Метод Antenna Diversity: теория и практика применения (стр. 1 )

Метод Antenna Diversity: теория и практика применения

Предисловие

Применение метода антенного разделения (Antenna Diversity) предполагает использование двух или более антенн и схемы оптимального суммирования сигналов, принятых этими антеннами. Параметры трансиверов, в которых используется метод Antenna Diversity, заметно лучше, чем параметры стандартных трансиверов с единственной антенной. С помощью каких либо других методов это улучшение невозможно получить легко и без значительных затрат. Таким образом, антенное разделение является очень важным принципом, который может использоваться во многих изделиях потребительского уровня, таких как, например, мобильные телефоны и ручные терминалы беспроводных сетей.

В Исследовательском Центре г. Эйндховен (Голландия) в рамках исследовательской программы ф. Филипс был проведен ряд экспериментов, посвященных применению метода Antenna Diversity в мобильных телефонах. В приведенных далее тезисах представлена процедура проектирования трансиверов Antenna Diversity для беспроводных применений, которая является результатом произведенных исследований. Эта процедура предполагает применение такого метода разделения, который является наилучшим с точки зрения сложности всей схемы, потребляемой мощности, габаритных размеров, цены и некоторых других качеств. Первым шагом в исследованиях был анализ принципов антенного разделения и их моделирование с целью сравнения их по эффективности, размерам и диаграмме излучения. Следующий шаг – анализ этих концепций для применения в условиях многолучевого режима распространения с целью оптимизации по таким параметрам как отношение сигнал/шум и коэффициент ошибок. Наконец, были построены прототип трансивера и измерительный стенд, с помощью которых производились исследования и были получены необходимые параметры. Было также выбрано программное обеспечение для моделирования и создана измерительная установка, соответствующая программе исследований. Программа для моделирования базируется на методе Finite Difference Time Domain. С помощью измерительной установки получены характеристики радиоканала во временной области. Кроме того, собственно трансиверы Antenna Diversity были введены в состав измерительной установки для измерения их параметров и численного сравнения их параметров с параметрами других изделий.

При прохождении через радиоканал сигналы испытывают задержки во времени. Обычно для оценки величины рассеяния задержки используются измерения в широкой полосе или моделирование. В данных тезисах представлен метод оценки величины рассеяния задержки за счет измерений в узкой полосе или моделирования. Полученная таким путем величина рассеяния является более реалистической. Этот метод также применен при анализе соотношения между полосой пропускания и параметрами, обеспечиваемыми методом Antenna Diversity. Этот анализ показал, что для всех методов разделения при расширении полосы параметры снижаются.

1. Проектирование трансивера, в котором реализуется адаптивное разделение

1.1 Введение

В портативных и мобильных коммуникационных системах уровень или амплитуда принимаемого сигнала изменяется вследствие изменения характеристик радиоканала. Таким образом, статус самого радиоканала неизвестен и зависит от времени. Если в радиоканале наблюдается глубокое замирание, то данные могут быть приняты с ошибками. Существует определенная вероятность замирания принимаемого сигнала до уровня, который будет ниже некоторой пороговой величины. Системы с разделением обеспечивают два или больше интерфейсов с радиоканалом, которые называются ветвями разделения. При независимом замирании сигналов в каждой из ветвей разделения вероятность того, что все принимаемые сигналы будут испытывать замирание на глубину, которая будет ниже порогового уровня, очень мала.

Сигналы на выходах схем разделения изменяются как функция времени и расположения в пространстве. Таким образом, схемы, которые применяются для компенсации несовершенств радиоканала, также должны быть адаптивными. В этом Разделе будет рассмотрено применение адаптивных методов в портативных коммуникационных системах, которые предназначены для внутриофисной связи в диапазоне частот от 1 ГГц до 2 ГГц (GSM, DECT). Есть множество путей достижения этой цели, наиболее популярным из которых является суммирование, которое будет описано в Разделе 1.2. В Разделе 1.2.2 сравниваются между собой различные пути реализации этого метода. Как мы увидим далее, пространственное разделение является наиболее подходящим для мобильных телефонов.

Сигналы, принимаемые от ветвей разделения, выбираются или суммируются перед их поступлением в детектор. Опять же, существует множество методов суммирования. Они будут приведены в Разделе 1.3. Различные методы суммирования будут сравниваться в Разделе 1.4 для применения в приемниках с пространственным разделением. В этом же Разделе они будут ранжированы на основании измерений их усиления от разделения и усиления решетки. Будет выбрано суммирование равного усиления как наилучший метод суммирования относительно достигаемых параметров и сложности схемы.

Сумматор равного усиления соответствует наиболее изученному методу разделения, который позволяет оптимально суммировать сигналы за счет внесения в один из них или в оба сразу определенного фазового сдвига. Применение дискретного фазовращателя дает некоторые преимущества при практическом воплощении данного метода. В Разделе 1.5 параметры примененного дискретного фазовращателя сравниваются с параметрами идеального фазовращателя.

Алгоритм разделения должен быть достаточно быстрым, чтобы в конкретной системе успевать реагировать на изменения принимаемого сигнала.

Раздел 1 заканчивается обзором всего лучшего, что может быть применено в системах с разделением, для удовлетворения запросов потребителей при проектировании мобильных телефонов.

Итоговый результат воплощен в прототипе, который будет детально описан в Разделе 2.

1.1 Реализация разделения

Суть разделения состоит в применении в коммуникационных системах для передачи сигналов двух или более трасс распространения, соединяющих передатчик и приемник по радиоканалу так, чтобы замирания, возникающие на этих трассах, были бы по возможности некоррелированными. Система производит непрерывный выбор трассы, обеспечивающей лучшее качество сигнала, что позволяет в результате получить улучшение параметров линии передачи. Различные трассы распространения в радиоканале (эффект разделения) позволяют принять несколько некоррелированных копий сигнала. Применение разделения может также привести к увеличению отношения сигнала к интермодуляционной помехе. В последующих разделах подводятся итоги изучения преимуществ и недостатков, полученных в результате применения базового метода разделения.

1.2.1. Пространственное разделение

При создании локальной сети множество передатчиков и приемников может быть размещено в разных местах. Каждая из приемных антенн будет принимать передаваемые сигналы, приходящие по радиоканалу по различным трассам. Принимаемые разными антеннами сигналы будут, таким образом, декоррелированы. Величина декорреляции зависит от выбора приемной антенны. В большинстве случаев выбор расстояния между антеннами, равного примерно половине длины волны, является вполне приемлемым. Такой метод получения декоррелирующих сигналов называют пространственным разделением.

Пространственное разделение иллюстрирует Рисунок 1.1.

Рисунок 1.1. Иллюстрация пространственного разделения за счет применения трех (идентичных) антенн, расположенных на расстояниях r1, r2 и r3 друг от друга.

Недостаток метода пространственного разделения состоит в увеличении размеров терминала из-за необходимости размещения нескольких антенн. Привлекательность данного метода разделения – в его простоте.

1.2.2. Сравнение различных методов разделения

В следующей далее таблице ранжированы основные расчетные параметры для различных методов разделения. Внимание акцентировано на тех параметрах, которые особенно важны для устройств внутриофисной связи. Для базовых или мобильных станций данное ранжирование будет другим. Размеры мобильных телефонов в основном зависят от размеров антенных систем. Это утверждение справедливо в предположении, что дополнительная схема суммирования будет интегрирована в устройство без дополнительного увеличения его размеров. Параметры определялись путем оценки увеличения уровня принимаемой мощности и уменьшения рассеяния задержки. Эффективность оценивается по относительной емкости радиолинии, характерной для каждого из методов разделения.

Метод разделения	Размеры	Параметры	Эффективность
Пространственное	-	+	0
Частотное	0	+	- -
Скачки частоты	0	+	0
По поляризации, горизонтальная/вертикальная	-	-	0
По поляризации, наклонная	-	+	0
По компонентам поля	-	-
Угловое с направленными антеннами	- -	+ +	0
Угловое с адаптивным управлением лучем	-	+ +	0
Временное	0	+	- -

- - : неприемлемо, - : нежелательно, 0: средне, + : желательно, + +: очень желательно

Таблица 1.1. Сравнение различных методов разделения при применении в устройствах для внутриофисной связи.

Из данной таблицы видно, что метод углового разделения с адаптивным управлением лучом может считаться наилучшим из методов разделения. Из-за недопустимого увеличения размеров при увеличении количества антенных элементов в решетке, антенная система ручного терминала может иметь вид только двухантенной решетки.

Метод углового разделения с адаптивным управлением лучом основывается на методе пространственного разделения. В Разделе 1.4 различные методы суммирования при пространственном разделении сравниваются по параметрам.

1.3 Методы суммирования при разделенном приеме

В предыдущем разделе были рассмотрены методы приема сигналов, распространяющихся по некоррелированным трассам, которые применяются при приеме с разделением. В данном разделе будут показано, каким образом сигналы, пришедшие по этим некоррелированным трассам, могут быть выделены или объединены. Приведены примеры реализации для применений с пространственным разделением. Для планарных антенных решеток получена хорошая корреляция между принятыми сигналами для антенных баз разделения, имеющих величину около 0,5 длины волны. Эти базы разделения будут подразумеваться во всех примерах, приведенных в данном разделе.

Приведенные здесь методы суммирования могут также применяться для всех других видов разделения.

В примере реализованной схемы используется микроконтроллер для обработки сигнала качества sq и управления сумматором. Сигнал качества sq, который отражает качество принимаемого сигнала с разделением, генерируется приемником. В этом разделе сигнал качества может быть рассмотрен как отношение сигнал/шум (SNR), которое измеряется на выходах антенн.

Соотношение между SNR и BER зависит от типа детектора символа. В Разделе 1.5 уделено более пристальное внимание генерации и определению сигнала качества. В простой схеме суммирования микроконтроллер может быть заменен, например, дискретными микросхемами.

Представленные в этом разделе методы суммирования при приеме с разделением позволяют получить выходной сигнал Vout на основе сигналов Vr;1 и Vr;2, принятых произвольно расположенными в пространстве антеннами. В этом разделе также будет определена мощность шума на выходах приемных антенн, которая необходима для получения требуемого BER. Выражение для выходного сигнала Vout может быть нормализовано по отношению к мощности шума, принятого одной из антенн. Ряд выражений показывает улучшение SNR при приеме с разделением. Мощность принятого шума для различных методов суммирования обсуждается в Разделе 1.4. Сигналы Vr;1 и Vr;2 являются функцией времени. Изменение времени прихода лучей может быть вызвано движением приемника или перемещением людей или других объектов в зоне распространения радиоволн.

1.3.1. Суммирование за счет переключения

При суммировании путем переключения только один из разделенных сигналов направляется на единственный приемник. При этом другой сигнал не используется. Качество отдельных сигналов при разделении не может определяться только одним приемником. Следовательно, переключение отдельных разделенных сигналов не будет основываться на их качестве; оно будет основываться на пороговом уровне для качества того из сигналов с разделением, который в данный момент используется для приема данных. Переключение не происходит до тех пор, пока с уровнем качества этого сигнала ничего не случается, т. е. пока уровень качества сигнала не снизится до определенного заданного заранее порогового уровня для одного или другого сигнала с разделением. Тогда будет выбран другой сигнал. Если качество этого нового сигнала также ниже порогового уровня, то снова другой сигнал должен быть выбран. Так будет продолжаться до тех пор, пока сигнал достаточного качества не будет найден. Сумматор на основе переключателя показан на Рисунке 1.2.

Алгоритм работы такого сумматора может быть представлен выражением:

Рисунок 1.2. Сумматор на основе переключателя; сплошные линии представляют сигнальные линии, пунктирные – линии управления, sq – сигнал индикатора качества.

Наименование блоков слева направо: антенны, управляемый переключатель, микроконтроллер и приемник RX.

где Vout;2 – это новое выходное напряжение, Vout;1 – это предыдущее выходное напряжение, Vr;1 и Vr;2 – напряжения, принятые антеннами 1 и 2 соответственно и VT- пороговый уровень, соответствующий требуемой величине BER.

Если время, необходимое для переключения, приближается к нулю, то алгоритм переключения будет способен сканировать антенны для получения сигнала требуемого качества. В этом случае алгоритм разделения за счет переключения становится подобным селективному сумматору, который будет представлен в Разделе 1.3.2.

В практических применениях непрерывное переключение между сигналами с разделением предотвращается введением определенного промежутка времени после каждого переключения. Это приводит к гистерезису по времени. Если не ввести гистерезис, переключатель может начать автоколебания, попеременно переключаясь между двумя сигналами с разделением. Если в каждую секунду будет происходить достаточно много переключений, приемник потеряет связь с передатчиком; это явление называется потерями переключения.

В худшем случае потери переключения могут вызвать потерю больших блоков данных.

Величина порогового уровня должна быть установлена очень точно. Если эта величина будет выбрана в соответствии с требуемым минимальным BER, т. е. 10-3, то для других значений BER суммирование будет избыточно оптимальным. По отношению к используемому фиксированному пороговому уровню, а также фиксированному гистерезису, можно адаптивно оптимизировать принимаемые данные, как по величине минимальных потерь переключения, так и по максимальным параметрам при приеме. Это приводит для указанных величин к различным значениям, зависящим от времени, для терминала, а также к различным зависящим от времени значениям для системы в целом. Например, ближе к базовой станции промежутки между переключениями должны бить минимизированы, в то время как при удалении от нее эти промежутки должны увеличиваться вплоть до того уровня, при котором потери переключения станут неприемлемыми.

1.3.2. Сумматор равного усиления

Из-за переотражений радиоволн внутри зданий фронты импульсов этих волн достигнут антенн системы связи с произвольными углами. Это явление показано на Рисунке 1.3. Поведение выходных сигналов системы с несколькими антеннами как функции угла падения (угла между направлением распространения и антеннами) хорошо описано в литературе для фазированных антенных решеток. Здесь выходной сигнал двух всенаправленных антенн, соединенных со схемой суммирования, рассматривается в двух плоскостях

(двумерный случай). Амплитуда выходного напряжения схемы суммирования Vout с точки зрения выбранной антенной базы для угла падения может быть найдена из выражения: