Smart-антенны и их поддержка системами WiMAX – ЧАСТЬ 1

Три из четырех спецификаций физического уровня стандартов IEEE 802.16d и IEEE 802.1 бе (WirelessMAN-SCa, OFDM и OFDMA) предусматривают опцио­нальные режимы работы с использованием антенной техники MIMO или адап­тивных антенных систем (Adaptive Antennas Systems – AAS). Первый режим, предполагающий комбинированное применение схем пространственного коди­рования/мультиплексирования и MIMO (иногда называемый «Simple MIMO»), обсуждался в подразделах 5.6.2 – 5.6.4. Для второго, наряду с использованием упомянутых схем, характерно применение AAS и технологии цифрового фор­мирования луча. В известной литературе этот режим упоминается как «AAS- М1МО».

5.6.5.1. Общие сведения о Smart-антеннах. Smart-антенны появились на стыке цифрового диаграммообразования и секторных антенн и изначально использовались в военной радиосвязи. В отличие от обычных антенн, Smart- антенна является сложной системой антенно-фидерных элементов и дополни­тельных функциональных устройств, предопределяющих ее «интеллектуаль­ные» свойства. Принцип работы Smart-антенн основывается на допущении о том, что источник полезного сигнала и помехи редко совмещены по направле­нию. Это позволяет, обеспечив максимум усиления антенны в нужном направ­лении и сформировав минимум ее диаграммы направленности (ДН) на источ­ник помехи, многократно повысить рабочее отношение сигнал-шум на входе

приемника.

Основой Smart-антенны является специальная конструкция – антенная решет­ка (АР), представляющая собой совокупность дискретных элементов, когерентно по отношению к другим элементам принимающих или излучающих электромаг­нитные сигналы. В качестве элементов АР чаще всего используют простейшие устройства: вибраторы, щели, спирали, рупоры и т.п. Как правило, эта устройства объединены в регулярные структуры правильной геометрической формы.

Элементы АР подключены к приемопередатчику через многоканальную си­стему приемовозбудитслей, что позволяет получать в раскрыве АР различные распределения поля, формируя таким образом различные ДН. Результирующая ДН формируется вследствие «интерференции» волн, излучаемых элементами АР. Принципиальная особенность АР состоит в том, что ее ДН оказывается лег­ко управляемой путем изменения комплексной амплитуды и поляризации волн, излучаемых элементами АР. Например, для формирования ДН в виде узкого луча фазовые сдвиги при запитке элементов АР должны соответствовать рас­пределению фаз, создаваемому в ее раскрыве плоской волной, приходящей с того же направления. Изменение ориентации луча также осуществляется путем регулирования фазовых соотношений в запитке упомянутых элемен тов.

На практике чаще всего используют т.н. фазовый метод управления ДН ан­тенной решетки, метод частотного сканирования или их сочетание [14].

В существующей классификации выделяют [15] два основных типа Smart- антенн – антенны с коммутируемым лучем и адаптивные антенные системы. Антенна с коммутируемым лучом обнаруживает полезный сигнал и выбирает тот из лучей ДН, который направлен в сторону прихода (излучения) полезного сигнала (рис. 5.49).

Рис. 5,49. Антенная система с коммутируемым лучом

Адаптивная антенная система решает две задачи: постоянно отслеживая по­ложение мобильного абонента, она ориентирует рабочий луч ДН в соответствии с маршрутом его перемещения, и одновременно формирует «нули» ДН антенны в направлении прихода помех (рис. 5.50).

Рис. 5.50. Адаптивная антенная система

Как правило сигнал, принятый каждым из пространственно разнесенных элементов АР, умножается на некоторый весовой коэффициент, после чего эти сигналы объединяются. Весовые коэффициенты вычисляются в соответствии с выбранным алгоритмом адаптации. Такой процесс оптимизации излучения в зарубежной литературе полупил наименование «цифровое формирование луча» (beamforming) [15].

Ниже изложены технические основы адаптивных и Smart-антенн.

5.6.5.2. Smart-антенны с коммутируемым лучом. Антенна с коммутиру­емым лучом обычно формирует многолучевую ДН, в которой каждый из лучей занимает достаточно узкий угловой сектор. Налицо аналогия с секторными антеннами, где зона обслуживания БС разбита на угловые участки (сектора). Главное отличие состоит в том, что лучи ДН Smart-антенны не одновременно «активны» (см. рис. 5.51), а ширина лучей здесь намного меньше, чем у тра­диционных секторных антенн (60-120°). Пространственное разнесение лучей ДН позволяет существенно уменьшить коэффициент повторного использова­ния частот в пределах соты и одновременно снизить уровень интерференцион­ного влияния со стороны других пользователей, обслуживаемых той же базо­вой станцией. Управление процедурой переключения, выбора и коммутацией лучей осуществляет специальное устройство. Критерий выбора луча обычно основывается на определении направления прихода сигнала максимальной мощности.

Рис. 5.51. Диаграммы направленности Smart-антенны с коммутируемым лучом и «традиционной» 3-секторной антенны

На рис. 5.52 показана структурная схема антенны с коммутируемым лучом, состоящей из следующих основных элементов [16]:

•                собственно антенной решетки;

устройства управления фазовыми сдвигами (phase shifter), которое целена­правленно формирует лучи и результирующую ДН антенны; радиочастотного переключателя, коммутирующего необходимые лучи ДН;

•                устройства логического контроля (control logic subsystem), осуществляюще­го выбор нужного луча.

Рис. 5.52. Структурная схема Smart-антенны с коммутируемым лучом

В качестве механической конструкции антенны в системе используется фа­зированная АР (ФАР). Основным структурным элементом антенной системы яв­ляется устройство управления фазовыми сдвигами. Для его реализации могут ис­пользоваться различные схемы, основные из которых будут рассмотрены ниже.

Схема управления фазовыми сдвигами на основе матрицы Батлера. Одной из традиционных схем управления фазовыми сдвигами, широко исполь­зуемой при изготовлении антенн с коммутируемым лучом, является т.н. диа- граммообразующая схема на основе матрицы Батлера (Buttler Matrix) [16,17]. Линейная /V-элементная ФАР на основе матрицы Батлера NxN позволяет сфор­мировать N независимых разнонаправленных лучей ДН.

Собственно диаграммообразующую схему на основе матрицы Батлера при­нято представлять в виде многополюсника с N входами и N выходами. Значение фазового сдвига между соседними выходами данного многополюсника можно определить в соответствии с выражением [17]:

Источник: Гепко И.А., Олейник В.Ф., Чайка Ю.Д., Бондаренко А.В.  Современные беспроводные сети: состояние и перспективы развития. – К.: «ЕКМО», 2009. – 672 с.

Вы можете следить за любыми ответами на эту запись через RSS 2.0 ленту. Вы можете оставить ответ, или trackback с вашего собственного сайта.

Оставьте отзыв

XHTML: Вы можете использовать следующие теги: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>

 
Rambler's Top100