دانلود مقاله آنتن های هوشمند

مقدمه :

 امروزه کوشش های پیگیرانه ای در جهت استفاده هرچه بیشتر از امواج به جای سیم ها در دنیای کامپیوتر در حال انجام است که برخی از آنها به نتیجه مطلوب رسیده ولی برخی هنوز در مراحل آزمایشی و تحقیقاتی قرار دارند.

ارتباطات ماهواره ای از طریق آنتن های عادی دریافت و ارسال (send&receive) یکی از نمونه های برجسته و بسیار کارا در این زمینه است که استفاده موفقیت آمیز از آن اکنون معمول گشته است.

با این حال تکنیک های پیشرفته تری نیز در راه هستند که از آن جمله است به کارگیری آنتن های هوشمند در گستره ارتباطات مخابراتی و به خصوص انتقال داده ها.

اما آنتن هوشمند چیست و چه کاربردی دارد و گذشته از آن، آیا به راستی «آنتن» می تواند «هوشمند»باشد؟

 برای اینکه نسبت به سیستم آنتن هوشمند یک دید اولیه پیدا کنید، چشمانتان را ببندید و سعی کنید در حالی که یکی از دوستانتان در اطراف اتاق حرکت می کند با او صحبت کنید.

درمی یابید که می توانید محل وی را (یا چند نفر را) بدون دیدنشان در اتاق تشخیص دهید.

مهمترین علت آن عبارت است از آنکه: صدای شخصی را که صحبت می کند از طریق دو گوشتان، که سنسورهای صدای شما محسوب می شوند، می شنوید.

صدا در دو زمان مختلف به گوش شما می رسد.

مغز شما که یک پردازشگر سیگنال حرفه ای است، محاسبات زیادی را انجام می دهد تا همبستگی اطلاعات را با هم پیدا کرده و محل شخص صحبت کننده را پیدا نماید.

مغز شما همچنین توان سیگنال صدای دریافتی از دو گوش را با هم جمع می کند.

بنابراین صدا را در جهت مربوطه بلندتر از صداهای دیگر دریافت خواهید کرد.

سیستم های آنتن تطبیقی هم همین کار را انجام می دهند، که در آن به جای گوش از آنتن استفاده شده است.

ولی فرق این دو در آن است که آنتن ها، دستگاه هایی دوطرفه هستند و می توانند سیگنالی را در همان جهت که سیگنال اول دریافت کرده اند بفرستند.

بنابراین با استفاده از «چند» آنتن می توان سیگنال را «چند» بار قوی تر دریافت و ارسال کرد.
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.

نقش آنتن در یک سیستم مخابراتی
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.

سیستم آنتن هوشمند
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.

اهداف و مزایای یک سیستم آنتن هوشمند
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.

کاربرد تکنولوژی آنتن هوشمند
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.
سیستم های آنتن هوشمند با اندکی تغییر، در تمام استانداردها و پروتکل های بی سیم قابل اعمال هستند.
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.
 

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.

آنتن‌های هوشمند از گذشته‌های دور به طور معمول، کلمه آنتن به یک وسیله مکانیکی اطلاق می‌شود که امواج الکترومغناطیسی را به جریان الکتریکی و بالعکس تبدیل می‌کند و ما آن را بیشتر به عنوان یک تشعشع‌کننده می‌شناسیم.

اما در مبحث آنتن‌های هوشمند، کلمه آنتن مفهوم جامع‌تری دارد و شامل یک فرستنده و گیرنده کامل است.

تئوری آنتن‌های هوشمند یا تطبیقی، موضوع جدیدی نیست و از این آنتن‌ها سال‌ها در جنگ‌های الکترونیک استفاده می‌شده است؛ اولین استفاده عملی از آن به جنگ جهانی دوم (1940) بر می‌گردد.

در صنایع نظامی نیاز است که یک هدف را که با سرعت زیاد حرکت می‌کند، ردیابی کنند.

از آنجا که ثابت زمانی گردش مکانیکی آنتن به علت اینرسی زیاد آن، خیلی زیاد است، نمی‌تواند با ثابت زمانی مدارات الکترونیکی گیرنده و فرستنده آنتن منطبق شود و به همین دلیل، سرعت ردیابی به شدت کند می‌شود.

در نتیجه، این ایده مطرح شد که فضا را با چرخش الکترونیکی راستای دید آنتن جاروب کنند.

مراحل رسیدن به آنتن‌های هوشمند فعلی را می‌توان به صورت زیر بیان کرد: 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 شبکه‌های سلولی امروزی، باید تغییرات گسترده‌ای در ساختار این شبکه‌ها ایجاد گردد.

علاوه بر این، به علت زیاد بودن تعداد کاربران و نیز اثرات تضعیف مختلف، بهره آنها بسیار محدود است.

ولی استفاده از آنتن‌های هوشمند نوع سوم، به تغییرات گسترده در شبکه سیار سلولی حاضر نیاز ندارد.

همچنین، با استفاده از الگوریتم‌های مناسب می‌توان بهره آنها را تا حد مطلوب بهبود بخشید.

در ساده‌ترین بیان، آنتن هوشمند آنتنی است که پترن (pattern) آن ثابت نبوده و آن را با شرایط فعلی رادیویی (موقعیت مشترک) تطبیق می‌دهد.

لزوم استفاده از آنتن‌های هوشمند از آنجاییکه برای طراحی شبکه‌های امروزی، تمام تلاش‌ها روی بهینه‌سازی روش‌های مدولاسیون، کدینگ و استانداردها متمرکز بوده‌است، به تکنولوژی‌های مرتبط با آنتن توجه کمتری شده‌است؛ در حالیکه برای رفع نیاز‌های شبکه‌های سلولی آینده باید آنها را تا حد ممکن هوشمند طراحی کرد.

در همین راستا، عمده توجهات روی فیلتر کردن فضا متمرکز شده است.

فیلتر کردن در حوزه فضا، بین کاربرهایی که از یک کانال رادیویی مشترک استفاده می‌کنند، تمایز ایجاد می‌کند و در نتیجه می‌توان از فضا به عنوان یک روش دستیابی (access) در ترکیب با روش‌های دستیابی کنونی نظیر FDMA، TDMA و CDMA استفاده کرد.

ذکر این نکته لازم است که در اینجا منظور از کانال، فرکانس کاریر، شیار زمانی و کد است.

در واقع آنتن هوشمند می‌تواند کاربرهایی را که فرکانس، شیار زمانی و کد آنها یکی است، از هم تشخیص دهد.

آغاز تحقیقات گسترده برای استفاده تجاری از آنتن‌های هوشمند، به سال 1994 بر می‌گردد.

این مساله ممکن است این سوال را مطرح سازد که چرا با این همه تأخیر به فکر استفاده از آنتن‌های هوشمند افتاده‌ایم و نه مثلاً بیست سال پیش؟

در پاسخ به این پرسش باید به دو نکته توجه کرد: -1 در حال حاضر نیاز شدیدی به افزایش ظرفیت در شبکه‌های مخابراتی وجود دارد؛ در حالیکه در گذشته چنین نبوده است.

-2 امروزه پردازنده‌هایی با سرعت‌های فوق‌العاده بالا و قیمت مناسب ارائه شده‌است؛ در حالیکه در گذشته از این امکان برخوردار نبودیم.

طبقه‌بندی آنتن هوشمند بسته به اینکه آنتن‌های هوشمند بیم خود را چگونه تولید می‌کنند، می‌توان آنها را به سه دسته تقسیم کرد.

این تقسیم‌بندی در واقع یک سطح هوشمندی به این آنتن‌ها تخصیص می‌دهد: 1- switching beam or switching lobe smart antenna )SBA) در این روش، آنتن هوشمند تعداد محدودی بیم در اختیار دارد و بسته به موقعیت مشترک، بیمی را انتخاب می‌کند که بیشترین مقدار "نسبت سیگنال به نویز ( SNR )" را داشته باشد.

بدین‌ترتیب، توان سیگنال دریافتی افزایش می‌یابد.

این آنتن به سادگی قابل پیاده‌سازی بوده و هم‌اکنون تلاش‌های زیادی جهت استفاده از آن در نسل دوم و سوم شبکه‌های مخابراتی در حال انجام است.

2- 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 مشترک (DoA) " می‌توان مشترک را در محدوده سلول توسط یک بیم ردیابی کرد.

این روش باعث بهبود توان سیگنال دریافتی می‌شود.

در یک آنتن آرایه ‌فازی، در تغذیه هر آرایه از یک شیفت‌دهنده فاز استفاده می‌شود؛ در نتیجه بین هر دو آرایه یک اختلاف فاز به وجود می‌آید که میزان چرخش بیم آنتن را تعیین می‌کند.

با در نظر گرفتن اختلاف فاز بین دو سیگنال دریافتی از دو آرایه مجاور، می‌توان جهت مشترک را تخمین زد.

3 - 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 کردن این سیگنال‌ها در توابع وزن مناسب، می‌توان بیم آنتن را طوری جهت داد که حداکثر سیگنال دریافت شود.

در واقع در این روش، "نسبت سیگنال به مجموع تداخل و نویز (SINR‌) " بهینه می‌شود.

در هرکدام از روش‌های بالا، سیگنال دریافتی از هر المان آرایه در یک بردار وزن ضرب می‌شود.

آنچه که این روش‌ها را از هم متمایز می‌کند، چگونگی محاسبه این بردار وزن و نیز معیارهای لازم برای محاسبه آن است.

وقتی که آنتن هوشمند به یکی از روش‌های فوق به کار گرفته شد، می‌توان یک طبقه‌بندی دیگر نیز بسته به نوع کاربرد برای آن در نظر گرفت: 1 - high sensitivity reciever )HSR) در این الگو، آنتن هوشمند فقط در حالت uplink به‌کار می‌رود.

بنابراین می‌توان با افزایش بهره، حساسیت آن را افزایش داد.

این مفهوم، چیزی غیر از همان مفهوم diversity که در شبکه‌های مخابراتی پیاده‌سازی شده‌است، نیست.

2- spatial filtering for interference reduction )SFIR) در این الگو، از آنتن هوشمند در هر دو جهت uplink و downlink استفاده می‌شود.

در این حالت بهره آنتن در هر دو جهت افزایش می‌یابد.

بدین‌ترتیب، به نوعی فضا را فیلتر می‌کنند.

3- spatial division multiple access )SDMA) این روش، آخرین گام در تکامل آنتن‌های هوشمند است.

به‌طوریکه با استفاده از آن می‌توان