Программно-управляемые антенны как перспективный инструмент модернизации средств связи

Программно-управляемые антенны как перспективный инструмент модернизации средств связи

Выпуск 5(6679) от 07 марта 2019 г.
РУБРИКА: СРЕДСТВА СВЯЗИ

По мере увеличения количества подключенных устройств и роста спроса на отправку и прием данных требования к сотовым сетям ужесточаются. В этой связи перед разработчиками приборов и антенн стоит задача создания более совершенных клиентских систем, обеспечивающих повышение производительности сети. Одно из перспективных направлений развития – ​использование программно-управляемых антенн (software-defined antennas, SDA), значительно превосходящих по производительности пассивные антенны. Кроме того, SDA способны динамически отслеживать сигналы в мобильных приложениях и поддерживать оптимизацию каналов связи.

Среди вариантов, которыми располагают разработчики, можно назвать оптимизацию динамических каналов связи с использованием методик программного обеспечения антенн, расширяющих возможности радиоархитектур и антенных систем. Это, в свою очередь, позволяет специализирующимся в данной области фирмам разрабатывать более компактные и рентабельные радиосистемы, обладающие повышенной пропускной способностью. Уже создано несколько военных и коммерческих приложений для программно-определяемых радиостанций (software-defined radios, SDR), использующих программно-управляемые антенны (SDA). Преимущества этих антенн позволяют использовать их в ряде критически важных приложений Интернета вещей, таких как управление железнодорожным транспортом, обнаружение утечек газа из подземных газопроводов, предотвращение лесных пожаров.


ПРОГРАММНО-УПРАВЛЯЕМЫЕ АНТЕННЫ

Фирмы, разрабатывающие критически важные системы, в которых необходимо поддерживать надежное соединение или высокую скорость передачи данных, полагаются на гибкость радиоархитектуры и антенной системы, позволяющую динамически оптимизировать канал связи. Такая оптимизация может быть обеспечена программно-управляемыми системами, которые предлагают более широкий диапазон изменения частот и используют гибкую модуляцию, позволяющую улучшить и качество связи. Количество приборов, обеспечивающих межмашинную передачу данных и работу Интернета вещей, уже существенно превысило количество смартфонов, перегрузка сотового сигнала и помехи становятся основными проблемами. По мере того как к существующим сетям подключается все больше приборов, увеличивается и число базовых станций, что только обостряет проблему. Современные пассивные антенные системы, используемые в сотовых клиентских приборах для мониторинга транспорта и промышленной автоматизации, имеют динамическое управление диаграммой направленности. Освоение SDA-методик позволит обеспечить ширину луча и угловое разрешение, минимизирующие интерференцию в сотовых сетях как четвертого, так и пятого поколений (4G и 5G).

Появление SDA стало возможным благодаря осуществленным в последние десять лет инновациям в двух сферах: компонентов радиочастотной настройки и чипсетов РЧ-модемов. Широкий выбор компонентов РЧ-настройки – ​переключатели, настраиваемые конденсаторы, радиочастотные MEMS переключатели и PIN-диоды – ​и достижение производственными технологиями этапа зрелости обеспечили разработчикам радиосистем большие возможности. Модемные чипсеты обеспечивают метрики для динамической оптимизации в реальном масштабе времени с умеренной или низкой задержкой – ​«сигнал-интерференция-шум» (SINR) и индикатор качества канала (CQI). Такие метрики можно использовать для определения оптимального состояния настройки антенной системы.


ОГРАНИЧЕНИЯ ПАССИВНОЙ АНТЕННЫ

В каналах связи антенна излучает и получает электромагнитную энергию. Антенна размером в несколько десятых длины волны может использоваться для излучения широкой угловой области, приближаясь к характеристикам теоретического изотропного излучателя, т. е. излучая во всех направлениях с одинаковой интенсивностью. В идеале пассивная антенна в клиентском устройстве должна излучать во всех направлениях, так как расположение базовой станции относительно антенны неизвестно.

Электрически более крупная антенна размером от одной до нескольких длин волн может быть сконструирована для работы с ограниченным углом излучения. Уменьшенная ширина пучка позволяет фокусировать больше излучаемой энергии в нужном направлении, что повышает скорость передачи данных.

На рис. 1 сравниваются характеристики излучения дипольной антенны и более направленной антенны, которая обеспечивает большее усиление. Картина диполя (рис. 1а) имеет всенаправленный обзор в плоскости x–y и два глубоких провала в направлении z. В то же время более направленная антенна (рис. 1б) дает пучок уменьшенной ширины как в плоскости x–y, так и в направлении z. Это обеспечивает повышение коэффициента усиления антенны в направлении главного лепестка. Наложение диаграммы направленности дипольной антенны во всенаправленной плоскости на диаграмму направленности более направленной антенны (рис. 1в) показывает преимущества последней. Ее луч может управляться динамически, с тем чтобы покрыть четыре 90-градусных квадранта и обеспечить охват в 360°. Рис. 1 в целом показывает выгоды динамического управления лучом, предоставляемые технологией SDA, по сравнению с пассивными антеннами, обеспечивающими низкую направленность и большую ширину пучка. Множественные лучи, генерируемые антеннами с управляемым излучением, формируют сложную диаграмму направленности, обеспечивают наибольший выигрыш в тех случаях, когда управление лучом совмещается с алгоритмами расчета метрик радиоканала и использованием этих данных для выбора оптимального луча. В тех случаях, когда метрики с низкой задержкой доступны вместе с чипсетом немодулированной радиопередачи для ускорения процесса оптимизации, хорошо сконфигурируемый алгоритм позволяет добиться 80–90% выгод, обеспечиваемых сложной конфигурацией.



Источник: Teoglas Ltd.

Рисунок 1. Сопоставление диаграмм направленности антенны диполя (а) и направленной антенны (б) показывает, что направленная антенна обеспечивает большее усиление (в)


ПРИМЕР ПРОГРАММНО-УПРАВЛЯЕМОЙ АНТЕННЫ

Как обсуждалось, SDA динамически реконфигурируются в реальном масштабе времени для компенсации изменений в канале распространения и подгонки изменений в радиосигнале. Для проектирования SDA с полусферическим или полностью 3D-покрытием может быть использована пара конфигураций: централизованный элемент антенны с пассивными вибраторами на периферии или противоположная конфигурация, где множественные элементы антенны окружают центральный пассивный вибратор. Первый вариант проще и эффективнее в реализации, так как используется только один вибратор антенны. Вторая конфигурация требует большого числа элементов антенны, окружающих единственный пассивный вибратор, и эти множественные элементы должны иметь возможность переключения для изменения диаграммы направленности антенны. Цена переключения и потери снижают эффективность описанного подхода по сравнению с использованием одной антенны с большим числом пассивных вибраторов.

В любом случае активные настраиваемые компоненты интегрируются в элемент антенны или в пассивные вибраторы для обеспечения возможности переключения или настройки. РЧ-переключатели можно использовать для соединения или разъединения части проводника, являющегося, в свою очередь, частью пассивного вибратора или секции активной антенны. Это изменение в конфигурации проводника приводит к изменению токораспределения пассивного вибратора или активной антенны. Альтернативный вариант использования подстроечного конденсатора – ​на стыке двух провод-ников, с введением динамически изменяемого емкостного сопротивления для импедансной нагрузки и соединения дискретных проводников.

Один из примеров пассивной антенны – ​пассивная антенна Яги на площадке заземления (рис. 2), которая обеспечивает диаграмму направленности в одном направлении. За счет добавления настраиваемых компонентов к заземленному рефлектору и элементам директора антенны данные элементы могут динамически подключаться или отсоединяться от площадки заземления. Когда рефлектор и директор антенны подключены к площадке заземления, диаграмма направленности становится однонаправленной с достижением пикового значения именно в этом направлении. При отключении рефлектора и директора антенны диаграмма направленности возвращается к монополю на площадке заземления с всенаправленной диаграммой направленности в плоскости площадки заземления. Коэффициент усиления пассивной антенны Яги на площадке заземления на 5–6 дБ больше, чем у монополя.



Источник: Teoglas Ltd.

Рисунок 2. Пассивная антенна Яги на площадке заземления (а). Та же самая антенна с динамической настройкой (б)


На рис. 3 показана более сложная SDA-система, где многочисленные элементы с настраивающими компонентами расположены вокруг центрально возбуждаемого элемента антенны. Диаграмма направленности генерируется по мере того как различные настраивающие элементы активизируются для подсоединения или отключения элементов антенны от площадки заземления и начинает вращаться в плоскости площадки заземления, управляя направлением пикового увеличения мощности излучения антенны. Сочетание центрально управляемой антенны и одного из компенсирующих элементов с настраивающими компонентами образует один из вариантов антенны Яги, показанной на рис. 2б.



Источник: Teoglas Ltd.

Рисунок 3. Более сложная SDA, в которой луч направляется по различным секторам


Для завершения создания SDA-системы потребуется алгоритм, использующий метрики чипсета канала прямой передачи – ​для оптимального выбора луча. На рис. 4 показаны радиомодем и SDA, управляемые подобным алгоритмом, который связывает модем и SDA вместе. Это подчеркивается на рис. 4: пунктирными линиями обозначено объединение модема и SDA алгоритмом.



Источник: Teoglas Ltd.

Рисунок 4. SDA, управляемая радиомодемом


Данное обсуждение архитектуры антенной системы относится к антенне с одним портом, при этом для применений LTE MIMO с организацией 2×2 необходимы две антенны.


ПРЕИМУЩЕСТВА СИСТЕМНОГО УРОВНЯ

SDA с управлением положением главного лепестка диаграммы направленности антенны способна обеспечить от 3 до >6 дБ дополнительного антенного усиления. Это дополнительное усиление приравнивается к такому же уровню системного усиления, что приводит к повышению скоростей передачи данных. На рис. 5 показано соотношение между пропускной способностью канала передачи данных и SINR. Как показатель уровня сигнала по отношению к уровню шума и мешающих сигналов, SINR может способствовать дополнительному усилению мощности излучения антенной системы. По сути, рис. 5 демонстрирует выгоды дополнительного улучшения антенной системы на основе системных метрик, таких как пропускная способность.



Источник: Teoglas Ltd.

Рисунок 5. Пропускная способность каналов передачи данных в зависимости от используемых технологий модуляции


При низких значениях SINR будет использовать квадратурно-фазовую модуляцию (quadrature phase-shift keying, QPSK), очень схожую с четырехпозиционной квадратурной амплитудной модуляцией (4-QAM). По мере возрастания импеданса квадратурной амплитудной модуляции (QAM) увеличивается скорость передачи данных, и значение SINR, необходимое для поддержки модуляции, также растет. Когда SINR превышает 7 дБ, для передачи данных может использоваться 16-QAM, которая по пропускной способности в 2 раза превосходит QPSK. В случае, если SINR превышает 13 дБ, лучшей технологией модуляции становится 64-QAM, чья пропускная способность в 2 раза больше аналогичного показателя 16-QAM и в 4 раза – ​QPSK. Улучшения антенной системы, получаемые за счет SDA, будут наиболее заметны при малых значениях SINR.

С повсеместным распространением смартфонов и эволюцией сотовых сетей до поколения 5G подход к антеннам в клиентских приборах при их проектировании основывался на создании решений малой направленности и всенаправленных. Считалось, что клиенту лучше обеспечивать получение сигнала за счет наиболее широкой сферической геометрии. Так как приборы с пассивными антеннами не «понимают» месторасположения базовых станций или углы прихода волн, подход на основе большой ширины диаграммы направленности антенны представляется лучшим методом для настраивания работы системы с учетом требований мобильности, изменений в ориентировании и позиции прибора относительно узлов сотовой сети. К сожалению, с точки зрения бюджета системной связи подобный подход неэффективен, поскольку слишком много энергии расходуется на передачу и не всегда она осуществляется через ближайшую базовую станцию. Традиционные пассивные антенны дают меньше усиления, чем направленные антенны.


ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Система SDA может обеспечить больше преимуществ на системном уровне за счет использования излучающих элементов и элементов динамической оптимизации, объединенных с модемами канала прямой передачи, а также алгоритма оптимизации антенны. Помимо обеспечения большего усиления в необходимом направлении SDA будут снижать помехи, поступающие с направлений, отличных от целевой базовой станции. Основополагающий принцип – ​соотношение между коэффициентом усиления и широкой диаграммой направленности антенны: получение более высоких пиков усиления в диаграмме направленности; прочие угловые области будут облучаться меньше, т. е. усиление в направлениях, не входящих в главный лепесток диаграммы направленности антенны, будет меньше.

Если метрики SINR доступны при получении чипсета модема канала прямой передачи данных с алгоритмом оптимизации SDA, помехи в каналах распространения данных будут учитываться при исследовании и оптимизации характеристик диаграммы направленности антенны. Это становится все более важным, так как плотность расположения базовых станций растет с увеличением спроса на услуги связи. Повышение плотности расположения приводит к росту помех, и именно этот фактор становится главным ограничителем пропускной способности – ​по сравнению с фактором уровня сигнала.

Современные разработчики антенн могут извлечь выгоды из развития характеристик радиомодемов, таких, например, как метрики SINR с малым временем ожидания, а также технологии компонентов, с тем чтобы реконфигурировать пассивные антенны в динамически оптимизированные SDA-системы. Если для динамической оптимизации выбраны диаграммы направленности антенн, то секторизация обеспечит улучшения на системном уровне порядка 3–6 дБ по сравнению с пассивными антеннами.

 

Shamblin Jeff. Client Software-Defined Antennas Improve Link Margins, Reduce Interference. Microwave Journal, January 11, 2019: http://www.microwavejournal.com/articles/31593-client-software-defined-antennas-improve-link-margins-reduce-interference


ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ

Выпуск 22(6746) от 11 ноября 2021 г. г.
Выпуск 20(6744) от 14 октября 2021 г. г.
Выпуск 18(6742) от 16 сентября 2021 г. г.