Principii de baza, scheme si tipuri
A
N
T
E
N
E
I
N
T
E
L
I
G
E
N
T
E
P
E
N
T
R
U
C
O
M
U
N
I
C
A
T
I
I
Clasificarea receptorilor antenelor inteligente
Algoritmi de adaptare a greutatii
· ANTENA OMNIDIRECTIONALA
O simpla antena dipol care emite si primeste la fel in toate directile. Aceasta imprastie semnalul in toate directiile si numai un mic procentaj din energia totala ajunge la utilizator.
Pentru a contracara acest lucru puterea este amplificata fapt ce poate marii numarul de interferente in sistem (orice semnal ce rateaza utilizatorul, devine interferenta pentru utilizatorii din aceeasi celula). Antenele omnidirectionale au o eficienta limitata.
· ANTENE DIRECTIONALE
Au directia de transmitere si primire a semnalului fixata preferential. Ele furnizeaza o crestere a semnalului asupra unei arii mai mari decat antenele omnidirectionale.
· SISTEME CULISATE
Un astfel de sistem ia o suprafata normala a unei celule si o imparte intr-un numar de culise, fiecare dintre acestea este acoperit de o antena directionala.
Operational fiecare culisa e tratata ca o celula separata, distincta.
Raza unui culise poate fi mai mare decat in cazul unei antene omnidirectionale.
Reduce interferentele celulelor adiacente.
· SISTEME DE RECEPTIE IN DIVERSITATEAceste sisteme folosesc 2 sau mai multi elementi de antena la statia de baza cu o mica separare fizica intre elemente pentru a imbunatatii receptia si pentru a contracara efectele caii multiple.
Ofera imbunatatiri in puterea efectiva a semnalului receptionat folosind una din urmatoarele tehnici:
Switched Diversity: urmarind presupunera conform careia o antena va fii intodeauna intr-o pozitie favorabila, sistemul schimba intre elementi folosind unul cu semnalul cel mai puternic la momentul respectiv. Reduce efectul de atenuare , dar nu creste castigul deoarece este folosit doar un singur element.
Diversity Combining: Corecteaza eroarea din 2 semnale multiple si combina puterea ambelor semnale pentru a creste senzitivitatea si calitatea semnalului.
Deci pe langa faptul ca reduce atenuarea caii multiple, anumite scheme de diversivitate ofera si o anumita crestere a conexiunii superioare(uplink-ului) pe arii cu o singura antena.
Majoritatea sistemelor de diversificare actioneaza numai in modul de conexiune superioara(uplink mode) (de la utilizator la statia baza).
· ANTENE INTELIGENTE
Antenele inteligente combina multipli elementii de antena cu capabilitatea de a procesa semnalul pentru a transmite si receptiona intr-o maniera adaptiva, astfel acel sistem schimba automat directia modelului de emisie/receptie ca raspuns la pozitia utilizatorului mobilului.
Sistemele de antene inteligente pot normaliza modelul razei pentru fiecare utilizator de mobil prin intermediul controlului intern al reactiei negative.In general, fiecare abordare formeaza un lob principal in directia utilizatorului si incearca sa respinga interferentele si zgomotul din exteriorul lobului principal.
· SISTEME CU TRANSMISIE MIMOMultiple antene la ambele conexiuni ala canalului radio pot fi folosite pentru a obtine o mai buna rata a transmisiei si pentru a obtine o mai buna calitate a conexiunii.
Imbunatatirile aduse sunt:
1.Cresterea capacitatii canalului. Investigatiile arata o crestere a capacitatii liniar cu minimul {Mr,Mt}, care este numarul maxim de moduri proprii spatiale iar Mr si Mt sunt numarul de antene de la receptor respectiv transmitator.
2.Scaderea erorii per bit (BER-Bit Error Rate) fara o crestere a benzii.
3.Scaderea impactului efectelor de atenuare.
Punctele cheie care trebuiesc luate in considerare cand avem de-a face cu MIMO sunt:
1.Cunoasterea canalului (largimea benzii, selectivitatea la frecventa, proprietatile pe termen lung, si cele pe termen scurt)
2.Mediul experimental
3.Corelarea proceselor de atenuare 'vazute' de elementele antenei atat la antenele de transmisie cat si la cele de receptie.
Clasificarea receptorilor antenelor inteligente
Antenele inteligente pot fi impartite in: cu comutarea fascicolului,cu procesare spatiala, cu procesare spatiu-timp, si cu detectie spatiu-timp.
Cea mai simpla implementare este cea cu comutarea fascicolului, in care un singur transmitator este conectat la unitatea de comutare a fascicolului-RF. Daca numarul de elemente ale antenei este M, este selectat un set predefinit de fascicole(N<=M), bazat pe puterea maxima receptionata sau pe rata de eroare de bit minima (BER). Cel mai bun semnal este selectat pentru procesarile viitoare de un receptor standard. Aceasta tehnica are avantaje datorita simplicitatii ei. Oricum, maximele si punctele de nul ale modelului de antena nu pot fi puse in directii arbitrare, dar pot fi alese din cele N pozitii posibile.
O abordare mai sofisticata este filtrul spatial sau procesarea spatiala. Semnalele receptionate sunt convertite in banda de baza si esantionate. Acest procedeu necesita M receptoare inlantuite. Semnalele de la fiecare receptor al lantului sunt multiplicate cu greutatea w, si apoi insumate. Semnalul rezultat poate fi apoi procesat ca si orice semanal al antenei. In sistemele de banda larga ca si UMTS, semnalul este directionat intr-un egalizator, care combina componentele semnalului cu diferite intarzieri, ducand la termenul de procesare in timp sau temporala. Combinatia acestor doua presupune filtre simultane in spatiu si timp si se numeste procesare spatiu-timp.
Procesarea doar in spatiu functioneaza mai bine in fiecare element al antenei si are aceeasi dispersie, aceeasi forma a impulsului raspunsului. Daca acest lucru nu este adevarat atunci fiecare element al antenei ar trebui sa aiba un egalizator separat. Daca folosim un egalizator de lungime L, structura totala are M elemente spatiale si L greutati temporale, aceasta ducand la M*L; in loc de a calcula vectorii de spatiu si timp intr-o maniera secventiala, ii putem calcula impreuna, aceasta ducand la o matrice a greutatilor de dimensiune M*L. Receptorul este de asemenea cunoscut ca si receptor spatiu-timp sau ca si egalizator spatiu-timp. Semnalul de iesire este directionat intr-un dispozitiv de decizie pentru recuperarea bitilor ce se receptioneaza.
In final, am putea sa facem o egalizare si detectie spatio-temporala concomitenta, aceasta ducand la asa numita detectia spatiu-timp imbinata(concomitenta). Detectia spatiu-timp ofera cele mai bune performante, dar de asemenea si cel mai inalt grad de complexitate. Figura 3 arata diagramele bloc atat ale receptorului decuplat in spatiu-timp, cat si a receptorului cu imbinare spatiala-temporala.
Antenele inteligente pot fi clasificate si in alt mod: in functie daca folosesc diversitatea sau forma fasciculara(directionala). Diversitatea se bazeaza mai ales pe statistica independentei la diferite elemente semnalelor ale antenei. In cel mai simplu caz, se exploateaza improbabilitatea mare ca semnalele tuturor elementelor sa fie in acelasi timp la aceeasi inclinatie de mixare(fading).
Fig.3. Structura receptorului in spatiu-timp.(a)adaptarea greutatii
in domeniul separat spatiu-timp, (b) filtrare imbinata in spatiu-timp
Pentru a obtine statistici independente ale variatelor tehnici de diversitate se poate aplica . Prin folosirea metodelor mai avansate, dar bine stiute pentru semnale variate, SNIR poate fi optimizat.
In forma fasciculara, se exploateaza vecinatatea apropiata a elementelor antenei pentru corelarea prezenta dintre elementele antenei. Vecinatatea apropiata a elementelor antenei permite formarea unui model unic de antena care intensifica semalul dorit si suprima interferentele.
Algoritmi de adaptare a greutatii
In cazul formei fasciculare intrebarea importanta este: Cum sa calculam greutatile complexe w pentru fiecare element al antenei pentru fiecare utiliztor? Inainte de a raspunde la aceasta intrebare trebuie sa reflectam la diferitele procese din unitatea de procesare a semnalelor in banda de baza, inainte ca greutatea antenei sa fie adaptata. De fapt unitatea de procesare a semnalului este responsabila pentru identificarea utilizatorului, pentru separarea utilizatorului si forma fasciculara(directionare). La inceput, statia de baza trebuie sa estimeze directia de sosire sub diferite unghiuri a componentelor. Apoi, trebuie sa se determine daca ecoul dintr-o anume directie provine de la semnalul dorit sau de la o interferenta. In final, se poate calcula greutatile antenei pentru a creste SNIR cat mai mult.
Algoritmii de adaptare sunt creati sa proceseze cererile mentionate mai sus. Ei pot fi clasificati ca si algoritmi de referinta temporala(TR), de referinta spatiala(SR) si fara vizibilitate("orbi").Algoritmi de referinta temporala(TR)
Algoritmii TR sunt bazati pe cunoasterea structura partilor semnalelor receptionate. Secventele de formare atat ale sistemelor 2G(in GSM) cat si ale 3G(biti pilot in UMTS) indeplinesc aceste cerinte. Receptorul ajusteaza greutatile complexe in asa fel incat diferenta dintre semnalul combinat de la iesire si secventa de formare cunoscuta este minima. Acele greutati sunt apoi folosite pentru receptia transmisiunii curente. Referinta temporala poate fi folosita atat cu metode de diversificare cat si cu metode directionale, cu toate ca este mai uzual cu primele.
Algoritmi de referinta spatiala(SR)
Algoritmii SR estimeaza directia de sosire(DOA) atat a semlalelor dorite cat si a celor ce interfereaza. Ei se bazeaza pe cunoasterea geometriei fizice a antenei. In marea majoritate a sistemelor de comunicatie mobile, timpul necesar unui front de unda sa treaca prin sistemul antenei este mult mai mic decat intervalul de bit(de chip) Tb(Tc). De aceea, presupunerea de banda ingusta pentru sistemul de antene este valida ( vezi Figura 4). Acest lucru face posibila modelarea timpilor de intarziere ale undei dintre elementele defazate ale antenei. Un semnal receptionat care loveste sistemul de antene sub unghiul q poate fi exprimat ca:
unde c(q) sistemul de vectori de comanda, d, l, si M denota elementul spatial, lungimea undei si numarul de elemente ale antenei. Notatia (.) indica transportul. Pentru estimarea individuala a DOA nu este necesara nici o informatie suplimentara. Dupa identificarea utilizatorului( prin utilizarea secventei de indrumare) semnalele pot fi separate si detectate.
Algoritmi fara vizibilitate("orbi")
In loc de a folosi o secventa de indrumare sau proprietatile sistemului receptionat, algoritmii "orbi" pot fi aplicati la fel de bine si ei pentru adaptarea greutatii. Algoritmii "orbi" incearca sa extraga raspunsul de tip impuls din canalul necunoscut si trasmisia necunoscuta de la semnalul receptionat la elementele antenei. Cu toate ca ei nu cunosc bitii actuali, algoritmii "orbi" folosesc cunostiinte ajutatoare despre structura semnalului transmis.
Fig.4. Principiul algoritmilor de referinta spatiala. Defazajul dintre doua elemente ale antenei este definit de geometria antenei si de unghiul de incidenta, k=2p/l, unde l este lungimea undei, d este elementul spatial si M este numarul de elemente al antenei.
Daca secventele de indrumare sunt folosite in combinatie cu algoritmii "orbi", se numesc algoritmi "semi-orbi" care indica un randament mai bun decat algoritmii de referinta temporala sau decat algoritmii "orbi" singuri. In mod curent, toti algoritmii "orbi" sau "semi-orbi" necesita prea mult timp de evaluare pentru a fi folosit in timp real, dar algoritmii "semi-orbi" sunt apropiati de implementarea in timp real.
