 2. ölçüm konumuna ait baz istasyonu ve ölçüm noktalar
ekil 11. 3. ölçüm konumuna ait baz istasyonu ve ölçüm noktalar
ekil 12. 4. ölçüm konumuna ait baz istasyonu ve ölçüm noktalar
3.2. Kullanlan Ekipmanlar ve Ölçüm Prosedürü
Karlatrma ölçümleri srasnda referans laboratuvar ve TÜBTAK UME tarafndan srasyla Tablo 3 ve Tablo 4’te verilen ekipmanlar kullanlmtr.
Tablo 3. Referans laboratuvar ölçüm ekipman
Ekipman Üretici Tip Seri No. Kalibrasyon Tarihi
SRM-3006 NARDA STS
UMTS ve LTE için kod çözücü ölçüm seçenei olan 9 kHz - 6 GHz tanabilir
spektrum analizörü
C-0034 12/2018
D-0043 12/2018
SRM-3006 NARDA STS
UMTS ve LTE için kod çözücü ölçüm seçenei olan 9 kHz - 6 GHz tanabilir
spektrum analizörü
D-0294 03/2018
M-0433 03/2018
Ölçümlere balamadan önce her iki ölçüm ekibi de ölçüm cihazlar için, ilk olarak cihazn son yazlm versiyonunu yüklemi, sonrasnda ise ayn ölçüm ayarlarn yapmlardr. Ölçümlerde, spektrum analizör ve uygun bir alc antenle, incelenen radyo servislerinin frekans ve sinyal seviyesi, ölçüm noktasnda deerlendirilmitir. Alnan seviyeden ve antenin kalibrasyon verilerinden ölçüm noktasndaki alan iddeti otomatik olarak hesaplanarak cihaz tarafndan görüntülenmitir. Ölçümler srasnda, tarama metodu (sweeping method) kullanlmtr. Spektrum analizör "Max Hold" moduna alnm, alc anten yavaça ölçüm hacminde hareket ettirilerek (yükseklik ≈ 0.8 m - 2.0 m, çap en az 1 m) ölçümler gerçekletirilmitir. Ölçümler, ölçüm sonucu ekrannda hiçbir deiiklik olmad gözlemlenene kadar devam ettirilmi, maksimum ölçüm seviyesi tespit edildiinde bitirilmitir. Bu yöntem ile ölçüm cihaz, ölçüm hacmi içindeki maksimum maruziyeti güvenilir bir ekilde alglam ve kaydetmitir. Tarama yöntemi ile yaplan ölçümler zemine, tavana, duvarlara ve metal nesnelere en az 50 cm uzaklktaki mesafelerde gerçekletirilmitir. Her bir ölçüm noktasnda, baz istasyon antenleri tarafndan üretilen maruz kalma deerleri ICNIRP 1998 standard tarafndan verilen toplama formülüne uygun olarak hesaplanm ve toplam maruz kalma oran (TEQ) elde edilmitir. Düük seviyelerinden dolay toplam maruziyete katks olmayan sinyaller ihmal edilmitir.
33
GSM, UMTS ve LTE Baz stasyonu Sinyallerinin Oluturduu Maruziyetin Frekans Seçici Ölçümleri ve Analizi Frequency Selective Measurements and Analysis of Exposure to GSM / UMTS / LTE Base Station Signals
Mustafa Çetinta , Cafer Bahadr Tekta
Dört farkl bölgede yaplan karlatrma ölçümlerinin tamamnda ayn ekipmanlar kullanlm ve ayn ölçüm prosedürüne göre ölçümler gerçekletirilmitir. Karlatrma ölçümlerine ait örnek resimler ekil 13’te verilmitir.
ekil 13. Karlatrma ölçümleri, a) 1. ölçüm konumu, b) 2.ölçüm konumu, c) 3. ölçüm konumu, d) 4. ölçüm
konumu 3.3. Ekstrapolasyon Faktörlerinin Belirlenmesi Cep telefonu baz istasyonlar tarafndan üretilen elektromanyetik alanlar zamanla sabit deildir, ancak trafie ve balant kalitesine bal olarak deimektedir. Geceleri, maruziyet seviyesi sistemlerin sürekli olarak iletilen sinyalleri ile ortaya çkan asgari deere dümektedir. Ancak maruziyetin tespiti için ölçümler, en kötü durum yani baz istasyonunun en yüksek operasyonel durumunda performans gösterdii durum baz alnarak gerçekletirilmelidir. Karlatrma ölçümleri srasnda bu durumu salayabilmek için GSM, UMTS ve LTE sinyalleri için ekstrapolasyon faktörleri aadaki gibi belirlenmitir: 3.3.1. GSM Birden fazla verici kanalna sahip olan GSM baz istasyonlarnda, kanal 1 (yayn kontrol kanal, BCCH) maksimum verici gücüyle sürekli çalrken, 2. kanaldan itibaren deiken iletim gücüyle çalmaya balar. Ölçülen anlk maruziyetten maksimum olas maruziyete ekstrapolasyon yapmak için, her bir sektör anteninin BCCH kanal tarafndan oluturulan pozlama, kurulu gerçek kanal says ile birletirilmitir. Hesaplamalar srasnda ekstrapolasyon için, radyo hücresi bana 4 GSM kanal olduu varsaylmtr. 3.3.2. UMTS UMTS baz istasyonlarnda, mevcut trafik ne olursa olsun, tanmlanm ve sabit güçle iletilen bir sinyalizasyon sinyali ("Ortak Pilot Kanal", CPICH) vardr. Mevcut her CPICH
sinyalinin alan iddeti, bir "kod çözücü" ölçümü ile belirlenmitir. Maksimum maruz kalma, ölçülen CPICH maruziyetinin ekstrapolasyon faktörü ile çarpm ile elde edilir. Buradaki ekstrapolasyon faktörü, radyo hücresi UMTS sinyallerinin maksimum verici gücünün, hali hazrda ölçülen CPICH sinyalinin kullanlan gücüne oran ile belirlenir. Hesaplamalar srasnda ekstrapolasyon faktörleri 10 veya 20 olarak kabul edilmitir. 3.3.3. LTE UMTS ile kyaslandnda, bir LTE baz istasyonunun gerçek aktarlan gücü de trafik yüküyle birlikte deiir. Bu nedenle, LTE için, her sektör anteni ve MIMO yolu için mevcut trafikten bamsz olarak (RS0 ve RS1) tanmlanm ve sabit güce sahip bir referans sinyali belirlemek için özel bir kod seçici ölçüm teknii kullanlmtr. Bant genilii 9 MHz olan LTE sinyalleri için ekstrapolasyon faktörü 600 olarak, 18 MHz bant geniliine sahip sinyaller için ise ekstrapolasyon faktörü 1200 olarak kabul edilmi ve bu faktörler ile ölçüm sonuçlar ekstrapolasyona tabi tutulmutur.
4. Ölçüm Sonuçlar Karlatrma ölçümleri srasnda, dört farkl konumdaki ölçüm noktalar için mevcut tüm sinyaller ICNIRP 1998 maruz kalma referans seviyeleri ile karlatrlm ve ekil 14’te örnei verilen bir Excel elektronik tablosu kullanlarak toplama yaplmtr.
ekil 14. Hesaplamalarn yapld Excel elektronik tablosu
Üç gün boyunca yaplan karlatrma ölçümlerinde, ölçüm noktalarnda ekipler tarafndan belirlenen ve ekstrapolasyon faktörleri kullanlarak hesaplanan toplam maruz kalma deerleri Tablo 5’te özetlenmi ve karlatrlmtr. Sitenin maksimum operasyonel durumu için maksimum maruziyet baz istasyonun maksimum olas telefon ve veri trafiiyle mümkün olan en yüksek iletim gücünde çalt varsaylmtr. Tablo 5’te her bir ölçüm noktasnda referans laboratuvar ve TÜBTAK UME tarafndan elde edilen ölçüm sonuçlarnn mutlak alan iddeti deerleri gösterilmemi, sadece ICNIRP
106
EMO Bilimsel Dergi, Cilt 8, Say 2, Aralk 2018 TMMOB Elektrik Mühendisleri Odas
2 2 2


Burada, k dalga numarasdr. Denklemin çözümü için ikinci varsaym, fonksiyonun deikenler üzerinde dalabilir olduudur. Baka bir deyile: . , , .rf r f r f f (2)
Böylelikle, (2) ve (1) bantlar kullanlarak üç farkl datlm denklem elde edilir:
2 2 2 1 0,r r
d fr k r n n f dr r
(3)
2
2
f mn n f
Bu durumda, (3) bantsnn çözümü küresel Bessel fonksiyonlar olup, bu fonksiyonlar sradan Bessel fonksiyonlar ile ortak özelliklere sahiptir. [7] Buna ilaveten, dorusal kombinasyonlar birinci ve ikinci dereceden küresel Hankel fonksiyonlarn verecektir: 1 ,n n nh j kr iy kr (6)
2 .n n nh j kr iy kr (7)
Küresel Bessel fonksiyonlarnn nb kr sradan Bessel fonksiyonlar nB kr cinsiden tanmlamak gerekirse:
. 1 2
. 2n n
(8)
EM alann, küre içerisinde ve/veya dnda Bessel ve Hankel fonksiyonlar cinsinden tanmlamak için, bu fonksiyonlarn asimptotik davranlarn incelemek gerekir [8]. Kabaca, küre içerisinde ki EM alan temsili için nj kr kullanlmaldr çünkü 0r için nj kr sonlu olup; r için sinüzoidal yapdadr. Dolaysyla bu fonksiyon, duraan tipi bir dalga tanm için uygudur. Dier taraftan, r için birinci dereceden Hankel fonksiyonlar (1)
nh kr ma koullarn saladndan; dar doru uzak alandaki dalgalarn temsili için kullanlrlar. Öte yandan, (4) bantsnn çözümü ile bütünleik Legendre fonksiyonlar cos , cosm m
n nP Q elde edilecektir [8]. Bu fonksiyonlar 0 ve için tekil olduklarndan, 0, aral için sonlu bir dalga fonksiyonu tanmlayabilmek adna: cos .m
nf P (9)

f m P z kr

(11)
(11) bantsnda gösterilen nz kr EM dalgann konumuna göre küresel Bessel ya da birinci dereceden küresel Hankel fonksiyonunu temsil eder. laveten, (11) bantsnda verilmi olan m ve n birer tam saydr ve her bir terim karlkl olarak birbirlerine diktir [8]. Böylelikle, (1) bantsnda verilmi Helmholtz denklemini salayabilen herhangi bir fonksiyon, (11) bantsnda tanml fonksiyonlarca seri açlm yaplarak tanmlanabilir [8-9].
2.2 Vektörel Dalga Denklemi ve Küresel Harmonikler

, , ,
, , ,
(12)
(12) bantsna bakarak her üç vektörün birbirlerine dik olduu aikardr. L vektörünün rotasyoneli ve diverjans için:
2 2
Buna ilaveten, M ve N vektörlerinin alan çizgileri daireseldir; dier bir deyile, diverjanslar sfrdr. 0.M N (14) (12), (13) ve (14) bantlarnn sonuçlarna bakarak, herhangi bir dalga fonksiyonu yukarda tanmlanan vektörel fonksiyonlarn dorusal kombinasyonlar olarak sunulabilir. Ayrca, bo uzayda ki düzlem EM alanlar, diverjanslar sfr ve birbirlerinin rotasyoneli olarak tanmlanabileceinden, M ve N vektörleri, elektrik alan E r ve manyetik alan H r
tanmlar için yeterli ve uygundurlar. Eer en bata tanmlanan sabit ve birim uzunlukta ki c vektörü, kürenin radyal birim vektörü olan re olarak kabul edilirse, bu durumda, M ve N vektörleri, seçilecek o küre için teet olacaklardr. (11) bantsnda gösterilen skaler fonksiyonun tek ve çift bileenlerine bal kalarak, (12) bantsnda tanmlanan vektörlerinin tek ve çift bileenleri için,
EMO Bilimsel Dergi, Cilt 9 Say 1, Haziran 2019 TMMOB Elektrik Mühendisleri Odas
34 106
EMO Bilimsel Dergi, Cilt 8, Say 2, Aralk 2018 TMMOB Elektrik Mühendisleri Odas
2 2 2


Burada, k dalga numarasdr. Denklemin çözümü için ikinci varsaym, fonksiyonun deikenler üzerinde dalabilir olduudur. Baka bir deyile: . , , .rf r f r f f (2)
Böylelikle, (2) ve (1) bantlar kullanlarak üç farkl datlm denklem elde edilir:
2 2 2 1 0,r r
d fr k r n n f dr r
(3)
2
2
f mn n f
Bu durumda, (3) bantsnn çözümü küresel Bessel fonksiyonlar olup, bu fonksiyonlar sradan Bessel fonksiyonlar ile ortak özelliklere sahiptir. [7] Buna ilaveten, dorusal kombinasyonlar birinci ve ikinci dereceden küresel Hankel fonksiyonlarn verecektir: 1 ,n n nh j kr iy kr (6)
2 .n n nh j kr iy kr (7)
Küresel Bessel fonksiyonlarnn nb kr sradan Bessel fonksiyonlar nB kr cinsiden tanmlamak gerekirse:
. 1 2
. 2n n
(8)
EM alann, küre içerisinde ve/veya dnda Bessel ve Hankel fonksiyonlar cinsinden tanmlamak için, bu fonksiyonlarn asimptotik davranlarn incelemek gerekir [8]. Kabaca, küre içerisinde ki EM alan temsili için nj kr kullanlmaldr çünkü 0r için nj kr sonlu olup; r için sinüzoidal yapdadr. Dolaysyla bu fonksiyon, duraan tipi bir dalga tanm için uygudur. Dier taraftan, r için birinci dereceden Hankel fonksiyonlar (1)
nh kr ma koullarn saladndan; dar doru uzak alandaki dalgalarn temsili için kullanlrlar. Öte yandan, (4) bantsnn çözümü ile bütünleik Legendre fonksiyonlar cos , cosm m
n nP Q elde edilecektir [8]. Bu fonksiyonlar 0 ve için tekil olduklarndan, 0, aral için sonlu bir dalga fonksiyonu tanmlayabilmek adna: cos .m
nf P (9)

f m P z kr

(11)
(11) bantsnda gösterilen nz kr EM dalgann konumuna göre küresel Bessel ya da birinci dereceden küresel Hankel fonksiyonunu temsil eder. laveten, (11) bantsnda verilmi olan m ve n birer tam saydr ve her bir terim karlkl olarak birbirlerine diktir [8]. Böylelikle, (1) bantsnda verilmi Helmholtz denklemini salayabilen herhangi bir fonksiyon, (11) bantsnda tanml fonksiyonlarca seri açlm yaplarak tanmlanabilir [8-9].
2.2 Vektörel Dalga Denklemi ve Küresel Harmonikler

, , ,
, , ,
(12)
(12) bantsna bakarak her üç vektörün birbirlerine dik olduu aikardr. L vektörünün rotasyoneli ve diverjans için:
2 2
Buna ilaveten, M ve N vektörlerinin alan çizgileri daireseldir; dier bir deyile, diverjanslar sfrdr. 0.M N (14) (12), (13) ve (14) bantlarnn sonuçlarna bakarak, herhangi bir dalga fonksiyonu yukarda tanmlanan vektörel fonksiyonlarn dorusal kombinasyonlar olarak sunulabilir. Ayrca, bo uzayda ki düzlem EM alanlar, diverjanslar sfr ve birbirlerinin rotasyoneli olarak tanmlanabileceinden, M ve N vektörleri, elektrik alan E r ve manyetik alan H r
tanmlar için yeterli ve uygundurlar. Eer en bata tanmlanan sabit ve birim uzunlukta ki c vektörü, kürenin radyal birim vektörü olan re olarak kabul edilirse, bu durumda, M ve N vektörleri, seçilecek o küre için teet olacaklardr. (11) bantsnda gösterilen skaler fonksiyonun tek ve çift bileenlerine bal kalarak, (12) bantsnda tanmlanan vektörlerinin tek ve çift bileenleri için,
EMO Bilimsel Dergi, Cilt 9 Say 1, Haziran 2019 TMMOB Elektrik Mühendisleri Odas
Ayn zamanda, ülkemizde gerçekletirilen elektromanyetik kirlilik ölçümlerinde kullanlan geni bant ölçüm yönteminin sakncalarn ortaya koymu, maruziyet ölçümlerinde Avrupa da aktif olarak kullanlan frekans seçici/kod çözücü ölçüm yönteminin daha uygun bir yöntem olduunu göstermitir. Karlatrma ölçümleri sonucunda elde edilen olumlu veriler, elektromanyetik kirlilik ölçümlerinde frekans seçici/kod çözücü ölçüm yönteminin kullanlmasna geçi için önemli bir adm olacaktr.
Teekkür Yazarlar, Prof. Dr.-Ing. Matthias Wuschek’e bu yazda incelenen konularla ilgili vermi olduu teknik destek ve yardmc önerileri için teekkür eder. The authors would like to thank Prof. Dr.-Ing. Matthias Wuschek for his technical support and helpful advice on the issues examined in this paper.
Kaynaklar [1] Cooper T. G., Mann S. M., Khalid M., Blackwell R. P.,
“Exposure of the General Public to Radio Waves near Microcell and Picocell Base Stations for Mobile Communications, Final Report”, National Radiological Protection Board, Report Nr. NRPB-W62, Chilton, U.K, 2004.
[2] Tekta, C. B., & Aslan, M. H. EM “Kirlilik Ölçümü çin Geni Bant ve Frekans-Seçici Ölçümlerin Karlatrlmas”, EMO BLMSEL DERG, 7(14), 5- 12, 2017.
[3] Cooper T. G., Mann, S. M., Blackwell., R. P., Allen S. G., “Occupational exposure to electromagnetic fields at radio transmitter sites”, Health protection Agency Report HPA-RPD-026, UK, June 2007.
[4] Müllner W., Neubauer G., Haider H., (2000), “Add3D, a new technique for precise power flux density measurements at mobile communications base stations”, ARC Seibersdorf Research GmbH, February 2000.
[5] Tekta, C. B., Aslan, M. H., Çakr, S. “Baz stasyonu Civarnda UMTS (3G) Ölçümü çin Geni Bant Ve Frekans-Seçici Ölçümlerin Karlatrlmas”, URSI- TÜRKYE’2018 IX. Bilimsel Kongresi, KTO Karatay Üniversitesi, Konya, 6-8 Eylül 2018.
[6] Bornkessel C., Wuschek M., (2006), “Exposure measurements of modern digital broadband radio services”, German Microwave Conference, 1-4, Karlsruhe/Germany, 28-30 March 2006.
[7] Henderson S.I., Bangay M. J., “Survey of RF Exposure Levels from Mobile Telephone Base Stations in Australia”, Bioelectromagnetics, 27, (1), 73-76, 2006.
[8] Fanning C. W., “Evaluating Cell Phone and Personal Communications Equipment and their EMC Effects on Automotive” Audio and In-Cabin Modules”, IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility, Honolulu, HI, USA, 9-13, July 2017.
[9] Khalifa T. A. B., Alnabi A. B. A., “Electromagnetic Pollution Emitted from Base Station”, International Journal of Science and Research (IJSR), 4, (1), 1125- 1132, 2015.
[10] Zhang, X., Yang, G., Wang, X., & Li, B. A DualBand And DualPolarized Antenna Array for 2G/3G/LTE Base Stations. International Journal of RF and Microwave ComputerAided Engineering, 26(2), 154-163, 2016.
[11] Wuschek M., (2017), “Frequency Selective Measurements of Human Exposure to RF
Electromagnetic Fields”, EMF Measurement Training Course, Part 5 - 6 , November 2017.
[12] Sandkç, G., “Radiation Measurement to Base Stations”, Graduate Thesis, Rize University, Department of Physics, 39-45, 2011.
[13] Genç O., Bayrak, M., Yaldiz, E., “Analysis of the Electromagnetic Pollution for a Pilot Region in Turkey”, J. Electromagnetic Analysis & Applications, 2: 139-144 2010.
[14] Sahin M. E., As N., Karan Y., “Selective Radiation Measurement for Safety Evaluation on Base Stations”, Gazi University Journal of Science, 26, (1), 73-83, 2013.
[15] Genc O., Bayrak M., Yaldiz E., “Analysis of the effects of GSM bands to the electromagnetic pollution in the RF spectrum”, Progress in Electromagnetics Research, 101, 17-32, 2010.
[16] Neubauer G., Lamedschwandner K., Cecil S., Schmid G., “Exposure assessment methods for emerging new technologies”, Proc. XXIX URSI General Assembly, 1-4, 2008.
[17] Ozovehe A., Usman A. U., Hamdallah A., “Electromagnetic Radiation Exposure From Cellular Base Station: A Concern For Public Health”, Nigerian Journal of Technology, 34, (2), 355-358, 2015.
[18] Nitu, V. Electromagnetic field exposure from GSM and UMTS indoor base stations. In Applied Mechanics and Materials (Vol. 332, pp. 98-103). Trans Tech Publications, 2013.
[19] NARDA, “GSM measurements with the Selective Radiation Meter SRM-3000”, NARDA, Narda Safety Test Solutions GmbH, Germany, 2007.
[20] Sanchez M.G., Alejos A.V., Cuinas I., “Urban wide-band measurements of the UMTS electromagnetic environment,” IEEE Trans. on Vehicular Technology, 53, (4), 1014-1022, 2004.
[21] Martens L., Olivier C., “Accurate electromagnetic exposure assessment around UMTS base stations with a spectrum analyzer”, In Proceedings of the 18th General Assembly of International Union Radio Science (URSI), 2005.
[22] Olivier C., Martens L., “Optimal settings for frequency- selective measurements used for the exposure assessment around UMTS base stations”, IEEE transactions on instrumentation and measurement, 56, (5), 1901-1909, 2007.
[23] NARDA, “UMTS measurements with the Selective Radiation Meter SRM-3000”, NARDA, Narda Safety Test Solutions GmbH, Germany, 2008.
[24] Olivier C., Martens L., “Measurement and processing techniques for the exposure assessment of electromagnetic fields of base stations using spread- spectrum modulation”, Proc. GA Int. Union Radio Science, 2002.
[25] Bornkessel C., “Immission measurements in the vicinity of LTE base stations”, Narda Safety Test Solutions GmbH, Germany, 2013.
[26] Bornkessel C., Hein M., Wuschek M., (2015), “Measurement of human exposure to LTE base stations present status and future challenges in measurement methodology”, In Microwave Conference (EuMC), 881- 884, Paris, France, September 2015.
[27] Pythoud F., and Mühlemann B., “Measurement method for LTE base stations,” METAS-report 2012-218-808, Bern, May 2012.
[28] Verloock L., Joseph W., Gati A., Varsier N., Wiart J., Martens L., and Hansson B., “Low-cost extrapolation method for maximal LTE radio base station exposure
35
GSM, UMTS ve LTE Baz stasyonu Sinyallerinin Oluturduu Maruziyetin Frekans Seçici Ölçümleri ve Analizi Frequency Selective Measurements and Analysis of Exposure to GSM / UMTS / LTE Base Station Signals
Mustafa Çetinta , Cafer Bahadr Tekta
Ayn zamanda, ülkemizde gerçekletirilen elektromanyetik kirlilik ölçümlerinde kullanlan geni bant ölçüm yönteminin sakncalarn ortaya koymu, maruziyet ölçümlerinde Avrupa da aktif olarak kullanlan frekans seçici/kod çözücü ölçüm yönteminin daha uygun bir yöntem olduunu göstermitir. Karlatrma ölçümleri sonucunda elde edilen olumlu veriler, elektromanyetik kirlilik ölçümlerinde frekans seçici/kod çözücü ölçüm yönteminin kullanlmasna geçi için önemli bir adm olacaktr.
Teekkür Yazarlar, Prof. Dr.-Ing. Matthias Wuschek’e bu yazda incelenen konularla ilgili vermi olduu teknik destek ve yardmc önerileri için teekkür eder. The authors would like to thank Prof. Dr.-Ing. Matthias Wuschek for his technical support and helpful advice on the issues examined in this paper.
Kaynaklar [1] Cooper T. G., Mann S. M., Khalid M., Blackwell R. P.,
“Exposure of the General Public to Radio Waves near Microcell and Picocell Base Stations for Mobile Communications, Final Report”, National Radiological Protection Board, Report Nr. NRPB-W62, Chilton, U.K, 2004.
[2] Tekta, C. B., & Aslan, M. H. EM “Kirlilik Ölçümü çin Geni Bant ve Frekans-Seçici Ölçümlerin Karlatrlmas”, EMO BLMSEL DERG, 7(14), 5- 12, 2017.
[3] Cooper T. G., Mann, S. M., Blackwell., R. P., Allen S. G., “Occupational exposure to electromagnetic fields at radio transmitter sites”, Health protection Agency Report HPA-RPD-026, UK, June 2007.
[4] Müllner W., Neubauer G., Haider H., (2000), “Add3D, a new technique for precise power flux density measurements at mobile communications base stations”, ARC Seibersdorf Research GmbH, February 2000.
[5] Tekta, C. B., Aslan, M. H., Çakr, S. “Baz stasyonu Civarnda UMTS (3G) Ölçümü çin Geni Bant Ve Frekans-Seçici Ölçümlerin Karlatrlmas”, URSI- TÜRKYE’2018 IX. Bilimsel Kongresi, KTO Karatay Üniversitesi, Konya, 6-8 Eylül 2018.
[6] Bornkessel C., Wuschek M., (2006), “Exposure measurements of modern digital broadband radio services”, German Microwave Conference, 1-4, Karlsruhe/Germany, 28-30 March 2006.
[7] Henderson S.I., Bangay M. J., “Survey of RF Exposure Levels from Mobile Telephone Base Stations in Australia”, Bioelectromagnetics, 27, (1), 73-76, 2006.
[8] Fanning C. W., “Evaluating Cell Phone and Personal Communications Equipment and their EMC Effects on Automotive” Audio and In-Cabin Modules”, IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility, Honolulu, HI, USA, 9-13, July 2017.
[9] Khalifa T. A. B., Alnabi A. B. A., “Electromagnetic Pollution Emitted from Base Station”, International Journal of Science and Research (IJSR), 4, (1), 1125- 1132, 2015.
[10] Zhang, X., Yang, G., Wang, X., & Li, B. A DualBand And DualPolarized Antenna Array for 2G/3G/LTE Base Stations. International Journal of RF and Microwave ComputerAided Engineering, 26(2), 154-163, 2016.
[11] Wuschek M., (2017), “Frequency Selective Measurements of Human Exposure to RF
Electromagnetic Fields”, EMF Measurement Training Course, Part 5 - 6 , November 2017.
[12] Sandkç, G., “Radiation Measurement to Base Stations”, Graduate Thesis, Rize University, Department of Physics, 39-45, 2011.
[13] Genç O., Bayrak, M., Yaldiz, E., “Analysis of the Electromagnetic Pollution for a Pilot Region in Turkey”, J. Electromagnetic Analysis & Applications, 2: 139-144 2010.
[14] Sahin M. E., As N., Karan Y., “Selective Radiation Measurement for Safety Evaluation on Base Stations”, Gazi University Journal of Science, 26, (1), 73-83, 2013.
[15] Genc O., Bayrak M., Yaldiz E., “Analysis of the effects of GSM bands to the electromagnetic pollution in the RF spectrum”, Progress in Electromagnetics Research, 101, 17-32, 2010.
[16] Neubauer G., Lamedschwandner K., Cecil S., Schmid G., “Exposure assessment methods for emerging new technologies”, Proc. XXIX URSI General Assembly, 1-4, 2008.
[17] Ozovehe A., Usman A. U., Hamdallah A., “Electromagnetic Radiation Exposure From Cellular Base Station: A Concern For Public Health”, Nigerian Journal of Technology, 34, (2), 355-358, 2015.
[18] Nitu, V. Electromagnetic field exposure from GSM and UMTS indoor base stations. In Applied Mechanics and Materials (Vol. 332, pp. 98-103). Trans Tech Publications, 2013.
[19] NARDA, “GSM measurements with the Selective Radiation Meter SRM-3000”, NARDA, Narda Safety Test Solutions GmbH, Germany, 2007.
[20] Sanchez M.G., Alejos A.V., Cuinas I., “Urban wide-band measurements of the UMTS electromagnetic environment,” IEEE Trans. on Vehicular Technology, 53, (4), 1014-1022, 2004.
[21] Martens L., Olivier C., “Accurate electromagnetic exposure assessment around UMTS base stations with a spectrum analyzer”, In Proceedings of the 18th General Assembly of International Union Radio Science (URSI), 2005.
[22] Olivier C., Martens L., “Optimal settings for frequency- selective measurements used for the exposure assessment around UMTS base stations”, IEEE transactions on instrumentation and measurement, 56, (5), 1901-1909, 2007.
[23] NARDA, “UMTS measurements with the Selective Radiation Meter SRM-3000”, NARDA, Narda Safety Test Solutions GmbH, Germany, 2008.
[24] Olivier C., Martens L., “Measurement and processing techniques for the exposure assessment of electromagnetic fields of base stations using spread- spectrum modulation”, Proc. GA Int. Union