Sakaru Pasaule - Žurnāls par
modernām komunikācijām

  
  


Atpakaļ Jaunais numurs Arhīvs Par mums Meklēšana

Intelektuālās antenas bezvadu tīklos

   

Smart Antennas 3-2

 

          Vēl pavisam nesen bezvadu tīklu aprīkojuma ražotāji nepievērsa pienācīgu uzmanību antenu projektēšanai. Taču situācija mainās. Jaunās intelektuālās antenas (smart antenna) ievērojami uzlabo bezvadu tīklu raksturlielumus, to skaitā arī palielina darbības rādiusu.

 

          Ar jēdzienu smart antenna (angl. – intelektuālā antenu sistēma) saprot daudzu bāzes antenu elementu un signālu apstrādes līdzekļu kopumu, kas spēj automātiski mainīt raksturlielumus, lai optimizētu lietderīgā signāla pārraidi un/vai uztveršanu. Intelektuālās antenas (IA) ļauj palielināt jebkuru bezvadu tīklu sistēmu caurlaides spēju un darbības zonu (šīs tehnoloģijas lieto arī PHS (Personal Handyphone System), GSM, WLL, WCDMA, Wi-Fi, Wi-MAX  un daudzos citos risinājumos.

 

Nedaudz vēstures

IA uzbūves koncepcija parādījās vairāk nekā pirms pusgadsimta. Pirmie minējumi par radiolokatoriem ar šo tehnoloģiju parādījās Otrā pasaules kara laikā. Pēc tam līdzīgas antenas daudzus gadus tika izmantotas militārās sistēmās, lai efektīvi radītu traucējumus ar minimālu enerģijas patēriņu. 60. gados adaptīvo un daudzstaru antenu teorija bija izstrādāta samērā labi. Taču īstu komerciālu veiksmi šīs tehnoloģijas piedzīvoja 80. gadu sākumā, kad tika radītas pirmās daudzstaru satelītantenas. Pirmais bija kosmiskais aparāts (KA) Intelsat-4A, kura retranslatorā bija izmantoti divi stari, kas nodrošina divkāršu frekvences izmantošanu. Katra nākošā Intelsat modifikācija attīstīja antenu tehnoloģiju, palielinot staru skaitu: KA Intelsat-5 (1981.) četri stari un līdz ar to četrkārša frekvenču izmatošana, Intelsat-6 (1989.) – seškārša utt.

Nepieciešamība ne tikai veidot lielu daudzumu noteiktas konfigurācijas staru, bet arī vadīt to formu, radīja virkni praktisku ierobežojumu, kas piemīt parastām antenu sistēmām ar reflektoru un pasīvu apraides režģi. Viengabala SAF integrālo shēmu parādīšanās ļāva izveidot aktīvo fāzu antenu režģi (AFAR) ar augstu uztvērēju moduļu raksturlielumu identitāti. Jāpiezīmē, ka AFAR rekonfigurācijas spēja tos padarīja praktiski neaizvietojamus retranslācijas kompleksu ar skandējošajiem vai lēkājošajiem stariem izveidē.

Pēdējā laikā strauji augusi interese par intelektuālo antenu sistēmām mobilo sakaru un datu pārraides sistēmās. Kāpēc tieši tagad, nevis pirms pieciem vai desmit gadiem? Atbilde : mūsdienās vajadzīgs daudz lielāks datu pārraides ātrums un apkopes kvalitāte, īpaši pirms trešās pakāpes sistēmu ieviešanas un pārejas uz IMT-2000 un UMTS.

Mēģināsim sistematizēt antenu sistēmas un izdalīt intelekta pazīmes. Ja par pamatu pieņemam antenas virziena stāvokļa diagrammas, tad visus antenu veidus var iedalīt trīs klasēs:

  • ar nemainīgu virziena diagrammu;
  • ar iespēju elektromehāniski pārvietot antenu un līdz ar to mainīgu virziena diagrammas stāvokli;
  • ar elektronisku (programmējamu) iespēju mainīt stara novietojumu telpā.

Šajā gadījumā pirmajā klasē tiks iekļautas visvirziena, vāji virzītās vai stipri virzītās antenas ar fiksētu stara novietojumu. Virziena diagramma paliks nemainīga, tātad antenas nav intelektuālas. Šādas ierīces tiek izmantotas abonentu terminālos, bāzes un radioreleju stacijās.

Otrajā klasē ietilpst antenas ar mehānisku vadību, kurās ir paredzēts speciāls tēmēšanas un sekošanas bloks, kas nodrošina precīzu antenas novirzīšanu ar programmas palīdzību (vai atkarībā no signāla). Šo antenu tipu plaši izmanto sakaru stacijās, kas darbojas caur ģeostacionārajiem satelītiem un radiolokācijā.

          Daudz plašāka ir trešā antenu klase, kurā veic automatizētas manipulācijas saskaņā ar virziena diagrammu un kas pēc savas būtības satur kādu intelektu, kas tiek realizēts programmas un aparātu līmenī. Šajā klasē ietilpst visu veidu antenas, sākot ar vienkāršu lapu pārslēgšanu un beidzot ar sarežģītu algoritmu lietošanu virziena diagrammas veidošanai.

          Tekstā minētie telpas apstrādes principi un to tehniskie risinājumi (dažāda veida daudzkanālu intelektuālo antenu sistēmas) nav jauni. Intelektuālāks risinājums ir saistīts ar jēdzienu antenas ciparu režģis (ACR) – antenu sistēmas, kas ietver analogo-ciparu kanālu kopu ar kopēju fāzu centru, kurā tiek veidota virziena diagramma ciparu formā.

 

Bezvadu tīklu raksturlielumu uzlabojums, izmantojot IA

 

Iepriekšējā nodaļā aprakstītās metodikas palielina attālumu, kādā tiek nodots signāls, palielinot tā kvalitāti, taču neviena no tām nepalielina caurlaides spēju. To būtiski var izdarīt, izmantojot intelektuālās antenas. Visvieglākais variants, kā palielināt kompleksa tīkla caurlaides spēju, ir pieejas staciju aprīkošana ar daudzām antenām, katra no kurām atbild par noteiktu raidītāju. Šo metodi sauc par SDMA (Space-Division Multiple Access), un tās priekšrocība ir tā, ka ar vairākām antenām ir jāaprīko tikai pieejas stacijas. Metode sniedz tīro ieguvumu caurlaides spējā, kas lineāri atkarīga no uztveršanas stacijā izvietoto antenu skaita. Palielinot antenu skaitu divas reizes, caurlaides spēja arī divkāršosies.

 

Telpas modeļu sadarbība

Daudzpieejas realizāciju, izmantojot telpas mehānismus, var iedomāties kā noteikta daudzuma šauri virzītu neatkarīgu un savā starpā neinterferējošu radiolīniju izdalīšanu, katrai tiek izdalīta ļoti maza telpas daļa.

Pirmās idejas pamatā ir plūsmu telpiskā atdalīšanā pa virzieniem, lai personificētu apmaiņas kanālu un piedāvātu izmantot adaptīvo ciparu diagrammu veidošanas principu. Sistēmas intelekts izpaužas dinamiskā apkalpojamās zonas pārklājuma optimizācijā ar operatīvu uztveršanas/pārraides staru pārvēršanu. Pārraides un uzverošo ierīču mijiedarbība prasa izveidot noteiktu skaitu neatkarīgu šauri vērstu un savstarpēji neinterferējošu radiolīniju, katrai no tām tiek izdalīta maza apkārtējās telpas daļa. Galvenais ieguvums ir iespēja vienlaikus apmainīt radiosignālus vairākos virzienos bez aizņemtās frekvenču joslas paplašināšanas, kas paaugstina radiosignālu apmaiņas enerģiju galvenokārt ap līniju, kas savieno raidītāju un uztvērēju.

 

Cits virziens, kas pēta iespējamos ceļus, kā uzlabot radiolīniju raksturlielumus, pamatojas uz telpas multipleksēšanu. Tehnoloģiju var realizēt, lai palielinātu gan mijiedarbojošos pāru caurlaides spēju, gan signāla/trokšņa attiecību un samazinātu kļūdu rašanās varbūtību (BER).

Atkarībā no tā, kāds bezvadu tīkla parametrs ir jāuzlabo, iespējami vairāki darbības scenāriji:

-         veidot raidītāja un uztvērēja antenu vērsuma diagrammas tā, lai nodrošinātu maksimālu pastiprinājumu ap optimālo un stabilāko pārraides ceļu. Tādā gadījumā visi daudzie vājie signāli kopā ar citiem izstarojumiem tiks uztverti kā traucējumi, un to virzienā vērsuma diagrammā tiks veidotas nulles. Rezultātā palielināsies signāla/trokšņu attiecība un tiks papildināta pārklājuma zona (maksimālais darbības rādiuss), īpaši, ja kāda iekārta atrodas sarežģītā trokšņu zonā;

-         nodot vienu un to pašu datu kopumu pa vairākiem iespējamiem ceļiem uztvērēja virzienā. Šajā gadījumā otrā radiolīnijas galā būs nepieciešams ne tikai saņemt to summu, bet arī korekti savienot signālus tā, lai gūtu maksimālu labumu;

-         marķēt pa paketēm sadalīto ieejošo datu plūsmu un novirzīt katru no tām pa savu ceļu uz uztvērēju, lai atjaunotu. Šādā antenu sistēmā ir jāpieliek pūles, lai noteiktu, kuram pieņemtajam signālam ir jādod priekšroka (t. i., uztverot sintezēt vairākas vērsuma diagrammas), dekodēt katru no ienākošās datu kopas daļām un pēc tam, orientējoties pēc mārkeriem, to savākt. Vidējais SNR lielums (ņemot vērā visas pieņemamās plūsmas) var būt mazāks nekā vienas plūsmas pieņemšanas gadījumā, taču, sasniedzot noteiktu rezervi, kopējais pārraides ātrums bezvadu tīklā ievērojami pieaug.

Pateicoties intelektuālo antenu sistēmai, bāzes stacijas var veidot pieprasījuma starus signālu uztveršanai/pārraidei individuāli katram mobilajam lietotājam. Turklāt reālā laikā tiek sintezēts apkārtējās vides modelis, ņemot vērā abonentu un trokšņu avotu savstarpējo novietojumu, pamatojoties uz kuru tiek veidota uztveršanas/pārraides stratēģija.

 

IA ievērojami paaugstina mobilo telekomunikāciju traucējumu noturību. Ciparu sakaru sistēmu lietderība strauji samazinās starp simbolu traucējumu, kļūdainu bitu, kā arī fāzē nesakrītošu signālu jaudas feidinga (izzušanas) dēļ, kas rodas no daudzkārtējas atstarošanas. Pateicoties IA, radiokanālu darbs, kad radioviļņi izplatās pa vairākiem ceļiem, pirmo reizi vēsturē kļūst drošs.

Frekvenču joslas plānu izvēli mobilajos tīklos nopietni ierobežo starpkanālu traucējumi – vienlaikus pazūd signāls no vairākiem raidītājiem ar tuvu nesošo vērtību uztvērēja ieejā. Elastīga orientācijas un pārrāvumu vadība ciparu virziena diagrammās traucējumu nomākšanā novērš šo problēmu, un mobilā tīkla darbības zonā strauji samazinās nepastāvīgas uztveršanas zonas, bet bāzes staciju darba efektivitāte pieaug par 20-200 procentiem atkarībā no dabas apstākļiem, aparatūras un programnodrošinājuma. Sagaidāms, ka tāda noturīgas zonas paplašināšana kompensēs IA sistēmas realizācijas izmaksas un pat ļaus pazemināt sakaru pakalpojumu cenu.

 

Vienkārša matemātika

Konceptuāli šis darbs ir vienkāršs, kā parādīts zīmējumā.

 

Iedomājieties vienkāršu divu antenu bāzes staciju, kas cenšas komunicēt ar diviem lietotājiem - A un B - vienā kanālā. Vienlaikus iedomājieties, ka signāls no dažādiem lietotājiem bāzes stacijā pienāk pa dažādiem ceļiem, antena saņem šādu signālu kombināciju:

lietotāja A signāls bāzes stacijā: (+A, +A)

lietotāja B signāls bāzes stacijā: (+B, - B)

Ievērojiet atšķirību starp iezīmēm: lietotāja A signāls pienāk fāzē starp divām antenām un lietotāja B signāls pienāk ārpus fāzes starp divām antenām. Šīs iezīmes bieži tiek sauktas par telpiskajām iezīmēm. Reālajā pasaulē šīs iezīmes ir N dimensiju kompleksas telpas vektori, kur N ir antenu skaits.

Šie signāli pienāk bāzes stacijā kā signālu kombinācija:

bāzes stacija saņem signālu: (+A +B, +A - B)

Tagad tikai jāizsecina lietotāja A signāls no interferences, ko izraisa lietotāja B signāls. Vienkārši pievienojam divus signālus ar svara vektoru (1,1):

lietotājam A: (+1, +1) · (+A + B, +A - B) = (+A +B) + (+A –B) = 2A

... un līdzīgi rīkojamies ar lietotāja B signālu, lietojam svara vektoru (+1,-1):

Lietotājam B: (+1, -1) · (+A + B, +A - B) = (+A +B) - (+A –B) = 2B

Vienkāršs adaptīvās antenas modelis. Lietotāja signāli pienāk relatīvi dažādās fāzēs un amplitūdas masīvā. Svari tiek lietoti, lai iegūtu katra atsevišķa lietotāja signālus. Katrā gadījumā ir jālieto atbilstoši svaru vektori, bāzes stacija spēj iegūt un atdalīt lietotāja A un lietotāja B signālus vienu no otra, lai gan tie tika uztverti vienlaikus.

Tradicionālajā vienas antenas sistēmā šis process nebūtu iespējams, un bāzes stacija nespētu atšķirt divus signālus. Iedomājieties bāzes staciju tikai ar vienu antenu. Šajā gadījumā saņemtais signāls tiek modelēts šādi: vienīgās antenas uztvertais signāls = (+A + B) un bāzes stacijā ir signālu juceklis no lietotāja A un lietotāja B, kas traucē cits citu.

 

IA programmas un pētījumi

Starp mobilo sakaru tīklu sistēmu projektiem vispirms atzīmēsim tos, kas ietilpst Eiropas strukturālajā informācijas sabiedrības tehnoloģiju (EU Framework Programme Information Society Technologies – IST) programmā:

- SATURN (Smart Antenna Technology in Universal bRoadband wireless Networks);

- ADAMANT (Airport Decision And MANagement neTwork). ADAMANT ir liela Eiropas projekta daļa, kura galvenais mērķis ir radīt tehnoloģiju avioreisu kavēšanās samazināšanai, kas saistīta ar pasažieru kavēšanos. Prognozējam, ka ar ADAMANT starpniecību būs iespējams reāla laika režīmā noteikt aviokompāniju klientu atrašanās vietu un nosūtīt uz mobilajiem telefoniem īsus paziņojumus par iesēšanās sākumu, reisa aizkavēšanos utt.

Citas programmas, kas saistītas ar IA izmantošanu, un to izstrādātāji redzami attēlā.

Jāpievērš uzmanība arī eksotiskākiem projektiem, kuros tiek izmantotas IA. Tās ir kvazistacionāru satelītu sakaru sistēmu izstrāde, ko veic Mitsubishi Electric (Japāna) un Angel Technologies Corporation (ASV) projekts HALONetwork ar stratosfēras bāzes staciju megajoslas radiotīklu, kas izvietots speciālā lidmašīnā Proteus.

 

Mitsubishi Electric projektā kvazistacionāras sistēmas pamatu veido trīs satelīti, kas atrodas eliptiskā orbītā 42 000 km augstumā ar orbītas novirzi 45. Katrs satelīts ir aprīkots ar plakanu aktīvo antenu tīklu S diapazonā (2,6 GHz), kas veido 160 šaurus ciparu starus, kuri nodrošina visas Japānas sauszemes teritorijas pārklājumu un spēj uzturēt 100 000 divvirzienu sakaru kanālus (5 miljonus abonentu). Antena ir izgatavota no kevlāra materiāla 2 mm biezumā un 45x45 m platumā. Kvazistacionārā sistēma ir orientēta arī uz militāru uzdevumu privātiem sakariem.

 

Pašreizējais stāvokis

Korporācijas Intel un kompānijas ArrayComm pārstāvji paziņoja par vienošanos, kas vērsta uz virkni prasību, kuras uzlabo intelektuālo antenu tehnoloģiju atbalstu, integrāciju IEEE 802.16 standartā. ArrayComm izstrādā intelektuālās antenas saskaņā ar IEEE 802.16 standartu, bet Intel realizē ArrayComm risinājumu atbalstu savos nākotnes mikroshēmu komplektos IEEE 802.16e Wi-MAX klientu ierīcēm. Sagaidāms, ka šāda sadarbība ļaus ievērojami palielināt 802.16 risinājumu darbības zonu un caurlaides spēju, kā arī uzlabos to nodrošinošo sakaru kvalitāti, pateicoties kurai Wi-MAX lietotāji varēs pārraidīt datus lielākā attālumā ar lielāku ātrumu.

Viena no galvenajām problēmām ir rast iespēju ierīkot vairākas antenas gala ierīcēs. Šajā virzienā tiek veikta aktīva izstrāde. Vienlaikus ar to standartu IEEE 802.16 un 802.16d/e komisijas izstrādā labāko veidu intelektuālo antenu ieviešanai.

Vladimirs KARPUHINS,

profesors, Dr.habil.sc.ing.,

SIA VERSIJA viceprezidents

 

 

Literatūra

  1. Smart Antennas for Wireless Communications by Frank Gross McGraw-Hill Professional; 2005 . 270 p.
  2. Smart Antennas Tapan K. Sarkar, Michael C. Wicks, Magdalena Salazar-Palma, Robert J. Bonneau. John Wiley 2003 452 p.
  3. J.S. Blogh and L. Hanzo. Third Generation Systems and Intelligent Wireless Networking: Smart Antennas and Adaptive Modulation. John Wiley & Sons Inc. New York, 2002.
  4. Janaswamy, Ramakrishna. Radiowave Propagation and Smart Antennas for Wireless Communications, Boston Kluwer Academic Publishers
 
Design and programming by Anton Alexandrov - 2001