برگرفته از: ماهنامه دنیای مخابرات و Smart Antenna,8th ISCEE Kerman
کاربرد سامانه های جهت یاب امروزه دیگر منحصر به سامانه های نظامی و کاربرد های خاص چون رادار، سونار و جهت یاب های رادیویی معمولی و … نشده و مسیر خود را در سیستم های مخابراتی پیشرفته چون سامانه های مخابراتی سیار، سامانه های ردیابی و شناسایی نجوم ودر موارد محدودی در بحث اکوستیک باز نموده است، به طوری که ترکیب سامانه های جهت یابی و مخابرات سیار باعث مزایای فراوانی از جمله افزایش تعداد استفاده کنندگان، افزایش حجم پوشش و کاهش تداخل شده است.
همچنین تقاضا برای خدمات مخابراتی موبایل روز به روز به طور گسترده ای درحال افزایش است از این رو است که پیش بینی می شود در آینده ای نزدیک مخابرات برای دستگاه های موبایل در هر منطقه ای از زمین در تمامی زمان ها قابل دسترسی باشد. به نظر می رسد که آرایه آنتن ها که بر روی کشتی ها، ناوها، ماهواره ها و همچنین ایستگاه های اصلی نصب شده اند دارای نقش بسیار مهمی در پاسخگویی به نیاز های مربوطه خواهند بود.
مبحث آرایه بندی و متعاقب آن طراحی الگوریتم های مختلف جهت پردازش اطلاعات حاصله از آرایه ها مدتی است که تحقیقات زیادی را به خود اختصاص داده است. اگر چه تاریخچه این تحقیقات به سالیان پیش بر می گردد، اما مدتی است که به خاطر پیشرفت بشر در دستیابی به سرعت های بالای کلید زنی و پردازشگرهایی که قادرند در مدت زمانی اندک محاسبات زیادی را انجام دهند، تحولات چشمگیری یافته است. البته هنوز هم این سرعت کافی نبوده و در بسیاری موارد باعث عدم پردازش مناسب داده ها می گردد. جهت یابی رادیویی از جمله مواردی است که بر روی آن تحقیقات زیادی به عمل آمده است.
لازمه بررسی و تحلیل چنین مباحثی شناخت تکنیک آرایه ها و توانایی استفاده از الگوریتم های مناسب با شرایط مسئله است. این موضوع که ابتدا در سیستم های آرایه وفقی مطرح شده بود، در حال حاضر نیز به همراه مبحث شکل دهی پرتو در زمینه های مختلف خصوصا مخابرات سیار سیستم های SDMA و آنتن های هوشمند مورد توجه بسیاری از مراکز تحقیقاتی قرار دارد.
بهره گیری از تکنیک پردازش آرایه ای ابتدا جهت آنتن ها به کار رفت، اما پس از مدتی کاربردهای عظیم این تکنیک در کلیه زمینه ها گسترش یافت.
الگوریتم های موجود در مورد مشخص کردن جهت ورودی های دریافتی مدتهاست که مورد توجه بوده و در روش بسیار کارای آن که همان روش های تخمین جهت با استفاده از تکنیک زیر فضای سیگنال است از حدود دهه 1970 آغاز شده است. اصلی ترین الگوریتم مرتبط با تکنیک های زیر فضای سیگنال، الگوریتم میوزیک است.
یکی از کاربردهای سامانه های جهت یاب به تحقیقات یکی از کارشناسان ارشد ارتش آمریکا بر می گردد که با نمونه برداری از صدای یک تانک و سپردن این نمونه صدای تانک در حافظه کامپیوتر و سپس کاشتن تعدادی میکروفن به عنوان سنسور و مقایسه خروجی آرایه با حافظه توانست زاویه ای که این تانک به هنگام حرکت با موتور روشن با سنسور می ساخت را آشکار نماید. این مهم باعث می شد تا بتوان تانک دشمن را با علم به زاویه آن شناسایی نموده و با داشتن مختصات آن به عنوان یک هدف نظامی به آن شلیک نمود. کاری که در گذشته با رادار انجام می شد در حالی که هزینه ساخت رادار با هزینه ساخت این پروژه نظامی، غیر قابل مقایسه بود. به طوریکه چنانچه رادار توسط دشمن مورد تخریب قرار می گرفت هزینه آن بسیار زیاد بود در حالیکه چنانچه این پروژه توسط دشمن تخریب می شد فقط تعدادی میکروفن از دست می رفت.
امروزه جدای از کاربردهای وسیعی که آرایه های میکروفنی به ارمغان آورده اند می توان با نمونه برداری از صدای حوادث یا پدیده ها ( شبیه صدای رعد، صدای انفجار- صدای شکستن شیشه و …) و سپردن این اصوات به حافظه کامپیوتر و مقایسه آنها با خروجی سنسورها یا آرایه های کاشته شده در محل های مورد نظرمان، بروز یک پدیده یا اتفاق یک حادثه یا رویداد را آشکار و متعاقب آن امور پیشگیرانه را لحاظ نمود. مثلا با پردازشگرهای قوی می توان بروز رعد را از روی صدای آن تشخیص داده و در پست های توزیع برق فشار قوی در کسری از ثانیه نسبت به قطع برق اقدام نمود و سایر امور پیشگیرانه هایی که می توان با استفاده از آرایه بندی به انجام رساند.
بطور کلی روش های تخمین جهت که تاکنون پیشنهاد شده را می توان به دو گروه تقسیم کرد :
- روش های تخمین طیفی
- روش های ساختار ویژه
در روش های گروه اول که مهمترین آنها روش حداکثر احتمال است با محاسبه طیف مکانی و بدست آوردن نقاط ماکزیمم محلی، تعداد و جهت منابع سیگنال تعیین می گردد. تخمین همزمان تعداد و جهت منابع ارسال کننده سیگنال و همچنین زمان پردازش کم این روشها از جمله نقاط قوت آنها محسوب می گردند ولی قدرت تفکیک پذیری کم در تشخیص منابع نزدیک به هم و منابع با اختلاف توانی زیاد، همچنین حساسیت زیاد آنها به نویز و کالیبراسیون آرایه دلایلی هستند که استفاده از آنها را محدود نموده است.
روش های گروه دوم که الگوریتم Music مهمترین آن هاست بر پایه این خاصیت ماتریس کواریانس پایه گذاری شده اند که فضا توسط بردارهای ویژه آن به دو زیر فضای سیگنال و نویز تقسیم می شود به گونه ای که بردارهای آرایه در جهت منابع، عمود بر زیر فضای نویز قرار می گیرند.
سادگی فرمول بندی، قدرت تفکیک زیاد و حساسیت بسیار کمتر آنها به نویز از جمله محاسن آنهاست ولی از عیوب دسته دوم می توان به این نکته اشاره کرد که بعضی از روش های این دسته فقط قابل اعمال به آرایه های خطی هستند.
برای بهینه کردن یک ارتباط بطوریکه دارای بازده بالایی باشد توجه به چندین مورد اساسی لازم به نظر می رسد که در زیر به آنها اشاره می شود:
چگونگی استفاده از آرایه آنتنها بطوریکه با استفاده از پیکربندی های متفاوت، اثر و نتایج مربوط به سامانه های مخابراتی را بهبود بخشد.
مدل سیگنال مناسب و کارا، برای پردازش آرایه ها در کنار طرح های مختلف شکل دهی بیم.
الگوریتم های وفقی برای تنظیم وزن یک آرایه.
بکارگیری چندین روش تخمین جهت.
بحث بر روی چندین روش پیش پردازشی.
روش های جدا سازی سیگنال از نویز و حصول مقادیر دقیق متغیر های مورد نیاز برای الگوریتم های مختلف موجب شده است که هر کدام در موقعیت های مختلفی بکار گرفته شوند و حتی بعضی از این الگوریتم ها به دلایل مشکلاتی که فراهم نموده اند، حذف شوند.
یک مشکل جدی پردازش آرایه ها حل مسئله منابع کاملا وابسته است. حل نمودن مشکل منابع وابسته و همچنین منابعی که از لحاظ فاصله بهم نزدیک اند باعث ایجاد یک حوزه فعال در تحقیقات شده است.
درحال حاضر تکنیک های زیر فضای سیگنال به عنوان قدرتمندترین روش در نظر گرفته شده و بر مبنای بردار تجزیه ویژه ماتریس کوواریانس داده ها (یعنی Rxx ) بنا شده است.
این روش ها قادرند تخمین هایی با قدرت بالاتر را ایجاد کنند.
ابهام ها کاهش یابند
تخمین دقیقی برایDOA و سایر متغیرهای سیگنال و نویز ایجاد می کند.
اما این تکنیک های مشخص شده، حساس به نمونه برداری و مدل های خطا و عدم اطمینان هستند، بخصوص که بر اساس دانش دقیق شکل هندسی آرایه ( موقعیت آنتنها) ، فاز و بهره آنتن، کوپلینگ متقابل بین عناصر آرایه ها و غیره بنا شده اند.
سیستم آنتن هوشمند سیستمی است که المان آنتن چند گانه را با توانایی پردازش سیگنال ترکیب کرده تا به طور خودکار آنتن بهترین تشعشع و یا بهترین دریافت را در پاسخ به سیگنالهایی که در محیط اطراف آنتن هستند، انجام دهد.
- Radio Direction Finding
- Adaptive Array System
- Beam forming
- Space Division Multiple Access
- Smart Antenna
- Multiple Signal Classification
- Spectral Estimation Methods
- Eigenstructure Methods
- Maximum Likelihood
- Array processing
- Conventional-delay
- Directional of arrival
- Pre-processing methods
نکته بعدی اینکه اگر چند نفر با هم صحبت کنند، مغز شما می تواند تداخل را حذف کرده و در یک زمان خاص روی یک مکالمه خاص تمرکز کند. سیستم های ارائه تطبیقی پیشرفته هم می توانند بین سیگنال مورد نظر و سیگنال های ناخواسته تفاوت قائل شوند.
اکنون به تعریف آنتن هوشمند نزدیک می شویم: یک سیستم آنتن هوشمند از چند المان با قابلیت پردازش سیگنال استفاده می کند تا تشعشع و یا دریافت را در پاسخ به محیطی که سیگنال در آن وجود دارد بهینه نماید.
آنتن در سیستم های مخابراتی بیشتر از تمام بخش های دیگر از معرض دید دور مانده است. آنتن دریچه ای است که انرژی فرکانسی رادیویی را از فرستنده به دنیای خارج و از دنیای خارج به گیرنده کوپل می کند. روشی که طی آن انرژی به فضای اطراف توزیع و از آن دریافت می شود اثری بسیار جدی روی استفاده موثر از طیف، برقراری شبکه های جدید و کیفیت سرویس ایجاد شده از این شبکه ها دارد. به طور کلی دو نوع آنتن داریم: آنتن همه جهتی و آنتن یک جهتی.
از روزهای اولی که ارتباط بدون سیم شروع شد، از آنتن همه جهتی استفاده می شد که این آنتن در همه جهات سیگنال را به خوبی دریافت و منتشر می کند. الگوی این آنتن همه جهتی شبیه به قطرات آب است که پس از برخورد یک جسم به آب، از سطح آب خارج می شوند. در این نوع آنتن به علت این که اطلاعاتی از محل قرار گرفتن کاربرها در دست نیست، سیگنال پراکنده می شود و تنها درصد کوچکی از سیگنال به هر کاربر می رسد.
با وجود این محدودیت روش های همه جهتی سعی می کنند این مشکل را با زیاد کردن توان تشعشعی سیگنال های ارسال شده رفع نمایند. در صورت وجود چند کاربر (یا چند منبع تداخل) مشکلات زیادی ایجاد می شود زیرا سیگنال هایی که به کاربر مورد نظر نرسند برای کاربران دیگر که به عنوان مثال در سیستم سلولی در سلول مجاور قرار دارند، تداخل ایجاد می کنند. روش های همه جهتی راندمان طیف را کم کرده و استفاده مجدد از فرکانس را محدود می کنند. این محدودیت ها باعث می شود که طراحان شبکه دائماً مجبور به اصلاح شبکه با هزینه های گران باشند. در سال های اخیر محدودیت های تکنولوژی در مورد کیفیت، ظرفیت و پوشش سیستم های بی سیم باعث ایجاد تغییرات در طراحی و قوانین آنتن در سیستم های بی سیم شده است.
یک تک آنتن نیز می تواند طوری ساخته شود که در جهات مورد نظر دریافت و ارسال مشخصی داشته باشد. با رشد روزافزون سایت های فرستنده، امروزه بسیاری از سایت ها بخش های مشخصی را به عنوان سلول برای خود انتخاب می کنند. یک ناحیه با شعاع ۳۶۰ درجه به ۳ زیر ناحیه ۱۲۰ درجه تقسیم و هر یک توسط یک روش انتشاری پوشش داده می شود.
آنتن های هر بخش در یک محدوده مشخص «گین» بیشتری را نسبت به یک آنتن همه جهتی ایجاد می کنند. منظور از گین بهره خود آنتن است و این به بهره های پردازشی که در سیستم های آنتن هوشمند وجود دارد مربوط نمی شود. با اینکه آنتن های قرار داده شده در هر بخش استفاده از کانال را چند برابر می کنند، ولی کماکان مشکل تداخل بین کانال ها را همانند آنتن های همه جهتی دارند.
در حقیقت، آنتن ها هوشمند نیستند بلکه سیستم آنتن ها هوشمند هستند. عموماً هنگامی که این سیستم ها در کنار یک ایستگاه پایه قرار می گیرند، آنتن هوشمند از یک ارائه آنتنی با قابلیت پردازش سیگنال دیجیتال برای ارسال و دریافت سیگنال به صورت حساس و تطبیقی استفاده می کند. به عبارت دیگر، چنین سیستمی می تواند به صورت اتوماتیک جهت الگو تشعشعی را در پاسخ به محیط سیگنال تغییر دهد. این مسئله به طرز شگفت انگیزی مشخصه سیستم بی سیم را بهبود می بخشد.
در مکان هایی که تعداد کاربر، تداخل و پیچیدگی انتشار زیاد می شود، به سیستم های آنتن هوشمند نیاز خواهد بود. هوشمندی سیستم ها به امکانات آنها برای پردازش سیگنال دیجیتال برمی گردد. مانند اکثر پیشرفت های مدرنی که در صنایع الکترونیک امروزی صورت گرفته است، فرمت دیجیتال از جهت دقت و انعطاف پذیری کارکرد چند مزیت دارد. سیستم های آنتن هوشمند سیگنال های آنالوگ (نظیر صوت) را گرفته و به سیگنال های دیجیتال تبدیل و برای ارسال مدوله می کنند و در سمت دیگر دوباره آن را به سیگنال آنالوگ تبدیل می نمایند. در سیستم های آنتن هوشمند این قابلیت پردازش سیگنال با تکنیک های پیشرفته (الگوریتم ها) ترکیب شده و برای اداره وضعیت های پیچیده استفاده می شوند.
دو هدف سیستم آنتن هوشمند، افزایش کیفیت سیگنال سیستم های رادیویی و افزایش ظرفیت از طریق افزایش استفاده مجدد از فرکانس صورت می گیرد. گین سیگنال، ورودی چند آنتن با هم ترکیب می شود تا توان موجود برای برقراری سطح پوشش مورد نظر بهینه شود.
متمرکز کردن انرژی فرستاده شده به سمت سلول، محدوده سرویس دهی و پوشش ایستگاه پایه را افزایش می دهد. مصرف توان کمتر عمر باتری را بیشتر کرده و تلفن همراه را کوچک تر و سبک تر می کنند. مقاومت در برابر تداخل و نسبت سیگنال به تداخل را افزایش می دهند. هزینه کمتر برای تقویت کننده، مصرف توان و قابلیت اطمینان بیشتری را ایجاد خواهد کرد.
تکنولوژی آنتن هوشمند می تواند به نحو موثری عملکرد سیستم بی سیم را بهبود بخشد و از نظر اقتصادی نیز بسیار به صرفه است. این تکنولوژی کاربران کامپیوترها، سیستم های سلولی و شبکه های حلقه محلی بی سیم را قادر می سازد که کیفیت سیگنال، ظرفیت سیستم و پوشش را بسیار بالا ببرند. کاربران معمولاً در زمان های مختلف، به درصدهای مختلفی از کیفیت، ظرفیت و پوشش نیاز دارند. در اصل سیستم هایی که از نظر ساختار به راحتی قابل تغییر باشند، در دراز مدت بهترین و به صرفه ترین راه حل ها محسوب می شوند.
قابلیت انعطاف آنتن هوشمند تطبیقی اجازه خلق محصولات و خدمات بسیار سطح بالایی را می دهد. آنتن های تطبیقی هوشمند به هیچ نوع مدولاسیون یا پروتکل برقراری ارتباط هوایی محدود نیستند. این سیستم ها با تمام روش های مدولاسیون فعلی سازگار هستند. احتمالاً طیف بسیار وسیعی از سیستم های ارتباطی بدون سیم از مزایای پردازش مکانی برخوردار می شوند، مثلاً سیستم های سلولی با قابلیت تحرک بالا، سیستم های سلولی با قابلیت تحرک کم، کاربردهای حلقه محلی بدون سیم، مخابرات ماهوراه ای و Lan های بدون سیم و به ویژه اینترنت بی سیم برای کامپیوترهای قابل حمل. باور بسیاری براین است که پردازش مکانی، جای تمام روش های موجود برای سیستم های بی سیم را خواهد گرفت.
