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
- Smart Antennas for Wireless Communications by Frank Gross
McGraw-Hill Professional; 2005 . 270 p.
- Smart
Antennas Tapan K. Sarkar, Michael C. Wicks, Magdalena Salazar-Palma,
Robert J. Bonneau. John Wiley 2003 452 p.
- 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.
- Janaswamy,
Ramakrishna. Radiowave Propagation and Smart Antennas for Wireless
Communications, Boston Kluwer Academic Publishers
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
- Smart Antennas for Wireless Communications by Frank Gross McGraw-Hill Professional; 2005 . 270 p.
- Smart Antennas Tapan K. Sarkar, Michael C. Wicks, Magdalena Salazar-Palma, Robert J. Bonneau. John Wiley 2003 452 p.
- 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.
- Janaswamy, Ramakrishna. Radiowave Propagation and Smart Antennas for Wireless Communications, Boston Kluwer Academic Publishers