Mnogi za smart antene kažu pametne antene, ali u stvarnosti antene same po sebi nisu i ne mogu biti pametne. Mogućnost digitalne obrade signala zajedno sa antenama čine ovaj sistem “pametanim”. Iako izgleda da smart antene predstavljaju novu tehnologiju, osnovni principi na kojima se zasnivaju nisu novi i datiraju iz sedamdesetih godina prošlog veka.
Dva specijalna izdanja časopisa „IEEE Trasaction on Antennas and propagation” su bila posvećena adaptivnim antenskim nizovima (antenna arrays) i pridruženim tehnikama obrade signala (1970. i 1980. godine). Korišćenje adaptivnih antena u komunikacionim sistemima najpre je privuklo pažnju u vojnim primenama. Ove tehnike se koriste dugi niz godina u elektronskom ratovanju (EWF-electronic warfare) kao protivmere elektronskom ometanju. U vojnim radarskim sistemima, slične tehnike su bile u upotrebi tokom Drugog Svetskog Rata. Međutim, samo zbog današnjeg napredaka u razvoju moćnih i jeftinih digitalnih procesora signala, procesora opšte namene i ASICS (Application Specific Integrated Circuits), kao i inovativnih softverski zasnovanih tehnika (algoritmi) obrade signala, smart antena postaju komercijalno dostupne.
Smart antene predstavljaju antenski niz sa algoritmima za obradu signala (array processing) u cilju automatske optimizacije i prilogodjenja predajnog i/ili prijemnog dijagrama zračenja antenskog niza na konkretni scenario signala.
Antene i antenski sistemi
Antena u telekomunikacionom sistemu predstavlja uređaj koju u postupku prenosa signala povezuje RF (radio-frekvencija) energiju predajnika sa slobodanim prostorom na predajnoj straini i RF energiju iz slobodanog prostora sa prijemnikom na prijemnoj strani.
U zavisnosti od radijacionih karakteristika (radiation characteristics), antene se mogu kalsifikovati kao izotropne, omni-direkcione i usmerene. U zavisnoti od njihove funkcionalnosti i principa rada, antenski nizovi mogu biti fazirani nizovi (phased arrays) i adaptivni nizovi (adaptive arrays).
Izotropne antene
Izotropna antena je ona koja zrači energiju podjednako u svim pravcima. Iako ovakvi elementi nisu fizički izvodljivi, oni se često koriste kao referenca za poređenje radijacionih karakteristika stvarnih antena.
Omni-direkcione antene
Omni-direkcione antene imaju izotropni oblik zračenja u datoj ravni, a usmeren u ortogonalnoj ravni (sl.1). Od ranih dana bežičnih komunikacija postoji jednostavna dipol antena koja zrači i prima podjednako dobro u svim pravcima. Da bi signal stigao do korisnika, ovaj element emituje signal višesmerno koji podseća na kružno talasanje u vodi. Omni-direkcione antene su adekvatne za jednostavna RF okruženja gde ne postoje, ili nisu potrebni, nikakvi podaci u smerovima gde se nalaze korisnici. Međutim, ovakav nefokusiran prilaz rasipa signale koji stižu do željenih korisnika samo sa malim procentom ukupne snage koja se emituje u okolinu.
Slika 1- Omni-direkciona antena i dijagram zračenja.
Usled ovog ograničenja, omni-direkcione strategije pokušavaju da prevaziđu izazove koje nameće okruženje jednostavnim povećanjem nivoa snage signala koji se emituje. Ovo stvara lošu situaciju, u uslovima brojnih korisnika, u smislu da signali koji “promaše” željenog korisnika postaju smetnja (inerferencija) za ostale korisnike u istoj ili susednoj ćeliji. Osim toga, pristup sa antenama kao pojedinačnim elementima ne može selektivno potisnuti signale koji interferiraju sa onim od servisiranih korisnika. Dakle, u ovom pristupu nema mogućnosti “ublažavanja” prostornog “multipatha” ili ekvalizacije.
Omni-direkcione strategije direktno i negativno utiču na spektralnu efikasnost ograničavajući ponovnu upotrebu frekvencija (frequency reuse). Ova ograničenja primoravaju projektante sistema i administratore mreža da razviju vrlo sofisticirana i skupa rešenja za ove probleme, a zahtevi tržišta uvek zahtevaju visoke performance uz smanjenje troškova. U proteklim godinama ograničenja tehnologije radio-difuznih antena u pogledu kvaliteta, kapaciteta i pokrivenosti bežicnih sistema, doveli su do evolucije osnovnog dizajna i uloge antena u bežičnim sistemima.
Usmerene antene
Za razliku od omni-direkcionih antena, gde se snaga zrači jednako u svim pravcima horizontzalne ravni, usmerene antene koncentrišu zračenje snage primarno u određenom smeru ili ugaonoj oblast (slika 2). Osobine zračenja signala ovih antena se opisuju dijagramom zračenja (radiation pattern), koji predstavlja izmerenu vrednost izračene energije sa antene na različitim uglovima pri nekom konstantnom radijalnom rastojanju. U bliskom polju relativni oblik zračenja je promenljiv u zavisnosti od rastojanja od antene, dok je u dalekom polju relativni oblik zračenja u osnovi nezavisan od rastojanja od antene.
Pojedinačne antene se mogu konstruisati tako da imaju fiksni preferecijalni transmisioni i prijemni pravac. Mnogi konvencionalni antenski tornjevi razdvajaju ili dele ćelije u sektore. Oblast od 360 stepeni je često podeljena u 3 pod-oblasti od po 120 stepeni, od kojih je svaka pokrivena zračenjem sa usmerene antene (sektorske antene).
Slika 2 – Usmerena antena i dijagram zračenja
Sektorske antene imaju veći dobitak u ograničenom opsegu ravni u poređenju sa omni-direkcionim antenama. Ovo se često naziva dobitak elementa antene i ne treba ga mešati sa procesnim pojačanjem (dobitkom) koji se odnosi na antenske nizove, odnosno smart antene. Dok sektorisane antene poboljšavaju upotrebu kanala, one ne prevazilaze najveću manu standardnih omni-direkcionih antena koja se odnosi na interferenciju susednih kanala.
Fazirani antenski nizovi (Phased antenna array)
Fazirani antenski nizovi koriste niz pojedinačnih elemenata (antena) i kombinuju signale indukovane na svakom elementu da bi formirao signal na izlazu antenskog niza. Pravac na kome dolazi do maksimuma dobitaka se obično kontroliše pravilnom podešavanjem amplitude i faze između različitih elemenata. Slika 3 opisuje koncept faziranih antenskih nizova.
Slika 3 – Koncept faziranih antenskih nizova.
Adptivni antenski nizovi (Adaptive antenna array)
Poslednjih nekoliko decenija intenzivno se ispitujue primena adaptivnih antenskih nizova u komunikaconim sistemima. Glavni cilj ovih napora je da se razviju antenski nizovi koji bi obezbedili zaštitu od interferencije i pouzdanu akvizicuju i praćenje signala u komunikacionim sistemima. Karakteristike zračenja ovih antenskih nizova se adaptivno menjaju u skladu sa promenama i zahtevima okruženja u oblasti zračenja. Istraživanja u oblasti adaptivnih antenskih nizova uključuju i teoretski i eksperimentalni aspekt različitih primena. Oblast adaptivih senzorskih nizova (adaptive sensor array) je aktuelna tehnologija sa mnoštvom literature vezane za različite aspekte ovih sistema.
Adaptivni antenski nizovi, u odnosu na konvencionalne antenske nizove, omogućavaju određene prednosti kako u konunikacionim tako i u radarskim sistemima. Oni imaju dobro znane prednosti u formiranju oblika dijagrama zračenja koji su fleksibilni, brzo se podešavaju, omogućuju adaptivno prostorno filtriranje (beamforming) i formiranje nula u dijagramu usmerenosti prema izvoru interferencije (null-steering). Zbog fleksibilnosti upotrebe raspoloživih elemenata antenskih nizova u adaptivnom modu, mogu se prevazići mnogi, ali ne svi, nedostaci u projektovanju konvencionih antenskih nizova. Zbog toga klasični ciljevi kao što su niski bočni lobovi (sidelobes) i uska širina snopa zračenja, mogu biti ignorisani u implenmentaciji adaptivnog antenskog niza. Međutim, postoje i nedostaci u primeni adaptivnih antenskih nizova, kao što je “nulta rešetka” (grating nulls) pri nepravilnom izboru razmeštaja elemenata i oblika zračenja.
Adeptivni antenski niz kontinualno prilagođava svoj oblik dijagrama zračenja preko kontrole povratne sprege. Principijelna namena adaptivnih senzorskih nizova je da poboljša detekciju i prijem određenih željenih signala. Oblik dijagrama zračenja antenskog niza moze biti usmeren u željenom pravcu primenjujuci ponderisanje (množenje sa težinskim faktorima) faza (phase weighting) duž antenskog niza i moze se oblikovati ponderisanjem amplituda i faza sa izlaza elemenata niza. Osim toga, adaptivni nizovi “osećaju” okolne izvore interferencije i automatski ih potiskuju, poboljšavajući npr. performanse radarskog sistema bez apriornih podataka o lokaciji interferencije. U poređenju sa konvencijalnim antenskim nizovima, adaptivni nizovi su obično raznovrsniji i pouzdaniji.
Glavni razlog napredka u tehnologiji adaptivnih antenskih nizova je mogućnost njihovog automatskog reagovanja na nepoznato interferentno okruženje putem formiranje nula (steering nulls) smanjenja nivoa bočnih lobova u dijagramu zračenja u smeru interferencije, a pri tome čuvajući karakteristike zraka željenog signala. Većina antenskih nizova se realizuje sa fiksnim težinskim faktorima tako da se dobije dijagram zračenja koji je kompromis između rezolucije, dobitaka i malih bočnih lobova (listovi). Međutim, prilagodljivost ovih antena se postiže upotrebom sofisticiranijih tehnika za ponderisanje antenskog niza (array weighting). Posebno su atrektivne adaptivne šeme koje mogu da “osete” i reaguju na okruženje koje varira u vremenu. Precizna kontrola podešavanja nula (null placement) u adaptivnim antenskim nizovima rezultuje u blagom pogoršanju izlaznog odnosa signala i šuma (SNR – Signal-to-noise ratio).
Adaptivni antenski nizovi su obično opremljeni sa procesorima signala koji mogu automatski podesiti promeljive tako da se maksimizira SNR. Željeni signal se prima istovremeno zajedno sa interferencijom i šumom na izlazu prijemnika. Adaptivna antena skenira dijagram zračenja dok se ne fiksira u optimalnom pravcu (u kom je SNR maksimalan). U tom pravcu je maksimum dijagrama zračenja idealno u smeru željenog signala.
Adaptivni antenski nizovi su bazirani na DSP (digital signal processing) algoritmima i mogu u principu da prime željeni signal iz bilo kog ugla dolaska. Ipak, SINR (signal-to-interference plus-noise ratio) dobijen sa antenskog niza zavisi kritično od dijagrama zračenja pojedinačnih elemenata niza i razmaka između antena u nizu, jer variraju uglovi dolaska željenog i interferentnog signala i polarizacije.
U nastavku pročitajte nešto više o antenskim sistemima i potrebom za smart antenama.