Smart Antene (2.)

– Šta su to pametne (Smart) antene

– Klasifikaciji antena: izotropne, omni-direkcione i usmerene

Antenski sistemi

Kako se antena može napraviti inteligentnijom?

Najefikasniji način je taj da se fizički dizajn može izmeniti dodavanjem više elemenata, pri čemu više antena postaje antenski sistem koji se može dizajnirati tako da pomera signale pre transmisije na svakom od suksesivnih elemenata, sa čime se postiže kompozitni efekat. Ovaj osnovni hardverski i softverski koncept je poznat kao fazirani antenski niz (Phased Antena Array).

Sektorizovani sistemi

Sektorizovani antenski sistemi dele klasičnu ćelijsku oblast na sektore koji se pokrivaju korišćenjem usmerenih antena lociranih na istoj baznoj stanici. Operativno, svaki sektor se tretira kao druga ćelija a pri tom je domet veći nego u omni-direkcionom slučaju (prvi deo). Sektorske antene (slika 1) povećavaju mogućnost ponovne upotrebe frekvencijskih kanala u takvim celularnim (ćelijskim) sistemima smanjujući potencijalne interferencije unutar originalne ćelije. U praktičnoj upotrebi se koristi do 6 sektora po ćeliji. Kada se kombinuje više ovih usmerenih antena, bazna stanica može pokriti sve pravce.

Slika. 1- Sektorizovane antene i dijagram zračenja

Sistemi sa diversitijem

Pod tehnikama diversitija se podrazumevaju metode za poboljšanje pouzdanosti prenosa informacija korišćenjem dva или više kanala sa različitim karakteristikama.

Diversiti kombinovanje je jedan efikasan način da se prevaziđe problem fedinga. Tu se koristi činjenica da neke prijemne antene primaju vrlo mali nivo signala zbog fedinga (tzv. duboki feding), dok druge antene nisu pod uticajem dubokog fedinga, što se obezbeđuje njihovim prostornim razdvajanjem na odgovarajuće pozicije (prostorni diversiti- space diversity) или promenom u polarizaciji (polarizacioni diversiti).

Diversity nudi poboljšanje u efektivnoj snazi primljenog signala koristeći jednu od sledeće dve metode:

a) Divesiti sa izborom (switched diversity), slika 2.

U ovoj metodi se bira antena sa SNR (Signal-to-noise ratio) koji je veći od predefinisanog praga. Ako SNR padne ispod ovog praga, prebacuje se na drugi antenski izlaz koji zadovoljava kriterijum praga. Uvek se koristi antena sa najvećim izlazom. Na ovaj način se smanjuju negativni efekti slabljenja signala, ali se ne povećava dobitak jer se samo jedna antena koristi u isto vreme.

b) Diverziti kombinovanje (diversity combining), slika 3.

Ova metoda predstavlja logiku za kombinovanje prijemnih signala sa više antena u cilju poboljšanja kvaliteta prijemnog signala. Ovo je jedan efikasan način da se prevaziđe problem fedinga u radio kanalima. Npr, u slučaju dve antene, vrši se korekcija fazne greške u dva multipath signala i efektivno kombinuje snaga oba signala da proizvede dobitak. U opštem slučaju, kombinovanje signala sa više anena se može vršiti na više načina, kao što su:

a) selektivno kombinovanje (Selection Combining),

b) kombinovanje sa pragom,

c) kombinovanje maksimalnog odnosa (MRC- Maximal ratio combining),

d) kombinovanje sa jednakim pojačanjem (Equal gain combining),

pri čemu je izbor metode rezultat kompromisa između performansi i složenosti, zato što je makro celularni tip BS (bazna stanica) emituje daleko više snage na downlink-u nego što mobilni terminali mogu da generišu na povratnoj putanji. Većina diversiti antenskih sistema se realizuje samo na uplink-u (korisnik prema BS).

Slika 2 – Diversity sa izborom (Switched Diversity) u uslovima fedinga. Oblik efektivnog pokrivanja u slučaju

a) jedne antene i b) diversitija sa izborom sa dve antene

Slika. 3 – Diversiti sa kombinovanjem (diversity combining). Oblik efektivnog pokrivanja u slučaju a) jedne antene i b) diversiti kombinovanja sa dve antene.

U okruženjima sa visokom interferencijom jednostavna strategija fokusiranja na najjači signal или izvlačenja maksimalne snage signala iz antena nije prikladna i može rezultovati prijemom interferencije pre željenog signala. Sve ovo zahteva primenu DSP (Digital signal procesing) zajedno sa diversiti antenama, gde se inteligentno integrišu doprinosi signala sa pojedinačnih antena.

POTREBA ZA SMART ANTENAMA

Bežicni komunikacioni sistemi za razliku od žičnih dovode do nekih jedinstvenih izazova:

a) Dodeljeni ograničeni spektar rezultuje u ograničenju kapaciteta.

b) Okruženje za propagaciju i mobilnost koristinka dovode do povećanja slabljenja i proširenja u vremenu, prostoru i frekvenciji.

c) Ograničeni životni rok baterije predstavlja ograničenje u pogledu snage kod mobilnog uređaja.

Pored toga, bežični ćelijski komunikacioni sistemi moraju da se nose sa interferencijom zbog ponovne upotrebe frekvencija (frequency reuse). Napori u istraživanju efektivnih tehnologija koja bi umanjile takve efekte su u toku već tridesetak godina i bežicne komunikacije doživljavaju rapidan rast. Među ove napredne metode spadaju tehnike višestrukog pristupa, kodiranje kanala, ekvalizacija i korišćenje smart antena. Slika 4 prikazuje nedostatke bežičnih komunikacionih sistema, čije rešavanje predstavlja izazov za smart antene.

Slika 4 – Nedostaci bežičnih sistema

Antena u telekomunikacionim sistemima predstavlja “vrata” kroz koja se RF energija prenosi od predajnika ka spoljnom svetu u procesu emitovanja i obratno, od spoljašnog sveta do prijemnika u procesu prijema. Do danas su antene bile najviše zapostavljena komponenta u personalnim komunikacionim sistemima. Međutim, nacin na koji se RF energija predaje i prima iz prostora ima veliki uticaj na efikasnu upotrebu spektra, cenu uspostavljanja novih komunikacionih mreza i kvaliteta usluge, pružene od strane tih mreža. Usvajanje tehnika smart antena je obećavajuće rešenje za pomenute nedostatke bežicnih komunikacija.

PREGLED

Osnovna ideja na kojoj su razvijeni sistemi smart antena se najčešće objašnjava preko jednostavnog intuitivnog primera koji povezuje njihov rad sa radom ljudskog slušnog sistema (slika 5). Osoba je u stanju da odredi pravac dolaska (DoA- Direction of Arrival) zvuka koristeći proces koji se sastoji iz 3 faze.

a) Jedno uvo deluje kao zvučni senzor i prima signal

b) Zbog razmaka između ušiju svako uvo prima signal sa različitim vremeskim kašnjenjem

c) Ljudske mozak koji je specijalizovani procesor signala izvodi veliki broj izračunavanja da poveze informacije i izračuna lokaciju primljenog zvuka.

Slika 5- Audio funkcija čoveka

Da bi pružili bolji uvid u to kako sistemi smart antena rade, zamislićemo dve osobe koje vode razgovor unutar izolovane sobe kao što je to prikazano na slici 5. Slušalac je u stanju da odredi lokaciju govornika dok se kreće kroz sobu zato što glas govornika stiže do svakog zvučnog senzora, uveta, u različito vreme. Ljudski procesor signala, mozak, izračunava pravac govornika tako što računa razliku u vremenu između prijema signala na oba uveta. Naknadno mozak dodaje jačinu signala iz svakog uveta tako da se fokusira na zvuk iz izračunatog pravca.

Koristeći sličan proces, ljudski mozak je u stanju da napravi razliku između više signala koji dolaze iz različitih pravca. Ako se pojave dodatni govornici u konverzaciji mozak je u stanju da poboljša primljeni signal od govornika koji ga interesuje i da isključi neželjene ometače. Slušalac ima sposobnost da razlikuje glas jedne osobe između mnogo ljudi koji govore istovremeno i da se koncentriše na jednu konverzaciju u isto vreme. Na ovaj način bilo kakve neželjene smetnje su smanjene. Obrnuto slušalac može da odgovori nazad u istom pravcu ka željenom govorniku okrećući svoj transmiter, usta, ka govorniku.

Električni, pametni (smart) antenski sistemi rade na iste način koristeći dve antene umesto dva uveta i digitalni procesor signala umesto mozga kao što vidimo na slici 6. Na osnovu kašnjenja signala na antenskim elementima digitalni procesor signala izračunava pravac dolaska (DoA – Direction of Arrival) signala od interesa (SoI – Signal of Interest) i onda podešava ekscitacije (dobitke i faze signala) da bi proizveo obrazac zračenja koji se fokusira na SOI dok isključuje smetnje или signale koji nisu od interesa.

Slika 6- Dvo-elementna smart antena.

Kada se ista ideja prenese na mobilne komunikacione sisteme bazna stanica igra ulogu slušaoca, a aktivni ćelijski telefon simulira ulogu više zvukova koje čuje ljudsko uvo. Princip sistema smart antena je ilustrovan na slici 7.

Slika 7- Princip sistema sa smart antenama.

Digitalni procesori signala kod baznih stanica rade zajedno sa antenskim nizovima i odgovorni su za podešavanje različitih sistemskih parametra kako bi se isfiltrirale bilo kakve smetnje или signali koji nisu od interesa (SNOI- signals-not-of-interest) istovremeno poboljšavajući željenu komunikaciju или signal od interesa. Sistem formira dijagram zračenja na priolagodljiv način i dinamički odgovara na okruženje signala i njegove promene. Princip formiranja zraka (beamforming) se suštinski svodi na ponderisanje emitovanih signala na takav način da prijemnik dobije konstruktivnu superpoziciju različitih putanja signala. Treba primetiti da je potrebno određeno poznavanje prenosnog kanala na strani predajnika da bi formiranje zraka bilo moguće. Pregled tehnika beamforminga je dat na slici 8, koja prikazuje opšte ideje adaptivnog beamforminga.

Slika 8- Postupak adaptacije: (a) Izračunavanje težina beamformera i

(b) Beamform-irani antenski ampltudni dijagram zračenja koji pojačava

SOI a potiskuje SNOIs

U trećem delu biće reči o:

– Konfigurisanju smart antena

– Pristupu komunikacijama preko switched-beam i adaptivnih antena