معرفی تکنولوژی آنتن های هوشمند در شبكه های بدون سیم استفاده بهینه از باند فرکانسی

در سال های اخیر, تقاضا برای استفاده از شبكه های مخابراتی بدون سیم رشد فزاینده ای داشته است این افزایش تقاضا, در نسل دوم و سوم شبكه های بدون سیم بیشتر مشاهده می شود و ممکن است در آیندة نزدیک به یك مشكل جدی منجر شود این مشکل جدی چیزی نیست جز پر شدن باند فرکانسی

تكنولوژی آنتن‌های هوشمند، مرحلة جدیدی از نبرد همه‌جانبه با این مشکل جدی و استفادة بهینه از باند فركانسی و افزایش ظرفیت در شبكه‌های مخابراتی است. در نوشتار حاضر، به معرفی این تکنولوژی خواهیم پرداخت:

آنتن‌های هوشمند از گذشته‌های دور

به طور معمول، كلمة آنتن به یك وسیلة مكانیكی اطلاق می‌شود كه امواج الكترومغناطیسی را به جریان الكتریكی و بالعكس تبدیل می‌كند و ما آن را بیشتر به عنوان یک تشعشع‌کننده می‌شناسیم. اما در مبحث آنتن‌های هوشمند، كلمة آنتن مفهوم جامع‌تری دارد و شامل یك فرستنده و گیرندة كامل است. تئوری آنتن‌های هوشمند یا تطبیقی، موضوع جدیدی نیست و از این آنتن‌ها سال‌ها در جنگ‌های الكترونیك استفاده می‌شده است؛ اولین استفادة عملی از آن به جنگ جهانی دوم (۱۹۴۰) بر می‌گردد. در صنایع نظامی نیاز است كه یك هدف را كه با سرعت زیاد حركت می‌کند، ردیابی كنند. از آنجا كه ثابت زمانی گردش مكانیكی آنتن به علت اینرسی زیاد آن، خیلی زیاد است، نمی‌تواند با ثابت زمانی مدارات الكترونیكی گیرنده و فرستندة آنتن منطبق شود و به همین دلیل، سرعت ردیابی به شدت کند می‌شود. در نتیجه، این ایده مطرح شد كه فضا را با چرخش الكترونیكی راستای دید آنتن جاروب كنند. مراحل رسیدن به آنتن‌های هوشمند فعلی را می‌توان به صورت زیر بیان كرد:

نوع اول) adaptive null steering smart antenna

نوع دوم) phased array smart antenna

نوع سوم) switched beam smart antenna

استفاده از آنتن‌های هوشمند نوع اول و دوم در صنایع مخابراتی بسیار پر‌هزینه است و برای پیاده‌سازی آن در شبكه‌های سلولی امروزی، باید تغییرات گسترده‌ای در ساختار این شبکه‌ها ایجاد گردد. علاوه بر این، به علت زیاد بودن تعداد كاربران و نیز اثرات تضعیف مختلف، بهرة آنها بسیار محدود است. ولی استفاده از آنتن‌های هوشمند نوع سوم، به تغییرات گسترده در شبكة سیار سلولی حاضر نیاز ندارد. همچنین، با استفاده از الگوریتم‌های مناسب می‌توان بهرة آنها را تا حد مطلوب بهبود بخشید. در ساده‌ترین بیان، آنتن هوشمند آنتنی است كه پترن (pattern) آن ثابت نبوده و آن را با شرایط فعلی رادیویی (موقعیت مشترك) تطبیق می‌دهد.

لزوم استفاده از آنتن‌های هوشمند

از آنجاییکه برای طراحی شبكه‌های امروزی، تمام تلاش‌ها روی بهینه‌سازی روش‌های مدولاسیون، كدینگ و استانداردها متمركز بوده‌است، به تكنولوژی‌های مرتبط با آنتن توجه كمتری شده‌است؛ در حالیکه برای رفع نیاز‌های شبكه‌های سلولی آینده باید آنها را تا حد ممكن هوشمند طراحی كرد. در همین راستا، عمدة توجهات روی فیلتر كردن فضا متمركز شده است. فیلتر كردن در حوزة فضا، بین كاربرهایی كه از یك كانال رادیویی مشترك استفاده می‌كنند، تمایز ایجاد می‌کند و در نتیجه می‌توان از فضا به عنوان یك روش دستیابی (access) در تركیب با روش‌های دستیابی كنونی نظیر FDMA، TDMA و CDMA استفاده كرد. ذكر این نكته لازم است كه در اینجا منظور از كانال، فركانس كاریر، شیار زمانی و كد است. در واقع آنتن هوشمند می‌تواند كاربرهایی را كه فركانس، شیار زمانی و كد آنها یكی است، از هم تشخیص دهد. آغاز تحقیقات گسترده برای استفادة تجاری از آنتن‌های هوشمند، به سال ۱۹۹۴ بر می‌گردد. این مساله ممكن است این سوال را مطرح سازد كه چرا با این همه تأخیر به فكر استفاده از آنتن‌های هوشمند افتاده‌ایم و نه مثلاً بیست سال پیش؟ در پاسخ به این پرسش باید به دو نکته توجه کرد:

۱– در حال حاضر نیاز شدیدی به افزایش ظرفیت در شبكه‌های مخابراتی وجود دارد؛ در حالیكه در گذشته چنین نبوده است.

۲- امروزه پردازنده‌هایی با سرعت‌های فوق‌العاده بالا و قیمت مناسب ارائه شده‌است؛ در حالیكه در گذشته از این امكان برخوردار نبودیم.

طبقه‌بندی آنتن هوشمند

بسته به اینكه آنتن‌های هوشمند بیم خود را چگونه تولید می‌كنند، می‌توان آنها را به سه دسته تقسیم كرد. این تقسیم‌بندی در واقع یك سطح هوشمندی به این آنتن‌ها تخصیص می‌دهد:

۱- switching beam or switching lobe smart antenna )SBA)

در این روش، آنتن هوشمند تعداد محدودی بیم در اختیار دارد و بسته به موقعیت مشترك، بیمی را انتخاب می‌كند كه بیشترین مقدار "نسبت سیگنال به نویز ( SNR )" را داشته باشد. بدین‌ترتیب، توان سیگنال دریافتی افزایش می‌یابد. این آنتن به سادگی قابل پیاده‌سازی بوده و هم‌اكنون تلاش‌های زیادی جهت استفاده از آن در نسل دوم و سوم شبكه‌های مخابراتی در حال انجام است.

۲- tracking beam or dynamically phased array smart antenna )TBA)

در این روش که به نوعی تعمیم روش قبلی است، با در نظر گرفتن "جهت سیگنال دریافتی از مشترك (DoA) " می‌توان مشترك را در محدودة سلول توسط یك بیم ردیابی كرد. این روش باعث بهبود توان سیگنال دریافتی می‌شود. در یك آنتن آرایه‌فازی، در تغذیة هر آرایه از یك شیفت‌دهندة فاز استفاده می‌شود؛ در نتیجه بین هر دو آرایه یك اختلاف فاز به وجود می‌آید كه میزان چرخش بیم آنتن را تعیین می‌كند. با در نظر گرفتن اختلاف فاز بین دو سیگنال دریافتی از دو آرایة مجاور، می‌توان جهت مشترك را تخمین زد.

۳ - optimum combining or adaptive array smart antenna

در این روش از همان الگوریتم DoA برای دریافت سیگنال‌های تداخلی استفاده می‌شود. اما در گیرنده با ضرب كردن این سیگنال‌ها در توابع وزن مناسب، می‌توان بیم آنتن را طوری جهت داد كه حداكثر سیگنال دریافت شود. در واقع در این روش، "نسبت سیگنال به مجموع تداخل و نویز (SINR‌) " بهینه می‌شود. در هركدام از روش‌های بالا، سیگنال دریافتی از هر المان آرایه در یك بردار وزن ضرب می‌شود. آنچه كه این روش‌ها را از هم متمایز می‌كند، چگونگی محاسبة این بردار وزن و نیز معیارهای لازم برای محاسبة آن است. وقتی كه آنتن هوشمند به یكی از روش‌های فوق به كار گرفته شد، می‌توان یك طبقه‌بندی دیگر نیز بسته به نوع كاربرد برای آن در نظر گرفت:

۱ - high sensitivity reciever )HSR)

در این الگو، آنتن هوشمند فقط در حالت uplink به‌كار می‌رود. بنابراین می‌توان با افزایش بهره، حساسیت آن را افزایش داد. این مفهوم، چیزی غیر از همان مفهوم diversity كه در شبكه‌های مخابراتی پیاده‌سازی شده‌است، نیست.

---