تحقیق در مورد آنتن های هوشمند

بخشی از مقاله

آنتن هاي هوشمند

مقدمه :
امروزه كوشش هاي پيگيرانه اي در جهت استفاده هرچه بيشتر از امواج به جاي سيم ها در دنياي كامپيوتر در حال انجام است كه برخي از آنها به نتيجه مطلوب رسيده ولي برخي هنوز در مراحل آزمايشي و تحقيقاتي قرار دارند. ارتباطات ماهواره اي از طريق آنتن هاي عادي دريافت و ارسال (send&receive) يكي از نمونه هاي برجسته و بسيار كارا در اين زمينه است كه استفاده موفقيت آميز از آن اكنون معمول گشته است. با اين حال تكنيك هاي پيشرفته تري نيز در راه هستند كه از آن جمله است به كارگيري آنتن هاي هوشمند در گستره ارتباطات مخابراتي و به خصوص انتقال داده ها. اما آنتن هوشمند چيست و چه كاربردي دارد و گذشته از آن، آيا به راستي «آنتن» مي تواند «هوشمند»باشد؟


براي اينكه نسبت به سيستم آنتن هوشمند يك ديد اوليه پيدا كنيد، چشمانتان را ببنديد و سعي كنيد در حالي كه يكي از دوستانتان در اطراف اتاق حركت مي كند با او صحبت كنيد. درمي يابيد كه مي توانيد محل وي را (يا چند نفر را) بدون ديدنشان در اتاق تشخيص دهيد. مهمترين علت آن عبارت است از آنكه: صداي شخصي را كه صحبت مي كند از طريق دو گوشتان، كه سنسورهاي صداي شما محسوب مي شوند، مي شنويد. صدا در دو زمان مختلف به گوش شما مي

رسد. مغز شما كه يك پردازشگر سيگنال حرفه اي است، محاسبات زيادي را انجام مي دهد تا همبستگي اطلاعات را با هم پيدا كرده و محل شخص صحبت كننده را پيدا نمايد. مغز شما همچنين توان سيگنال صداي دريافتي از دو گوش را با هم جمع مي كند. بنابراين صدا را در جهت مربوطه بلندتر از صداهاي ديگر دريافت خواهيد كرد. سيستم هاي آنتن تطبيقي هم همين كار را انجام مي دهند، كه در آن به جاي گوش از آنتن استفاده شده است. ولي فرق اين دو در آن است كه آنتن ها، دستگاه هايي دوطرفه هستند و مي توانند سيگنالي را در همان جهت كه سيگنال اول دريافت كرده اند بفرستند. بنابراين با استفاده از «چند» آنتن مي توان سيگنال را «چند» بار قوي تر دريافت و ارسال كرد.

نكته بعدي اينكه اگر چند نفر با هم صحبت كنند، مغز شما مي تواند تداخل را حذف كرده و در يك زمان خاص روي يك مكالمه خاص تمركز كند. سيستم هاي ارائه تطبيقي پيشرفته هم مي توانند بين سيگنال مورد نظر و سيگنال هاي ناخواسته تفاوت قائل شوند.

اكنون به تعريف آنتن هوشمند نزديك مي شويم: يك سيستم آنتن هوشمند از چند المان با قابليت پردازش سيگنال استفاده مي كند تا تشعشع و يا دريافت را در پاسخ به محيطي كه سيگنال در آن وجود دارد بهينه نمايد.

نقش آنتن در يك سيستم مخابراتي
آنتن در سيستم هاي مخابراتي بيشتر از تمام بخش هاي ديگر از معرض ديد دور مانده است. آنتن دريچه اي است كه انرژي فركانسي راديويي را از فرستنده به دنياي خارج و از دنياي خارج به گيرنده كوپل مي كند. روشي كه طي آن انرژي به فضاي اطراف توزيع و از آن دريافت مي شود اثري بسيار جدي روي استفاده موثر از طيف، برقراري شبكه هاي جديد و كيفيت سرويس ايجاد شده از اين شبكه ها دارد. به طور كلي دو نوع آنتن داريم: آنتن همه جهتي و آنتن يك جهتي.
سيستم آنتن هوشمند

در حقيقت، آنتن ها هوشمند نيستند بلكه سيستم آنتن ها هوشمند هستند. عموماً هنگامي كه اين سيستم ها در كنار يك ايستگاه پايه قرار مي گيرند، آنتن هوشمند از يك ارائه آنتني با قابليت پردازش سيگنال ديجيتال براي ارسال و دريافت سيگنال به صورت حساس و تطبيقي استفاده مي كند. به عبارت ديگر، چنين سيستمي مي تواند به صورت اتوماتيك جهت الگو تشعشعي را در پاسخ به محيط سيگنال تغيير دهد. اين مسئله به طرز شگفت انگيزي مشخصه سيستم بي سيم را بهبود مي بخشد.

اهداف و مزاياي يك سيستم آنتن هوشمند
دو هدف سيستم آنتن هوشمند، افزايش كيفيت سيگنال سيستم هاي راديويي و افزايش ظرفيت از طريق افزايش استفاده مجدد از فركانس صورت مي گيرد. گين سيگنال، ورودي چند آنتن با هم تركيب مي شود تا توان موجود براي برقراري سطح پوشش مورد نظر بهينه شود.
متمركز كردن انرژي فرستاده شده به سمت سلول، محدوده سرويس دهي و پوشش ايستگاه پايه را افزايش مي دهد. مصرف توان كمتر عمر باتري را بيشتر كرده و تلفن همراه را كوچك تر و سبك تر مي كنند. مقاومت در برابر تداخل و نسبت سيگنال به تداخل را افزايش مي دهند. هزينه كمتر براي تقويت كننده، مصرف توان و قابليت اطمينان بيشتري را ايجاد خواهد كرد.

كاربرد تكنولوژي آنتن هوشمند
تكنولوژي آنتن هوشمند مي تواند به نحو موثري عملكرد سيستم بي سيم را بهبود بخشد و از نظر اقتصادي نيز بسيار به صرفه است. اين تكنولوژي كاربران كامپيوترها، سيستم هاي سلولي و شبكه هاي حلقه محلي بي سيم را قادر مي سازد كه كيفيت سيگنال، ظرفيت سيستم و پوشش را بسيار بالا ببرند. كاربران معمولاً در زمان هاي مختلف، به درصدهاي مختلفي از كيفيت، ظرفيت و پوشش نياز دارند. در اصل سيستم هايي كه از نظر ساختار به راحتي قابل تغيير باشند، در دراز مدت بهترين و به صرفه ترين راه حل ها محسوب مي شوند.

سيستم هاي آنتن هوشمند با اندكي تغيير، در تمام استانداردها و پروتكل هاي بي سيم قابل اعمال هستند.
قابليت انعطاف آنتن هوشمند تطبيقي اجازه خلق محصولات و خدمات بسيار سطح بالايي را مي دهد. آنتن هاي تطبيقي هوشمند به هيچ نوع مدولاسيون يا پروتكل برقراري ارتباط هوايي محدود نيستند. اين سيستم ها با تمام روش هاي مدولاسيون فعلي سازگار هستند. احتمالاً طيف بسيار وسيعي از سيستم هاي ارتباطي بدون سيم از مزاياي پردازش مكاني برخوردار مي شوند، مثلاً سيستم هاي سلولي با قابليت تحرك بالا، سيستم هاي سلولي با قابليت تحرك كم، كاربردهاي حلقه محلي بدون سيم، مخابرات ماهوراه اي و Lan هاي بدون سيم و به ويژه اينترنت بي سيم براي كامپيوترهاي قابل حمل. باور بسياري براين است كه پردازش مكاني، جاي تمام روش هاي موجود براي سيستم هاي بي سيم را خواهد گرفت.

علت هوشمندي اين نوع آنتن ها
در مكان هايي كه تعداد كاربر، تداخل و پيچيدگي انتشار زياد مي شود، به سيستم هاي آنتن هوشمند نياز خواهد بود. هوشمندي سيستم ها به امكانات آنها براي پردازش سيگنال ديجيتال برمي گردد. مانند اكثر پيشرفت هاي مدرني كه در صنايع الكترونيك امروزي صورت گرفته است، فرمت ديجيتال از جهت دقت و انعطاف پذيري كاركرد چند مزيت دارد. سيستم هاي آنتن هوشمند سيگنال هاي آنالوگ (نظير صوت) را گرفته و به سيگنال هاي ديجيتال تبديل و براي ارسال مدوله مي كنند و در سمت ديگر دوباره آن را به سيگنال آنالوگ تبديل مي نمايند. در سيستم هاي آنتن هوشمند اين قابليت پردازش سيگنال با تكنيك هاي پيشرفته (الگوريتم ها) تركيب شده و براي اداره وضعيت هاي پيچيده استفاده مي شوند.

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.
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.

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 فيلتر كردن فضا متمركز شده است. فيلتر 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 آرايه ‌فازي، 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، نيست.