آنتنهاي هوشمند از گذشتههاي دور
به طور معمول، كلمة آنتن به يك وسيلة مكانيكي اطلاق ميشود كه امواج الكترومغناطيسي را به جريان الكتريكي و بالعكس تبديل ميكند و ما آن را بيشتر به عنوان يك تشعشعكننده ميشناسيم. اما در مبحث آنتنهاي هوشمند، كلمة آنتن مفهوم جامعتري دارد و شامل يك فرستنده و گيرندة كامل است.
http://teyf.itan.ir/paper/425/1.JPG
تئوري آنتنهاي هوشمند يا تطبيقي، موضوع جديدي نيست و از اين آنتنها سالها در جنگهاي الكترونيك استفاده ميشده است؛ اولين استفادة عملي از آن به جنگ جهاني دوم (1940) بر ميگردد.
در صنايع نظامي نياز است كه يك هدف را كه با سرعت زياد حركت ميكند، رديابي كنند. از آنجا كه ثابت زماني گردش مكانيكي آنتن به علت اينرسي زياد آن، خيلي زياد است، نميتواند با ثابت زماني مدارات الكترونيكي گيرنده و فرستندة آنتن منطبق شود و به همين دليل، سرعت رديابي به شدت كند ميشود. در نتيجه، اين ايده مطرح شد كه فضا را با چرخش الكترونيكي راستاي ديد آنتن جاروب كنند.
http://teyf.itan.ir/paper/425/2.JPG
مراحل رسيدن به آنتنهاي هوشمند فعلي را ميتوان به صورت زير بيان كرد:
نوع اول) adaptive null steering smart antenna
نوع دوم) phased array smart antenna
نوع سوم) switched beam smart antenna
استفاده از آنتنهاي هوشمند نوع اول و دوم در صنايع مخابراتي بسيار پرهزينه است و براي پيادهسازي آن در شبكههاي سلولي امروزي، بايد تغييرات گستردهاي در ساختار اين شبكهها ايجاد گردد. علاوه بر اين، به علت زياد بودن تعداد كاربران و نيز اثرات تضعيف مختلف، بهرة آنها بسيار محدود است. ولي استفاده از آنتنهاي هوشمند نوع سوم، به تغييرات گسترده در شبكة سيار سلولي حاضر نياز ندارد. همچنين، با استفاده از الگوريتمهاي مناسب ميتوان بهرة آنها را تا حد مطلوب بهبود بخشيد.
در سادهترين بيان، آنتن هوشمند آنتني است كه پترن (pattern) آن ثابت نبوده و آن را با شرايط فعلي راديويي (موقعيت مشترك) تطبيق ميدهد.
لزوم استفاده از آنتنهاي هوشمند
از آنجاييكه براي طراحي شبكههاي امروزي، تمام تلاشها روي بهينهسازي روشهاي مدولاسيون، كدينگ و استانداردها متمركز بودهاست، به تكنولوژيهاي مرتبط با آنتن توجه كمتري شدهاست؛ در حاليكه براي رفع نيازهاي شبكههاي سلولي آينده بايد آنها را تا حد ممكن هوشمند طراحي كرد. در همين راستا، عمدة توجهات روي ..... كردن فضا متمركز شده است. ..... كردن در حوزة فضا، بين كاربرهايي كه از يك كانال راديويي مشترك استفاده ميكنند، تمايز ايجاد ميكند و در نتيجه ميتوان از فضا به عنوان يك روش دستيابي (access) در تركيب با روشهاي دستيابي كنوني نظير FDMA، TDMA و CDMA استفاده كرد. ذكر اين نكته لازم است كه در اينجا منظور از كانال، فركانس كارير، شيار زماني و كد است. در واقع آنتن هوشمند ميتواند كاربرهايي را كه فركانس، شيار زماني و كد آنها يكي است، از هم تشخيص دهد.
آغاز تحقيقات گسترده براي استفادة تجاري از آنتنهاي هوشمند، به سال 1994 بر ميگردد. اين مساله ممكن است اين سوال را مطرح سازد كه چرا با اين همه تأخير به فكر استفاده از آنتنهاي هوشمند افتادهايم و نه مثلاً بيست سال پيش؟ در پاسخ به اين پرسش بايد به دو نكته توجه كرد:
1– در حال حاضر نياز شديدي به افزايش ظرفيت در شبكههاي مخابراتي وجود دارد؛ در حاليكه در گذشته چنين نبوده است.
2- امروزه پردازندههايي با سرعتهاي فوقالعاده بالا و قيمت مناسب ارائه شدهاست؛ در حاليكه در گذشته از اين امكان برخوردار نبوديم.
طبقهبندي آنتن هوشمند
بسته به اينكه آنتنهاي هوشمند بيم خود را چگونه توليد ميكنند، ميتوان آنها را به سه دسته تقسيم كرد. اين تقسيمبندي در واقع يك سطح هوشمندي به اين آنتنها تخصيص ميدهد:
1- switching beam or switching lobe smart antenna )SBA)
در اين روش، آنتن هوشمند تعداد محدودي بيم در اختيار دارد و بسته به موقعيت مشترك، بيمي را انتخاب ميكند كه بيشترين مقدار "نسبت سيگنال به نويز ( SNR )" را داشته باشد. بدينترتيب، توان سيگنال دريافتي افزايش مييابد. اين آنتن به سادگي قابل پيادهسازي بوده و هماكنون تلاشهاي زيادي جهت استفاده از آن در نسل دوم و سوم شبكههاي مخابراتي در حال انجام است.
2- tracking beam or dynamically phased array smart antenna )TBA)
در اين روش كه به نوعي تعميم روش قبلي است، با در نظر گرفتن "جهت سيگنال دريافتي از مشترك (DoA) " ميتوان مشترك را در محدودة سلول توسط يك بيم رديابي كرد. اين روش باعث بهبود توان سيگنال دريافتي ميشود.
در يك آنتن آرايهفازي، در تغذية هر آرايه از يك شيفتدهندة فاز استفاده ميشود؛ در نتيجه بين هر دو آرايه يك اختلاف فاز به وجود ميآيد كه ميزان چرخش بيم آنتن را تعيين ميكند. با در نظر گرفتن اختلاف فاز بين دو سيگنال دريافتي از دو آراية مجاور، ميتوان جهت مشترك را تخمين زد.
3 - optimum combining or adaptive array smart antenna
در اين روش از همان الگوريتم DoA براي دريافت سيگنالهاي تداخلي استفاده ميشود. اما در گيرنده با ضرب كردن اين سيگنالها در توابع وزن مناسب، ميتوان بيم آنتن را طوري جهت داد كه حداكثر سيگنال دريافت شود. در واقع در اين روش، "نسبت سيگنال به مجموع تداخل و نويز (SINR) " بهينه ميشود.
در هركدام از روشهاي بالا، سيگنال دريافتي از هر المان آرايه در يك بردار وزن ضرب ميشود. آنچه كه اين روشها را از هم متمايز ميكند، چگونگي محاسبة اين بردار وزن و نيز معيارهاي لازم براي محاسبة آن است.
وقتي كه آنتن هوشمند به يكي از روشهاي فوق به كار گرفته شد، ميتوان يك طبقهبندي ديگر نيز بسته به نوع كاربرد براي آن در نظر گرفت:
1 - high sensitivity reciever )HSR)
در اين الگو، آنتن هوشمند فقط در حالت uplink بهكار ميرود. بنابراين ميتوان با افزايش بهره، حساسيت آن را افزايش داد. اين مفهوم، چيزي غير از همان مفهوم diversity كه در شبكههاي مخابراتي پيادهسازي شدهاست، نيستhttp://teyf.itan.ir/paper/425/3.JPG.
2- spatial filtering for interference reduction )SFIR)
در اين الگو، از آنتن هوشمند در هر دو جهت uplink و downlink استفاده ميشود. در اين حالت بهرة آنتن در هر دو جهت افزايش مييابد. بدينترتيب، به نوعي فضا را ..... ميكنند.
3- spatial division multiple access )SDMA)
اين روش، آخرين گام در تكامل آنتنهاي هوشمند است. بهطوريكه با استفاده از آن ميتوان با كاربرهاي زيادي كه از يك كانال مخابراتي مشترك در يك سلول استفاده ميكنند به طور همزمان ارتباط برقرار كرد. تنها عامل جداكنندة اين كاربرها زاوية فضايي است. اين روش باعث افزايش ظرفيت روشهاي دستيابي قبلي ميشود. استفاده از SDMA در سيستمهاي نسل دوم كه مبتني بر TDMA هستند تا حدي مشكل است ولي پيشبيني ميشود كه در آيندة نزديك، SDMA يك جزء اساسي در سيستمهاي مخابراتي نسل سوم مبتني بر CDMA باشدhttp://teyf.itan.ir/paper/425/4.JPG.
فوايد استفاده از آنتنهاي هوشمند
افزايش ظرفيت: در نواحي پرجمعيت، تداخل عامل مهم محدودكنندة ظرفيت است. آنتنهاي هوشمند به طور همزمان با افزايش سطح سيگنال مفيد دريافتي و كاهش اثر تداخل، SIR را افزايش ميدهند.
درسيستمهاي CDMA ، تداخل عامل مهمي در محدودكردن ظرفيت محسوب ميشود. علت اين امر، عدم دقت در تعامد كدها است. بدينترتيب پيشبيني ميشود كه بهبود ظرفيت در سيستم CDMA خيلي بيشتر از ساير روشهاي دستيابي باشد. نتايج تجربي براي سيستم CDMA افزايش ظرفيتي از مرتبة 5 و براي سيستم TDMA افزايش ظرفيتي از مرتبة 3 را نشان ميدهند.
افزيش محدوة تحت پوشش: در نواحيي كه توزيع جمعيت پراكنده باشد، با توجه به اينكه ميتوان پ?تِرن آنتن را سمتگراتر كرد، با استفاده از سيستمهاي هوشمند ميتوان آنتنها را خيلي دورتر نسبت به هم قرار داد كه اين امر به معني افزايش محدودة تحت پوشش شبكة بدون سيم است.
افزايش عمر باتري: با توجه به اينكه در سيستم SDMA پ?تِرن آنتن سمتگراتر ميشود، توان ارسالي به گوشي افزايش مييابد و اين مساله باعث افزايش عمر باتري ميشود.
اراية سرويسهاي جديد: با استفاده از آنتنهاي هوشمند، اطلاعات مفيدي دربارة موقعيت مكاني مشتركان در اختيار خواهيم داشت. از اين اطلاعات مي توان جهت اراية سرويسهاي جديد به مشتركين بهره جست.
افزايش امنيت مكالمات: از آنجا كه براي استراق سمع يك ارتباط بايد مشترك مزاحم دقيقاً در همان زاوية فضايي كه آنتن BS ، مشترك مورد نظر را ميبيند قرار داشته باشد، استراق سمع هنگام استفاده از آنتنهاي هوشمند بسيار مشكل است.
كاهش انتشار multi-path : با استفاده از يك بيم باريك در BS براي ارتباط با مشترك، انتشار multi-path در BS كاهش مييابد. البته اين كاهش انتشار خيلي چشمگير نيست.
هزينهها و معايب استفاده از آنتنهاي هوشمند
پيچيدگي تجهيزات فرستنده و گيرنده: با توجه به مباحث قبلي، تجهيزات بهكاررفته در يك آنتن هوشمند خيلي پيچيدهتر از آنتنهاي فعلي است. علاوهبر اين، الگوريتمهاي تشكيل بيم نياز به محاسبات پيچيده دارند. به اين معني كه BS هاي آنتنهاي هوشمند نياز به پردازندههاي قدرتمند و سريع دارند. در نتيجه، هزينة آنها خيلي بيشتر از BS هاي آنتنهاي امروزي است.
پيچيدگي مديريت منابع راديويي: عليرغم آنكه آنتن هوشمند يك تكنولوژي راديويي است، ولي استفاده از آن تقاضاهاي جديدي را از مديريت شبكه، مديريت حركت و مديريت منابع (عملياتي كه عمدتاً در لاية سوم و اندكي در لاية چهارم صورت ميگيرند) درخواست ميكند كه اين مساله حجم پردازشي را كه مديريت شبكه بايد انجام دهد بهشدت افزايش ميدهد. در نتيجه، مديريت منابع راديويي پيچيدهتر ميشود.
هنگامي كه بايد تماس جديدي برقرار شود و يا تماس فعلي از يك سلول به سلول ديگر handover شود، BS مورد نظر هيچگونه اطلاعاتي از موقعيت فضايي و زاويهاي موبايل مورد نظر ندارد. در اين وضع، ابزارهايي جهت يافتن موقعيت موبايل لازم است. اين عمل ميتواند بدين طريق صورت گيرد كه در BS يك بيم به طور دائم فضا را جاروب كند تا ببيند كه آيا مشترك ديگري براي برقراري تماس، درخواست داده است يا نه. اين بيم را اصطلاحا tracking beam مينامند. روش دومي نيز با استفاده از يك سيستم موقعيتيابي خارجي نظير GPS وجود دارد. در حالتيكه عمل handover لازم باشد، علاوهبر روشهاي فوق، روش سومي نيز وجود دارد. بدينترتيب كه براي حدس زدن سلولي كه موبايل قصد رفتن به آن را دارد از اطلاعات زاويهاي و فضايي موبايل استفاده كنيمhttp://teyf.itan.ir/paper/425/5.jpg.
همانطوريكه كه گفتيم، در سيستم SDMA ، كاربرهاي مختلف در درون يك سلول از يك كانال مخابراتي مشترك استفاده ميكنند و تنها زاوية فضاييشان باهم فرق دارد. حال اگر بين اين كاربرها تصادم زاويهاي رخ دهد، براي اينكه ارتباط ادامه داشته باشد يكي از آنها بايد بلافاصله به كانال ديگري فرستاده شود. اين بدين معني است كه در اين سيستم، علاوه بر آن handover ي كه در سيستمهاي قبلي نظير CDMA و TDMA داشتيم به يك intracell handover هم نياز داريم.
بزرگي اندازة فيزيكي: براي اينكه آنتن هوشمند بهرة مطلوب را داشته باشد، نياز به آنتن آرايهاي با المانهاي زياد داريم. طبق آزمايشهاي صورت گرفته، آرايههايي با 6 الي 10 المان براي محيطهاي outdoor پيشنهاد ميشود. فاصلة اين المانها از هم حدود 4/0 الي 6/0 طولموج است. با اين توصيف، يك آنتن آرايهاي مشتمل بر 8 المان در فركانس MHz 900 ، حدود m 2/1 و در فركانس GHz 2 ، حدود cm 60 طول دارد. با توجه به تمايل عمومي براي استفاده از BS هايي با ابعاد كوچك كه غير قابل رويت باشند، اين ابعاد خيلي مناسب نميباشند.
