«Μελέτη και προσομοίωση ευφυούς κεραίας για την υποστήριξη εξειδικευμένων επικοινωνιακών υπηρεσιών»

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ:ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ & ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΑΣΥΡΜΑΤΗΣ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΣ Διπλωματική Εργασία του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών Ιγγλέζος Δημήτριος του Γεωργίου Αριθμός Μητρώου: Θέμα «Μελέτη και προσομοίωση ευφυούς κεραίας για την υποστήριξη εξειδικευμένων Επιβλέπων Σταύρος Κωτσόπουλος

2 Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Πάτρα, (Οκτώβριος 2013) ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η Διπλωματική Εργασία με θέμα «Μελέτη και προσομοίωση ευφυούς κεραίας για την υποστήριξη εξειδικευμένων Του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών Ιγγλέζος Δημήτριος του Γεωργίου Αριθμός Μητρώου: Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις.../../

3 Ο Επιβλέπων Ο Διευθυντής του Τομέα Σταύρος Κωτσόπουλος, Νικόλαος Φακωτάκης, Καθηγητής Καθηγητής Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Θέμα: «Μελέτη και προσομοίωση ευφυούς κεραίας για την υποστήριξη εξειδικευμένων Φοιτητής: Δημήτρης Ιγγλέζος Επιβλέπων: Σταύρος Κωτσόπουλος

4 Πίνακας Περιεχομένων 1 Τεχνικές Παράμετροι Κεραιοσυστοιχιών Εισαγωγή Τεχνικές παράμετροι κεραιοσυστοιχιών Συμπεράσματα Θέματα Εφαρμογής Κεραιοσυστοιχιών στα Κυψελωτά Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών Εισαγωγή Παραδοσιακά δίκτυα κινητής τηλεφωνίας Κυψελοειδής δομή Στόχοι της κυψελοειδούς δομής των συστημάτων κινητής επικοινωνίας Εξέλιξη κυψελοειδών δικτύων Δομή της κυψελοειδούς κινητής τηλεφωνίας Κυψελοειδής κάλυψη Μορφή κυψελών Υπερκυψέλες Τεχνικά χαρακτηριστικά της κυψελοειδούς κινητής τηλεφωνίας Υψομετρική θέση ΣΒ (Base-station) Αποστάσεις μεταξύ ΣΒ Τρεις βασικές διαδικασίες των κυψελοειδών συστημάτων Εφαρμογές κυψελωτών δικτύων κινητών επικοινωνιών Στατικός φωτισμός κυψέλης Περιστροφή κεραίας για λήψη σήματος με υψηλότερη στάθμη ισχύος Κεραίες μεταγωγής λοβών (switched beam antennas) Κεραίες με στροφή φάσης (phased array) Κεραίες με προσαρμοζόμενο διάγραμμα ακτινοβολίας (adaptive array) Συμπέρασμα Προσομοίωση Κεραιοσυστοιχίας για το Στατικό Φωτισμό της Κυψέλης Εισαγωγή Διάγραμμα ακτινοβολίας κεραιοσυστοιχίας για την περίπτωση στατικού φωτισμού μιας κυψέλης Διάγραμμα ροής μίας κεραιοσυστοιχίας για τηλεφωνική και κινητή επικοινωνία Κεραίες που χρησιμοποιούνται στα κυψελοειδή συστήματα κινητής επικοινωνίας κατά το στατικό φωτισμό Κινητή κεραία Δημήτριος Ιγγλέζος 1

5 3.4.2 Μικροκυματική κεραία Τύποι κινητών κεραιών εξαρτώμενες από την κυκλοφοριακή συμφόρηση Τελικό διάγραμμα ροής για στατικό φωτισμό κυψέλης Συμπεράσματα Προσομοίωση Κεραιοσυστοιχίας με Περιστροφή Εισαγωγή Πλεονεκτήματα που παρέχουν οι ευφυείς κεραίες Διάγραμμα ακτινοβολίας για την περίπτωση περιστροφής της συστοιχίας κεραιών Διάκριση και μελέτη των υπαρχουσών τύπων ευφυών κεραιών Αποτελέσματα της σύγκρισης μεταξύ των τριών τύπων ευφυών κεραιών Διάγραμμα ροής (flow chart) για κεραιοσυστοιχία με περιστροφή Συμπεράσματα Προτεινόμενοι Μέθοδοι Κατασκευής Κεραιοσυστοιχιών για 1) Στατικό Φωτισμό της Κυψέλης και για 2) Περιστροφή Εισαγωγή Μέθοδος κατασκευής κεραιοσυστοιχίας για το στατικό φωτισμό μιας κυψέλης Ιστορική αναδρομή στις κεραίες σταθμών βάσης Τύποι στοιχείων ακτινοβολίας Σχεδιασμός ραδιο-ζώνης Ζώνη τομέα Κλίση ακτίνας Σχεδιασμός και υλοποίηση κεραιών για στατικό φωτισμό (Ευρωπαϊκό σύστημα) Διαμόρφωση Κεραίας Συστατικά μέρη της κεραίας Μέθοδος κατασκευής κεραιοσυστοιχίας για το φωτισμό κυψέλης με περιστροφή (smart antenna) Εισαγωγή στην αρχιτεκτονική και την εφαρμογή του συγκεκριμένου συστήματος Βασική αρχιτεκτονική συστήματος ευφυούς κεραίας Συμβατική μικροκυματική αρχιτεκτονική Αρχιτεκτονική βασισμένη στο σύγχρονο ψηφιακό επεξεργαστή σήματος Εγκατάσταση συστήματος Hardware/software ανάλυση Συστοιχία κεραίας Ραδιο-συχνότητα Μπρος Πίσω Υποβιβαστής Συνθετητής συχνότητας Δημήτριος Ιγγλέζος 2

6 Μονάδα απόκτησης δεδομένων και ψηφιακός επεξεργαστής σήματος Συμπεράσματα Γενικά Συμπεράσματα Βιβλιογραφία ΠΑΡΑΡΤΗΜΑΤΑ Δημήτριος Ιγγλέζος 3

7 Περίληψη Η διπλωματική εργασία περιλαμβάνει τη μελέτη αλλά και την προσομοίωση ευφυούς κεραίας για την υποστήριξη εξειδικευμένων επικοινωνιακών υπηρεσιών και χωρίζεται σε έξι κυρίως κεφάλαια. Το 1 ο κεφάλαιο αναλύει τις τεχνικές παραμέτρους των συστοιχιών κεραίας που είναι απαραίτητες για τη μελέτη. Στο 2 ο κεφάλαιο γίνεται μια σε βάθος ανάλυση του κυψελοειδούς συστήματος κινητής επικοινωνίας και διακρίνουμε την περίπτωση του στατικού φωτισμού και της κεραιοσυστοιχίας που περιστρέφεται αποτελούμενη από έξυπνες κεραίες. Στο 3 ο και στο 4 ο κεφάλαιο μέσω διαγραμμάτων ροής (flow charts) δείχνουμε όλες τις απαραίτητες ενέργειες και τα στοιχεία που πρέπει να λάβουμε υπ όψιν για το σχεδιασμό και την κατασκευή του αντίστοιχου κεραιοσυστήματος. Στο 5 ο κεφάλαιο αναφέρουμε τρόπους κατασκευής μιας συστοιχίας για την κάθε περίπτωση και τα συστατικά μέρη από τα οποία πρέπει να αποτελείται. Τέλος, το 6 ο κεφάλαιο περιλαμβάνει γενικά συμπεράσματα και μελλοντικές χρήσεις των ευφυών κεραιών. Δημήτριος Ιγγλέζος 4

8 Abstract This thesis includes the study and simulation of smart antenna in support of specialized communications services, and is divided into six main chapters. The first chapter analyzes the technical parameters of antenna arrays that are needed for the study. In the second chapter is an in-depth analysis of cellular mobile communication system and distinguish the case of static lighting and rotating antenna array consisting of smart antennas. In the 3rd and 4th chapter through flowcharts are shown all the necessary steps and details that must be taken into account for the design and construction of the corresponding antenna system. The 5th chapter addresses how manufacturing an array for each case and the components of which must be composed. Finally, the sixth chapter contains general conclusions and future uses of smart antennas. Δημήτριος Ιγγλέζος 5

9 Εισαγωγή Άξια παρατήρησης στην σημερινή εποχή είναι η τάση του ανθρώπου να θέλει να γεφυρώνει αποστάσεις με οποιονδήποτε τρόπο, ώστε να καθίσταται πιο άμεση και πιο εύκολη η επικοινωνία του σε κάθε γωνιά της γης. Όπως είναι προφανές πρωταρχικό λόγο σε αυτό παίζει ο τομέας των τηλεπικοινωνιών, ο οποίος προσπαθεί συνεχώς να βελτιώσει την επικοινωνία των ανθρώπων και να την καταστήσει δυνατή όπου κι αν βρίσκονται. Μέχρι σήμερα υπήρξαν αρκετές βελτιώσεις και μεγάλη ανάπτυξη της τεχνολογίας για να επιτευχθεί ο στόχος αυτός. Παρόλα αυτά κάποια προβλήματα που υπήρξαν από την κατασκευή της πρώτης φορητής συσκευής επικοινωνίας υπάρχουν μέχρι σήμερα. Το βασικό και ουσιώδες πρόβλημα των φορητών συσκευών είναι η αστοχία λήψης ισχυρού σήματος σε ορισμένες περιπτώσεις κάτι που κατά κύριο λόγο οφείλεται στο συμβατικό τύπο κεραιών που χρησιμοποιούν οι πάροχοι τηλεπικοινωνιακών υπηρεσιών. Το πρόβλημα αυτό έρχεται να λύσει ένας νέος τύπος κεραίας που προσπαθεί να εισχωρήσει στην «αγορά» και δεν είναι άλλος από την έξυπνη κεραία, η οποία κάθε στιγμή βασιζόμενη σε έναν ενσωματωμένο αλγόριθμο επιλέγει το πιο ισχυρό σήμα ώστε να έχουμε βέλτιστη επικοινωνία. Επομένως, όπως εύκολα διαφαίνεται η έξυπνη κεραία επιδιώκει να παίξει σημαντικό ρόλο στις επικοινωνίες και να λύσει τις ατέλειες που ακόμα και σήμερα υπάρχουν στον κλάδο αυτό. Βέβαια η είσοδος της και η αφομοίωση της από την αγορά θα διαρκέσει κάποιο διάστημα όπως συμβαίνει και με κάθε άλλη καινοτομία που υπάρχει στο τομέα της τεχνολογίας. Παρακάτω γίνεται ενδελεχής ανάλυση της προσομοίωσης της σχεδίασης αλλά και της κατασκευής μιας συστοιχίας αποτελούμενης από έξυπνες κεραίες (smart antennas). Δημήτριος Ιγγλέζος 6

10 1 Τεχνικές Παράμετροι Κεραιοσυστοιχιών 1.1 Εισαγωγή Σε κάθε ασύρματο σύστημα, οι κεραίες χρησιμοποιούνται σε κάθε άκρο της σύνδεσης. Η κεραία είναι ένα μέσο για να μεταφέρουμε την ισχύ ραδιοσυχνότητας από την γραμμή εκπομπής στον ελεύθερο χώρο, επιτρέποντας έναν πομπό να ακτινοβολεί, και έναν δέκτη να λαμβάνει επικείμενη ηλεκτρομαγνητική ισχύ. Οι κεραίες μπορούν να είναι τόσο απλές όσο ένα κομμάτι καλωδίου, ή μπορούν να είναι σύνθετα συστήματα με ενεργά ηλεκτρόδια. Παρά το εύρος των τεχνολογιών που αφορούν στα κεραιοσυστήματα, υπάρχει ένας αριθμός αντιλήψεων που είναι κοινές σε όλα τα κεραιοσυστήματα. Εικόνα 1-1 «Ακτινοβολία κεραίας» Μία κεραία φαίνεται στην εικόνα 1-1. Εδώ, ένα σήμα με μέση στιγμιαία ισχύ Pt εισέρχεται στην κεραία, η οποία ακτινοβολεί ισχύ προς όλες τις κατευθύνσεις. Ορίζουμε μία κατεύθυνση χρησιμοποιώντας πολικές συντεταγμένες, θ και φ. Εάν το διάνυσμα r δείχνει σε συγκεκριμένη κατεύθυνση, τότε το φ είναι η γωνία μεταξύ του χ-άξονα και της προβολής του r στο επίπεδο χ-y και θ είναι η γωνία μεταξύ του χ-άξονα και του r. Η πυκνότητα ισχύος, έχοντας μονάδες μέτρησης τα W/(rad) 2, δίνεται από την U(θ,φ) για συγκεκριμένη κατεύθυνση θ,φ. Εάν η κεραία είναι χωρίς απώλειες, και τέλεια προσαρμόσιμη, τότε όλη η ισχύς Pt της κεραίας θα ακτινοβοληθεί. Επίσης, είναι πολύ συχνή η χρήση μιας ομάδας κεραιών ή όπως είναι ευρέως γνωστό μιας κεραιοσυστοιχίας. Μία συστοιχία κεραιών ουσιαστικά είναι ένα γραμμικό σύστημα κεραιών, το οποίο αποτελείται από έναν αριθμό ομοίων κεραιών οι οποίες έχουν την ίδια κατεύθυνση. Οι κεραίες και οι συστοιχίες τους περιλαμβάνουν κάποιες τεχνικές παραμέτρους οι οποίες τροποποιούνται ανάλογα με τη χρήση για την οποία επιθυμεί ο κατασκευαστής. Οι συστοιχίες κεραιών διακρίνονται σε δύο τύπους τις:1) την broadside όπου ο κύριος λοβός κατευθύνεται σε γωνία θ=90 ο και 2) την end-fire όπου ο κύριος λοβός κατευθύνεται σε γωνία θ=180 ο Παρακάτω φαίνεται η μορφή μια συστοιχίας κεραιών: Δημήτριος Ιγγλέζος 7

11 Εικόνα 1-2 «Συστοιχία κεραιών» 1.2 Τεχνικές παράμετροι κεραιοσυστοιχιών Αρχικά πρέπει να αναφέρουμε, ότι σε μια συστοιχία κεραιών, οι κεραίες που αποτελούν το σύστημα μας διεγείρονται κατά τέτοιο τρόπο, ώστε η κατανομή του ρεύματος σε κάθε κεραία να είναι της αναλυτικής μορφής αλλά να διαφέρει κατά τη φάση ή και το εύρος από κεραία σε κεραία. Επίσης, για την εργασία αυτή η συστοιχία που μελετάμε αποτελείται από N συμμετρικές διπολικές κεραίες παράλληλες στον άξονα Ζ, όπου το κάθε δίπολο ρευματοδοτείται ανεξάρτητα από τα άλλα. Όσον αφορά το διάγραμμα ακτινοβολίας σε μια κεραιοσυστοιχία πρέπει να τονίσουμε, ότι είναι το γινόμενο του διαγράμματος ακτινοβολίας της μιας κεραίας και του συντελεστή ομάδας. Για την εργασία αυτή χρησιμοποίησα το λειτουργικό Matlab, έτσι ώστε να προσομοιώσω το διάγραμμα ακτινοβολίας μια συστοιχίας κεραιών για Ν=2 στοιχεία. Το αποτέλεσμα παρατίθεται εδώ: Δημήτριος Ιγγλέζος 8

12 Εικόνα 1-3 «Διάγραμμα ακτινοβολίας συστοιχίας κεραιών για Ν=2 στοιχεία» Επιγραμματικά αναφέρω τις παραμέτρους μιας κεραίας: Απολαβή ισχύος Κατευθυντικό κέρδος Εμπέδηση κεραίας Περιοχές πεδίων Απόδοση κεραίας Πόλωση Ενεργός επιφάνεια Απολαβή Ισχύος (power gain) Στον ηλεκτρομαγνητισμό η απολαβή ισχύος ή αλλιώς κέρδος μιας κεραίας είναι ένα μέγεθος που πέρα από την κατευθυντικότητα της κεραίας χαρακτηρίζει και την ηλεκτρονική της αποδοτικότητα. Από την πλευρά της κεραίας εκπομπής το κέρδος εκφράζει το πόσο καλά μετατρέπεται η τροφοδοτούμενη ισχύς στην κεραία σε ραδιοκύματα τα οποία οδεύουν σε συγκεκριμένη κατεύθυνση. Από την πλευρά της κεραίας λήψης δηλώνει το πόσο καλά μετατρέπονται τα ραδιοκύματα τα οποία προέρχονται από συγκεκριμένη κατεύθυνση σε ηλεκτρική ισχύς. Όταν καμία κατεύθυνση δε προσδιορίζεται, τότε ως κέρδος παίρνουμε την μεγαλύτερη τιμή της απολαβής ισχύος που εμφανίζεται. Δημήτριος Ιγγλέζος 9

13 Κέρδος κεραίας συνήθως ορίζεται ως ο λόγος της ισχύος που παράγεται από την κεραία μίας μακρινού πεδίου πηγής επί του άξονα δέσμης της κεραίας, με την ισχύ που παράγεται από μία υποθετική χωρίς απώλειες ισοτροπική κεραία, η οποία είναι εξίσου ευαίσθητη σε σήματα από όλες τις κατευθύνσεις. Συνήθως ο λόγος αυτός εκφράζεται σε decibel (db) και αυτές οι μονάδες αναφέρονται σαν decibel-isotropic (dbi). Ένας εναλλακτικός ορισμός για την απολαβή ισχύος είναι αυτός που συγκρίνει την κεραία με την ισχύ που λαμβάνεται από μία χωρίς απώλειες ημίσεως-κύματος διπολική κεραία, στον οποίο οι μονάδες γράφονται ως dbd. Από τη στιγμή όπου μια χωρίς απώλειες διπολική κεραία έχει ένα κέρδος 2.15 dbi, η σχέση μεταξύ αυτών των μονάδων είναι: κέρδος dbd = κέρδος dbi - 2,15 db. Για μία δεδομένη συχνότητα η αποτελεσματική περιοχή της κεραίας είναι ανάλογη με την απολαβή ισχύος. Το αποτελεσματικό μήκος μιας κεραίας είναι ανάλογο προς την τετραγωνική ρίζα του κέρδους της κεραίας για μια συγκεκριμένη συχνότητα και την αντίσταση ακτινοβολίας. Λόγω της αμοιβαιότητας, το κέρδος της κεραίας κατά τη λήψη είναι ίσο με το κέρδος της κατά τη εκπομπή. Η απολαβή ισχύος είναι ένα αδιάστατο μέγεθος που συνδυάζει την αποδοτικότητα μια κεραίας Eantenna με την κατευθυντικότητα D. Όταν θεωρούμε το κέρδος για μια συγκεκριμένη κατεύθυνση, η οποία δίνεται από μια γωνία ανύψωσης θ και μια αζιμούθια φ, τότε: Το D(φ, θ) είναι γνωστό σαν κατευθυντικό κέρδος. Κατευθυντικό κέρδος(directivity gain) Στον ηλεκτρομαγνητισμό, κατευθυντικό κέρδος είναι ένα μέγεθος που έχει μεγάλη σημασία για μια κεραία. Μετρά την πυκνότητα ισχύος, που η κεραία ακτινοβολεί προς την κατεύθυνση της ισχυρότερης εκπομπής, έναντι της πυκνότητας ισχύος που ακτινοβολείται από έναν ιδανικό ισοτροπικά εκπομπό (ο οποίος εκπέμπει ομοιόμορφα σε όλες τις κατευθύνσεις), ο οποίος ακτινοβολεί την ίδια συνολική ισχύ. Η κατευθυντικότητα είναι ένα σημαντικό μέτρο, επειδή οι περισσότερες εκπομπές προορίζονται για να πάνε σε μια συγκεκριμένη κατεύθυνση ή τουλάχιστον σε ένα συγκεκριμένο επίπεδο (οριζόντιο ή κάθετο). Οι εκπομπές σε άλλες κατευθύνσεις ή επίπεδα είναι σπάταλη ή χειρότερες. Η κατευθυντικότητα (κατευθυντικό κέρδος) μίας πραγματικής κεραίας μπορεί να ποικίλει από 1,76 dbi για ένα μικρό δίπολο, έως και 50 dbi για μια μεγάλη κεραία. Σχηματικά η κατευθυντικότητα αναπαρίσταται ως εξής: Δημήτριος Ιγγλέζος 10

14 Εικόνα 1-4 «Κατευθυντικό κέρδος μιας κεραίας» Η κατευθυντικότητα D, μίας κεραίας είναι η μέγιστη τιμή του κατευθυντικού κέρδους.το κατευθυντικό κέρδος παρουσιάζεται σαν D(θ,φ) και συγκρίνει την ένταση της ακτινοβολίας (ισχύς ανά μονάδα στερεάς γωνίας), που μια κεραία δημιουργεί σε μια συγκεκριμένη κατεύθυνση, έναντι της μέσης τιμής σε όλες τις κατευθύνσεις: Οι θ και φ είναι οι σταθερά σφαιρικά γωνίες των συντεταγμένων, η U(θ,φ) είναι η ένταση της ακτινοβολίας, η οποία είναι η πυκνότητα ισχύος ανά μονάδα στερεάς γωνίας, και P tot είναι η συνολική εκπεμπόμενη ισχύς. Οι ποσότητες U(θ,φ) και P tot ικανοποιούν τη σχέση: δηλαδή, η συνολική ακτινοβολούμενη ισχύς P tot είναι η δύναμη ανά μονάδα στερεάς γωνίας U(θ,φ), ενσωματωμένη πάνω σε μια σφαιρική επιφάνεια. Δεδομένου ότι υπάρχουν 4π στερακτίνια στην επιφάνεια μιας σφαίρας, η ποσότητα P tot /4π αντιπροσωπεύει την μέση ισχύ ανά μονάδα στερεάς γωνίας. Δημήτριος Ιγγλέζος 11

15 Με άλλα λόγια, το κατευθυντικό κέρδος είναι η ένταση της ακτινοβολίας μιας κεραίας σε ένα συγκεκριμένο συνδυασμό συντεταγμένων (θ,φ) διαιρούμενο με την ένταση ακτινοβολίας που θα είχε η κεραία αν ήταν ισοτροπική και ακτινοβολούσε την ίδια ποσότητα ισχύος στο χώρο. Τέλος, το κατευθυντικό κέρδος σπάνια εκφράζεται ως αδιάστατο μέγεθος. Συνήθως, εκφράζεται σαν μια σύγκριση decibel με μία κεραία αναφοράς. Εμπέδηση Κεραίας(Impedance) Γενικά, ηλεκτρική εμπέδηση είναι το μέτρο της ανακοπής που παρουσιάζει ένα κύκλωμα για τη διέλευση ενός ρεύματος όταν εφαρμόζεται μια τάση. Σε ποσοτικούς όρους, είναι η πολύπλοκη αναλογία της τάσης με το ρεύμα σε ένα εναλλασσόμενου ρεύματος (AC) κύκλωμα. Η εμπέδηση διευρύνει την έννοια της αντοχής στα κυκλώματα εναλλασσόμενου ρεύματος, και διαθέτει τόσο μέτρο και φάση, σε αντίθεση με την αντίσταση, η οποία έχει μόνο μέτρο. Όταν ένα κύκλωμα οδηγείται με συνεχές ρεύμα (DC), δεν υπάρχει διάκριση μεταξύ της εμπέδησης και της αντίστασης Η τελευταία μπορεί να θεωρηθεί ως εμπέδηση με μηδενική γωνία φάσης. Όσον αφορά τις συστοιχίες κεραιών και γενικότερα την κεραία, καθώς το ηλεκτρομαγνητικό κύμα ταξιδεύει μέσα από τα διάφορα μέρη του συστήματος της κεραίας (γραμμή τροφοδοσίας, κεραία, ελεύθερος χώρος) μπορεί να αντιμετωπίσει διαφορές στη εμπέδηση (Ε / Υ, V / Ι, κ.λπ.). Σε κάθε διεπαφή, ανάλογα με την εμπέδηση, κάποιο κλάσμα της ενέργειας του κύματος θα αντανακλά πίσω στην πηγή, σχηματίζοντας ένα στάσιμο κύμα στη γραμμή τροφοδοσίας. Ο λόγος της μέγιστης ισχύος προς την ελάχιστη ισχύ του κύματος μπορεί να μετρηθεί και ονομάζεται λόγος του στάσιμου κύματος (SWR). Ένας SWR αναλογίας 1:1 είναι ιδανικός. Ένας SWR αναλογίας 1,5:1 θεωρείται οριακά αποδεκτός σε εφαρμογές χαμηλής ισχύος, όπου η απώλεια ενέργειας είναι πιο κρίσιμη, αν και ένας SWR τόσο υψηλής αναλογίας, όσο 6:1 μπορεί να εξακολουθεί να είναι χρησιμοποιήσιμος με τον κατάλληλο εξοπλισμό. Ελαχιστοποιώντας τις διαφορές της εμπέδησης σε κάθε διεπαφή θα μειώσουμε τον SWR και θα μεγιστοποιήσουμε τη μεταφορά ενέργειας μέσα από κάθε μέρος του συστήματος της κεραίας. Περιοχές Πεδίων Ο χώρος που περιβάλλει μια κεραία μπορεί να διαιρεθεί σε τρεις ομόκεντρες περιοχές: η δραστική κοντινού πεδίου, η ακτινοβολούσα κοντινού πεδίου (περιοχή Fresnell) και οι περιοχές του μακρινού πεδίου (Fraunhofer). Οι περιοχές αυτές είναι χρήσιμες για τον προσδιορισμό της δομής στον τομέα του καθενός, αν και δεν υπάρχουν ακριβή όρια. Στην περιοχή μακρινού πεδίου, είμαστε αρκετά μακριά από την κεραία, έτσι ώστε μπορούμε να παραμελήσουμε το μέγεθος και το σχήμα της. Μπορούμε να υποθέσουμε ότι το ηλεκτρομαγνητικό κύμα είναι καθαρά ένα ακτινοβολούμενο επίπεδο κύμα (ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία βρίσκονται Δημήτριος Ιγγλέζος 12

16 σε φάση και κάθετα τόσο μεταξύ τους, όσο και προς την κατεύθυνση της διάδοσης). Αυτό απλοποιεί την μαθηματική ανάλυση του ακτινοβολούμενου πεδίου. Απόδοση Κεραίας(Antenna Efficiency) Απόδοση μίας κεραίας είναι ο λόγος της ισχύος που πραγματικά ακτινοβολείται από μία κεραία προς την ηλεκτρική ισχύ που λαμβάνεται από έναν πομπό. Ένα υποθετικό φορτίο μπορεί να έχει SWR αναλογίας 1:1, κάτι που θα έχει ως αποτέλεσμα να έχει απόδοση 0, καθώς απορροφά όλη την ισχύ, παράγοντας θερμότητα και ταυτόχρονα δεν εκμπέπει RF ενέργεια. Επομένως, το SWR δεν αποτελεί μέτρο για την αποτελεσματικότητα-απόδοση μίας κεραίας. Η ακτινοβολία σε μία κεραία προκαλείται από την αντίσταση ακτινοβολίας η οποία δεν μπορεί να μετρηθεί άμεσα, αλλά είναι ένα συστατικό της συνολικής αντίστασης η οποία περιλαμβάνει την αντίσταση απωλειών. Η αντίσταση απωλειών έχει σαν αποτέλεσμα την παραγωγή θερμότητας και όχι ακτινοβολίας, μειώνοντας έτσι την αποτελεσματικότητα. Από μαθηματικής απόψεως, η αποτελεσματικότητα είναι ίση με την αντίσταση ακτινοβολίας διαιρούμενη με τη συνολική αντίσταση (πραγματικό μέρος) της εμπέδησης τροφοδοσίας-σημείου. Η αποτελεσματικότητααπόδοση μίας κεραίας ορίζεται ως ο λόγος της ισχύος που ακτινοβολείται προς τη συνολική ισχύ που χρησιμοποιείται από την κεραία. Συνολική Ισχύς = εκπεμπόμενη ισχύς + απώλεια ισχύος Πόλωση Η πόλωση μιας κεραίας είναι ο προσανατολισμός του ηλεκτρικού πεδίου του ραδιοκύματος σε σχέση με την επιφάνεια της Γης και καθορίζεται από τη φυσική δομή της κεραίας και από τον προσανατολισμό του. Δεν έχει τίποτα κοινό με τους όρους για την κατευθυντικότητα της κεραίας: «οριζόντια», «κάθετη» και «κυκλική». Έτσι, μια απλή ευθεία καλωδιακή κεραία θα έχει μια πόλωση όταν τοποθετείται κατακόρυφα, και μια διαφορετική πόλωση όταν τοποθετείται οριζόντια. Τα φίλτρα πόλωσης ηλεκτρομαγνητικού κύματος είναι δομές που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να ενεργούν άμεσα επί του ηλεκτρομαγνητικού κύματος, ετσι ώστε να φιλτράρουν την κυματική ενέργεια από μία ανεπιθύμητη πόλωση και να γίνεται η διέλευση της κυματικής ενέργειας μίας επιθυμητής πόλωσης. Οι ανακλάσεις γενικά επηρεάζουν την πόλωση. Για τα ραδιοκύματα ο πιο σημαντικός ανακλαστήρας είναι η ιονόσφαιρα, όπου τα σήματα που ανακλούνται από αυτήν θα δουν την πόλωση τους να μεταβάλλεται απρόβλεπτα. Για τις επικοινωνίες οπτικής ζεύξης, μπορεί να έχουμε μεγάλη διαφορά στην ποιότητα του σήματος, εάν ο πομπός και ο δέκτης έχουν την ίδια πόλωση. Πολλές δεκάδες db διαφορά παρατηρείται συχνά και αυτό είναι κάτι περισσότερο από αρκετό για να κάνει τη διαφορά μεταξύ της εύλογης επικοινωνίας και μιας αστοχίας σύνδεσης. Η πόλωση είναι σε μεγάλο βαθμό προβλέψιμη από την κατασκευή της κεραίας, αλλά ιδιαίτερα στις κατευθυντικές κεραίες, η πόλωση των πλευρικών λοβών μπορεί να είναι αρκετά διαφορετική από εκείνη του κύριου λοβού διάδοσης. Για κεραίες ραδιοφώνου, η πόλωση αντιστοιχεί στον προσανατολισμό του ακτινοβολούμενου στοιχείου σε μια κεραία. Μια κάθετη κατευθυντική κεραία WiFi θα έχει κατακόρυφη πόλωση. Μια εξαίρεση είναι μια κατηγορία από επιμήκεις κεραίες Δημήτριος Ιγγλέζος 13

17 κυματοδηγού, στις οποίες κατακόρυφα τοποθετημένες κεραίες είναι οριζόντια πολωμένες. Πολλές εμπορικές κεραίες έχουν επισήμανση σχετικά με την πόλωση των εκπεμπόμενων σημάτων τους. Η πόλωση είναι το άθροισμα των προσανατολισμών των ηλεκτρικών πεδίων, που διαχρονικά προβάλλονται επάνω σε ένα φανταστικό επίπεδο κάθετο προς την κατεύθυνση της κίνησης των ραδιοκυμάτων. Στην γενικότερη περίπτωση, η πόλωση είναι ελλειπτική, πράγμα που σημαίνει ότι η πόλωση των ραδιοκυμάτων ποικίλει με την πάροδο του χρόνου. Δύο ειδικές περιπτώσεις είναι η γραμμική πόλωση (η έλλειψη καταρρέει σε μία γραμμή) και η κυκλική πόλωση (στην οποία οι δύο άξονες της έλλειψης είναι ίσες). Στη γραμμική πόλωση η κεραία αναγκάζει το ηλεκτρικό πεδίο του εκπεμπόμενου ραδιοφωνικού κύματος σε ένα συγκεκριμένο προσανατολισμό. Ανάλογα με τον προσανατολισμό της κεραίας στερέωσης, οι συνήθεις γραμμικές περιπτώσεις είναι οριζόντια και κατακόρυφη πόλωση. Στην κυκλική πόλωση, η κεραία μεταβάλλει συνεχώς το ηλεκτρικό πεδίο των ραδιοκυμάτων μέσω όλων των δυνατών τιμών του προσανατολισμού του σε σχέση με την επιφάνεια της Γης. Κυκλικές πολώσεις, όπως η ελλειπτική, ταξινομούνται σε δεξιόστροφα πολωμένες ή αριστερόστροφα αντίστοιχα χρησιμοποιώντας έναν "αντίχειρα προς την κατεύθυνση της διάδοσης". Στην πράξη, ανεξάρτητα από συγκεχυμένη ορολογία, οι γραμμικά πολωμένες κεραίες πρέπει να συνδυάζονται, έτσι ώστε η λαμβανόμενη ισχύς του σήματος να μην μειωθεί σημαντικά. Επομένως, η οριζόντια πόλωση πρέπει να χρησιμοποιείται με οριζόντιες συνιστώσες και η κάθετη με κάθετες. Με τα ενδιάμεσα ταιριάσματα θα χάσουμε κάποια δύναμη του σήματος, αλλά όχι τόση όσο με μια πλήρη αναντιστοιχία. Οι πομποί που τοποθετούνται στα οχήματα με μεγάλη κίνηση ελευθερίας συνήθως χρησιμοποιούν κυκλικά πολωμένες κεραίες, έτσι ώστε να μην υπάρξει ποτέ μια πλήρης αναντιστοιχία με τα σήματα από άλλες πηγές. Ενεργός επιφάνεια Η ενεργός επιφάνεια ή όπως αλλιώς ονομάζεται ενεργός οπή της κεραίας λήψεως εκφράζει το τμήμα της δύναμης ενός διερχόμενου ηλεκτρομαγνητικό κύμα που διαδίδεται στους τερματικούς σταθμούς της και εκφράζεται σε όρους μιας ισοδύναμης έκτασης. Για παράδειγμα, αν ένα ραδιοκύμα διέρχεται από μια δεδομένη θέση έχοντας μια ροή της τάξης 1 pw / m 2 (10-12 βατ ανά τετραγωνικό μέτρο) και μια κεραία έχει μία ενεργός επιφάνεια της τάξης των 12 m 2, τότε η κεραία θα μεταδόσει 12 pw της ενέργειας RF στο δέκτη (30 microvolts RMS σε 75 Ω). Δεδομένου ότι η κεραία λήψης δεν είναι εξίσου ευαίσθητη σε σήματα που λαμβάνονται από όλες τις κατευθύνσεις, η ενεργός επιφάνεια είναι συνάρτηση της κατεύθυνσης προς την πηγή. Λόγω της αμοιβαιότητας το κέρδος μιας κεραίας που χρησιμοποιείται για τη μετάδοση πρέπει να είναι ανάλογο με την ενεργό επιφάνειά της όταν χρησιμοποιείται για τη λήψη. Θεωρούμε μια κεραία χωρίς απώλειες, δηλαδή, μία της οποίας η ηλεκτρική απόδοση είναι 100%. Μπορεί να δειχθεί ότι η ενεργός επιφάνεια της κατά μέσο όρο προς όλες τις κατευθύνσεις θα πρέπει να είναι ίση με λ 2 /4π, δηλαδή το μήκος κύματος υψωμένο στο τετράγωνο διαιρούμενο με 4π. Το κέρδος ορίζεται έτσι ώστε η μέση αύξηση προς όλες τις κατευθύνσεις για μια κεραία με 100% ηλεκτρική απόδοση να είναι ίση με 1. Συνεπώς, η ενεργός επιφάνεια Aeff από την άποψη του κέρδους G σε μια δεδομένη κατεύθυνση δίδεται από την: Για μια κεραία με απόδοση μικρότερη από 100%, τόσο η ενεργός επιφάνεια όσο και το κέρδος μειώνονται κατά το ίδιο ποσό. Επομένως, η παραπάνω σχέση μεταξύ κέρδους και ενεργούς Δημήτριος Ιγγλέζος 14

18 επιφάνειας εξακολουθεί να ισχύει. Επομένως υπάρχουν δύο διαφορετικοί τρόποι για να εκφράσεις την ίδια ποσότητα. Η Aeff είναι ιδιαίτερα βολική κατά τον υπολογισμό του ρεύματος που θα λαμβάνονταν από μία κεραία ενός προσδιοριζόμενου κέρδους, όπως απεικονίζεται από το παραπάνω παράδειγμα. Παράγοντας Συστοιχίας Δεδομένου όμως ότι μελετάμε μια συστοιχία κεραιών, πρέπει να τονίσουμε την σπουδαιότητα του παράγοντα συστοιχίας (array factor) για το σχεδιασμό της συστοιχίας. Ο παράγοντας της συστοιχίας εξαρτάται από τον αριθμό των στοιχείων, την απόσταση των στοιχείων, το πλάτος και τη φάση του σήματος που εφαρμόζεται σε κάθε στοιχείο. Ο αριθμός των στοιχείων και η απόσταση τους καθορίζουν το εμβαδόν της επιφάνειας της συνολικής ακτινοβολούμενης δομής. Αυτή η περιοχή της επιφάνεια είναι που ονομάζεται διάφραγμα. Ένα μεγαλύτερο διάφραγμα έχει σαν αποτέλεσμα υψηλότερο κέρδος. Η αποτελεσματικότητα του διαφράγματος ποσοτικοποιεί το πόσο αποδοτικό είναι το διάφραγμα που χρησιμοποιείται. Η επίδραση αυτών των παραμέτρων θα εξηγηθεί περαιτέρω με τη βοήθεια μιας γραμμικής συστοιχίας ισοτροπικών στοιχείων ακτινοβολίας. Ένα ισοτροπικό στοιχείο ακτινοβολίας ακτινοβολεί μια ισόποση ενέργεια σε όλες τις κατευθύνσεις, δηλαδή έχει μια κατευθυντικότητα 1 (0dB) και ένα κέρδος 1 (0dB), εάν η απόδοση είναι 100%. 1.3 Συμπεράσματα Στο κεφάλαιο αυτό έγινε μια εκτενής ανάλυση των κύριων παραμέτρων που χρειάζονται για το σχεδιασμό μιας κεραίας και κατ επέκταση μιας συστοιχίας που είναι και το κυρίως αντικείμενο μελέτης της παρούσας εργασίας. Όπως παρατηρούμε ο σχεδιασμός και η επιλογή της κεραίας είναι μια αρκετά σύνθετη επιλογή δεδομένου της εξάρτησης της από όλους τους παράγοντες που αναφέραμε παραπάνω.άρα αυτό κάνει τη διαδικασία σχεδίασης και κατασκευής μια σύνθετη και πολύποκη διαδικασία και σίγουρα η επιλογή των παραμέτρων επηρεάζεται και από τις απαιτήσεις που έχουμε. Δημήτριος Ιγγλέζος 15

19 2 Θέματα Εφαρμογής Κεραιοσυστοιχιών στα Κυψελωτά Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών 2.1 Εισαγωγή Η εξέλιξη των ασύρματων δικτύων σηματοδοτήθηκε κυρίως από την εξέλιξη των κυψελοειδών συστημάτων, επομένως στο κεφάλαιο αυτό θα γίνει ανάλυση των λειτουργικών διαδικασιών των κυψελοειδών δικτύων καθώς και των εφαρμογών των κεραιοσυστοιχιών στα δίκτυα αυτά. Αρχικά, εξετάζεται η σπουδαιότητα των κυψελοειδών συστημάτων ως προς την αύξηση της χωρητικότητας, της ποιότητας αλλά και της μείωσης του κόστους. Κύρια σημεία της ανάλυσης των κυψελοειδών συστημάτων είναι η μορφή των κυψελών στις οποίες χωρίζεται μία γεωγραφική περιοχή, η οποία είναι προς τηλεπικοινωνιακή κάλυψη, αλλά και οι υπερκυψέλες. Οι τρεις βασικές διαδικασίες των κυψελοειδών συστημάτων είναι η επαναχρησιμοποίηση συχνοτήτων, η κυψελοειδής διάσπαση, καθώς και η μεταγωγή από μία κυψέλη σε μία άλλη. 2.2 Παραδοσιακά δίκτυα κινητής τηλεφωνίας Τα κύρια χαρακτηριστικά των παραδοσιακών συστημάτων κινητής τηλεφωνίας είναι: Μικρή χωρητικότητα δικτύου, εξαιτίας των περιορισμών στο εύρος ζώνης των διαθέσιμων ραδιο-συχνοτήτων, καθώς και της χαμηλής οργάνωσης του δικτύου. Χαμηλός βαθμός ποιότητας επικοινωνίας, λόγω της χρησιμοποίησης διαμόρφωσης στενής ζώνης, η οποία εξυπηρετεί στην αύξηση του αριθμού των ραδιο-διαύλων αλλά και λόγω της έλλειψης επεξεργασίας φωνής. Ευαισθησία στις υφιστάμενες ατμοσφαιρικές συνθήκες και υψηλό κόστος για τον συνδρομητή. Αυτά τα μειονεκτήματα κατέστησαν τη βάση για νέες μελέτες πάνω στην κινητή τηλεφωνία και μάλιστα με την παραχώρηση μέρους του φάσματος (γύρω στα 900 MHz) τέθηκαν ως βασικά κριτήρια για την επόμενη γενιά κινητής τηλεφωνίας: Ουσιαστική εκμετάλλευση του προσφερόμενου φάσματος ραδιο-συχνοτήτων Αύξηση της χωρητικότητας των συστημάτων, με ταυτόχρονα αποδεκτό για τους συνδρομητές κόστος. Ποιότητα στην επικοινωνία, έλλειψη παρεμβολών και λανθασμένων μεταδιδόμενων πληροφοριών, με παράλληλα φιλικό περιβάλλον προς τους χρήστες. Δυνατότητα ραδιο-κάλυψης μιας σχετικά μεγάλης γεωγραφικής περιοχής. Ωστόσο το ερώτημα που τέθηκε ήταν αν τα ήδη υπάρχοντα συστήματα θα μπορούσαν να ικανοποιήσουν τις παραπάνω απαιτήσεις. Η απάντηση είναι αρνητική, καθώς τα συστήματα αυτά δεν μπορούσαν να εξελιχθούν, έτσι ώστε να παρέχουν την απαιτούμενη χωρητικότητα, αλλά και την ζητούμενη ποιότητα μετάδοσης. Έτσι μια νέα εποχή στην κινητή τηλεφωνία αναπτύσσεται με την εμφάνιση των κυψελοειδών συστημάτων. Η είσοδος αυτής της τεχνολογίας είναι σπουδαία, αφού αύξησε κατά 18% τους χρήστες ετησίως σε παγκόσμιο επίπεδο και αυτό γιατί τα πλεονεκτήματα της αντισταθμίζουν τις ελλείψεις των παλιότερων συστημάτων και καλύπτουν τις απαιτήσεις που τέθηκαν. Η μείωση του κόστους, η αποτελεσματικότητα στη χρήση των πόρων μιας επιχείρησης, η βελτίωση των παρερχομένων υπηρεσιών προστασίας, η απόκριση με ταχύτητα και αξιοπιστία σε καταστάσεις εκτάκτου ανάγκης, αλλά και η απόκτηση ενός ανταγωνιστικού πλεονεκτήματος στην αγορά είναι μερικά από τα πλεονεκτήματα που εισήγαγε η κυψελοειδής κινητή τηλεφωνία, τα χαρακτηριστικά της οποίας εξετάζονται στην επόμενη ενότητα. Δημήτριος Ιγγλέζος 16

20 2.3 Κυψελοειδής δομή Στόχοι της κυψελοειδούς δομής των συστημάτων κινητής επικοινωνίας Λαμβάνοντας υπ όψιν τα παραπάνω απαραίτητες προϋποθέσεις για την επιτυχή λειτουργία ενός οργανωμένου συστήματος κινητής τηλεφωνίας, οι οποίες αποτελούν και του στόχους ενός τέτοιου συστήματος είναι: μεγάλη συνδρομητική χωρητικότητα (εξυπηρέτηση πολλών χιλιάδων κινητών συνδρομητών), μεγάλη απόδοση του καταχωρημένου ραδιο-φάσματος (βέλτιστη διαχείριση συχνοτήτων λειτουργίας του συστήματος), συμβατότητα (των συστημάτων όσον αφορά το υλικό και το λογισμικό), προσαρμογή στην πυκνότητα επικοινωνιακής κίνησης (ανάλογα με την εμφανιζόμενη επικοινωνιακή κίνηση), ποιότητα επικοινωνίας (αξιόπιστες υπηρεσίες, συγκρίσιμες με αυτές των σταθερών δικτύων), προσιτό κόστος (των ραδιο-μονάδων στο ευρύ κοινό με δεδομένα τη χρήση της σύγχρονης τεχνολογίας και τις απαιτήσεις των χρηστών). Όλα αυτά τα πλεονεκτήματα των κυψελοειδών συστημάτων είναι διαθέσιμα στους συνδρομητές, χάρις την οργανωμένη δομή τους και τα εύχρηστα τεχνικά χαρακτηριστικά τους Εξέλιξη κυψελοειδών δικτύων Δίκτυα πρώτης γενιάς Αρχικά εμφανίστηκαν τα δίκτυα πρώτης γενιάς (1st Generation 1G) στην δεκαετία του 1970 και υλοποιήθηκαν την δεκαετία του Στην αρχή τα συστήματα ήταν αναλογικά και χαμηλής χωρητικότητας και διέθεταν ρυθμούς μετάδοσης 8-10 Kbps. Τα πιο αντιπροσωπευτικά συστήματα ήταν τα AMPS(Advanced Mobile Phone System) και τα ETACS(European Total Access Communication Systems). Το AMPS αναπτύχθηκε από την AT&T Bell Labs και ήταν ιδιαίτερα δημοφιλές στις ΗΠΑ, την Νότια Αμερική, την Αυστραλία και την Κίνα και το ETACS ήταν σχεδόν ίδιο με το AMPS. Δίκτυα δεύτερης γενιάς Τα Δίκτυα Δεύτερης Γενιάς υλοποιήθηκαν κυρίως στα τέλη της δεκαετίας του Ήταν μερικώς ψηφιακά συστήματα και διέθεταν αυξημένη χωρητικότητας έως και 3 φορές περισσότερο σε σχέση με τα δίκτυα της πρώτης γενιάς. Επιπλέον οι ρυθμοί μετάδοσης ήταν της τάξης των 10 Kbps και παρείχαν την δυνατότητα υπηρεσιών φωνής, γραπτών μηνυμάτων, fax κλπ. Τα αντιπροσωπευτικότερα συστήματα αυτής της γενιάς είναι τα GSM και IS-95. Τo GSM(Global System for Mobile communications) αποτελεί ευρωπαϊκό πρότυπο διαθέτει δυνατότητες μετάδοσης φωνής, μηνυμάτων, fax κλπ και παρέχει ρυθμούς μετάδοσης δεδομένων έως και 25Kbps. Το σύστημα IS-95 (United States Digital Cellular Standard) διαθέτει χωρητικότητα 8 με 10 φορές μεγαλύτερη από αυτή του AMPS και παρέχει ρυθμούς μετάδοσης 14,4 Kbps. Δίκτυα 2,5G Τα Δίκτυα 2,5G είναι πλήρως ψηφιακά συστήματα, παρέχουν μεγαλύτερους ρυθμούς μετάδοσης, διαθέτουν υπηρεσίες μεταφοράς δεδομένων και όχι απλά φωνής και έχουν σύνδεση με το Internet. Τα πιο αντιπροσωπευτικά πρότυπα είναι το GPRS και το EDGE. Δημήτριος Ιγγλέζος 17

21 Το GPRS (General Packet Radio Service) το οποίο στηρίζεται στο GSM και παρέχει ρυθμούς μετάδοσης δεδομένων από 56 Kbps έως114kbps. Το EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution) στηρίζεται σε βελτιωμένες τεχνικές κωδικοποίησης και παρέχει ρυθμούς μετάδοσης μέχρι και 384 Kbps. Δίκτυα τρίτης γενιάς Τα βασικά χαρακτηριστικά των συστημάτων της 3ης γενιάς είναι οι υψηλοί ρυθμοί μετάδοσης (περίπου μέχρι 2Mbps), η υποστήριξη πολυμεσικών εφαρμογών όπως εφαρμογές internet, την ταυτόχρονη μεταφορά δεδομένων και φωνής, τηλεδιάσκεψη κ.α. καθώς και την δυνατότητα πρόσβασης των χρηστών από οπουδήποτε στον κόσμο και από οποιοδήποτε δίκτυο. Στα συστήματα 3ης γενιάς ανήκουν και οι οργανισμοί προτυποποίησης 3GPP και 3GPP2. Το 3GPP2 εστιάζει στην συμβατότητα με τα συστήματα GSM, GPRS, EDGE καθώς και με συστήματα όπως το IS-95. Τα βασικά πρότυπα που ανήκουν στα συστήματα 3ης γενιάς είναι το 3GPP UMTS, το 3GPP2 CDMA 2000, και το TD-SCDMA. Το 3GPP UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) το οποίο στηρίζεται στο σύστημα GSM/EDGE και παρέχει ρυθμούς μετάδοσης δεδομένων μέχρι και 2Mbps. Τα ίδια περίπου χαρακτηριστικά διαθέτει και το πρότυπο 3GPP2 CDMA Το πρότυπο TD-SCDMA (Time Division Synchronous TDMA) προτάθηκε από τις CATT (China Academy and Telecommunications Technology) και Siemens, στηρίζεται στην υποδομή του GSM κάνει χρήση εξελιγμένων κεραιών στους σταθμούς βάσης και παρέχει ρυθμούς μετάδοσης μέχρι και 384Kbps. Δίκτυα τέταρτης γενιάς Η ελάχιστη ταχύτητα που έχει τεθεί ως στόχος για τα 4G συστήματα θα είναι Mbits/sec για ακίνητα περιβάλλοντα και 2 Mbits/sec για κινούμενα οχήματα. Η χωρητικότητα για τα 4G συστήματα πρέπει να είναι τουλάχιστον δέκα φορές υψηλότερη από την αντίστοιχη των 3G, ενώ το κόστος ανά bit πρέπει να μειωθεί δραματικά ώστε να είναι προσβάσιμο για τους καταναλωτές. Παρακάτω με δύο εικόνες φαίνεται συνοπτικά η διαχρονική εξέλιξη των συστημάτων κινητής τηλεφωνίας, καθώς και των χαρακτηριστικών που περιλάμβανε η κάθε μία: Εικόνα 2-1 «Παρουσίαση εξέλιξης συστημάτων κινητής τηλεφωνίας» Δημήτριος Ιγγλέζος 18

22 Εικόνα 2-2 «Παρουσίαση χαρακτηριστικών όλων των γενεών κινητής τηλεφωνίας» Δομή της κυψελοειδούς κινητής τηλεφωνίας Κυψελοειδής κάλυψη Έστω μία γεωγραφική περιοχή, η οποία πρέπει να καλυφθεί ηλεκτρομαγνητικά. Αν γίνει χρήση ενός μόνο πομποδέκτη, χρειάζεται να εκπέμπει σε υψηλή στάθμη ισχύος, ενώ αντίθετα με χρήση ενός δικτύου πομποδεκτών, ο καθένας από τους οποίους καλύπτει μία μικρότερη ζώνη, απαιτείται μικρότερη ισχύς εκπομπής. Συνεπώς, η βασική ιδέα στην οποία βασίστηκε η κατασκευή τόσο των αναλογικών όσο και των ψηφιακών συστημάτων είναι η έννοια της κυψέλης, δηλαδή η τμηματοποίηση της γεωγραφικής περιοχής που πρόκειται να καλυφθεί ηλεκτρομαγνητικά σε μικρές ζώνες ή κυψέλες, όπου υπάρχει η δυνατότητα επαναχρησιμοποίησης των ίδιων συχνοτήτων. Αυτή η σχεδίαση συντελεί στην αύξηση της χωρητικότητας του συστήματος, από την πλευρά της προσφερόμενης τηλεπικοινωνιακής κίνησης Μορφή κυψελών Οι κυψέλες οι οποίες καλύπτουν μια συγκεκριμένη γεωγραφική περιοχή είναι ομοιόμορφες μεταξύ τους και η κάθε μια εξυπηρετείται από ένα σύστημα βάσης. Αν η κεραία του ΣΒ έχει διάγραμμα ακτινοβολίας πανκατευθυντικό τότε η μορφή των κυψελών θα πρέπει να είναι κυκλική. Οι κυψέλες είναι ομοιόμορφες, έτσι οι πομποδέκτες των ΣΒ εκπέμπουν ραδιοσήματα με την ίδια ισχύ. Άρα, ολόκληρη η γεωγραφική περιοχή εξυπηρετείται με κύκλους ίσης ακτίνας. Ωστόσο, ο συγκεκριμένος τρόπος σχεδίασης δεν είναι πρακτικός, καθώς εμφανίζονται πολλές επικαλυπτόμενες περιοχές. Για τον λόγο αυτό, η κάλυψη της περιοχής με κύκλους απορρίφθηκε. Τα κανονικά πολύγωνα (ισόπλευρο τρίγωνο, το τετράγωνο και το κανονικό εξάγωνο) ήταν η επόμενη λύση. Αυτό που επικράτησε ως η πλέον κατάλληλη μορφή της κυψέλης ήταν το κανονικό εξάγωνο γιατί: Δημήτριος Ιγγλέζος 19

23 προσεγγίζει την επιφάνεια του κύκλου, δεν εμφανίζει κενά και επικαλυπτόμενες περιοχές, αλλά και γιατί ο χρησιμοποιούμενος αριθμός των ΣΒ είναι μικρότερος από τον αντίστοιχο στην περίπτωση της τετραγωνικής κυψελοειδούς κάλυψης ή της τριγωνικής κυψελοειδούς κάλυψης, αφού απαιτείται μικρότερος αριθμός κυψελών. Για κανονικά πολύγωνα με μεγαλύτερο αριθμό πλευρών, π.χ. κανονικό οκτάγωνο, προκύπτει και πάλι το πρόβλημα της επικάλυψης. Παρακάτω φαίνεται οπτικά η κάλυψη μιας γεωγραφικής περιοχής με κανονικά εξάγωνα: Εικόνα 2-3 «Κυψελοειδές δίκτυο» Υπερκυψέλες Με βάση την έννοια της επαναχρησιμοποίησης συχνοτήτων και εφαρμόζοντας την μέθοδο ανεύρεσης συγκαναλικών κυψελών, σχηματίζονται συμπαγείς ομάδες επαναληψιμότητας, κάθε μία από τις οποίας ονομάζεται κυψελοειδές συγκρότημα ή υπερκυψέλη (cluster). Ένας τρόπος εύρεσης των συγκαναλικών κυψελών είναι η εφαρμογή του κριτηρίου D/R 3Ν, όπου D: είναι η απόσταση των κέντρων δύο διαδοχικών συγκαναλικών κυψελών, R: είναι η ακτίνα της κυψέλης και Ν: είναι ο αριθμός των κυψελών ανά συγκρότημα. Κατά συνέπεια, η αύξηση του Ν επιφέρει αύξηση της απόστασης μεταξύ των συγκαναλικών κυψελών και κατά συνέπεια ελάττωση της πιθανότητας υποβαθμίζοντας την ποιότητα του σήματος λόγω συγκαναλικής παρεμβολής. Έτσι, αυξάνεται το κλάσμα σήμα/παρεμβολή (signal/interference ή S/I). Επίσης, ο αριθμός των κυψελών κάθε συγκροτήματος είναι σημαντικός, γιατί καθορίζει το συνολικό αριθμό των διαφορετικών συνόλων συχνοτήτων του ραδιοφάσματος συχνοτήτων Τεχνικά χαρακτηριστικά της κυψελοειδούς κινητής τηλεφωνίας Υψομετρική θέση ΣΒ (Base-station) Ο σταθμός βάσης της κάθε κυψέλης, για την κάλυψη μιας συγκεκριμένης γεωγραφικής περιοχής θα πρέπει να τοποθετείται σε κατάλληλο ύψωμα, ανάλογα με την ιδιομορφία του γεωγραφικού Δημήτριος Ιγγλέζος 20

24 ανάγλυφου της περιοχής, έτσι ώστε να καλύπτει την υπό εξυπηρέτηση περιοχή, αλλά και να παρέχει υψηλή στάθμη λαμβανόμενου σήματος στις κινητές μονάδες Αποστάσεις μεταξύ ΣΒ Αν οι πομποδέκτες δύο ΣΒ διαχειρίζονται τις ίδιες συχνότητες θα πρέπει να βρίσκονται σε απόσταση ασφαλείας ο ένας από τον άλλο. Κατά αυτόν τον τρόπο, για συγκεκριμένη ισχύς εξόδου των πομπών των ΣΒ (τυπική τιμή 200 Watts), η ακτίνα δράσης, μέσα στην οποία μπορούν να εξυπηρετούν τις κινητές μονάδες, είναι 32 Kin, εμφανίζοντας την ελάχιστη δυνατή στάθμη παρεμβολής. Έτσι, η σχεδίαση των κυψελοειδών συστημάτων εξασφαλίζει στις κινητές μονάδες να βρίσκονται κοντά στο ηλεκτρομαγνητικό πεδίο δράσης του ΣΒ όπου εξυπηρετούνται, παρά στην ενεργό περιοχή του παρεμβολέα ΣΒ Τρεις βασικές διαδικασίες των κυψελοειδών συστημάτων Α. Επαναχρησιμοποίηση συχνοτήτων Αποτελεί τη δυνατότητα χρησιμοποίησης ραδιο-διαύλων, οι οποίοι έχουν τις ίδιες συχνότητες φορέα και είναι καταχωρημένες σε διαφορετικές γεωγραφικές περιοχές κάλυψης με επαρκή απόσταση μεταξύ τους, ώστε να μη δημιουργούνται προβλήματα παρεμβολών. Συνεπώς το πρόβλημα της ηλεκτρομαγνητικής κάλυψης μίας γεωγραφικής περιοχής λύνεται με τον διαχωρισμό της περιοχής σε κυψέλες. Σε κάθε μία από τις κυψέλες παραχωρείται ένα σύνολο συχνοτήτων, ώστε να είναι δυνατόν δύο κυψέλες να χρησιμοποιούν τις ίδιες συχνότητες, αλλά με την προϋπόθεση να βρίσκονται σε απόσταση μεταξύ τους ώστε να αποφευχθούν προβλήματα παρεμβολών. Για την καταχώρηση του συνόλου των συχνοτήτων λειτουργίας του συστήματος σε κάθε κυψέλη, ώστε να μην εμφανίζονται προβλήματα συγκαναλικής παρεμβολής, τίθεται σε λειτουργία μία αλγοριθμική διαδικασία, η οποία επιλέγει τις κυψέλες που έχουν τις επιτρεπτές αποστάσεις να λάβουν τις ίδιες συχνότητες. Κατά συνέπεια, η χωρητικότητα του κυψελοειδούς συστήματος, όσον αφορά τον αριθμό των χρηστών, εξαρτάται από τον αριθμό των διαθέσιμων συχνοτήτων σε κάθε κυψέλη, καθώς και στον αριθμό των κυψελών. Εικόνα 2-4 «Απεικόνιση διαδικασίας επαναχρησιμοποίησης συχνοτήτων» Δημήτριος Ιγγλέζος 21

25 Β. Κυψελοειδής διάσπαση Η διαδικασία αυτή είναι απαραίτητη για την αντιμετώπιση του πρόβλημα της αυξημένης τηλεπικοινωνιακής κίνησης και της αύξησης των χρηστών σε μία συγκεκριμένη γεωγραφική περιοχή. Αν C είναι ο συνολικός αριθμός συχνοτήτων και Ν είναι ο αριθμός των κυψελών, τότε S=C/N αποτελεί τον αριθμό των συχνοτήτων λειτουργίας σε κάθε κυψέλη. Σε ώρες αιχμής η λειτουργία του συστήματος καθίσταται προβληματική και οι S συχνότητες της κάθε κυψέλης δεν επαρκούν για την εξυπηρέτηση των επικοινωνιακών αναγκών της περιοχής κάλυψης της κυψέλης. Για την αντιμετώπιση αυτού του προβλήματος ενεργοποιείται η διαδικασία της κυψελοειδούς διάσπασης, κατά την οποία διασπάται μία κυψέλη σε μικρότερες κυψέλες (μισής ακτίνας). Η κάθε μικρή κυψέλη έχει τη δυνατότητα να εξυπηρετήσει το ίδιο πλήθος συνδρομητών, που εξυπηρετούσε και η αρχική κυψέλη χωρίς να υπάρχει ανάγκη αυξήσεως του διατιθέμενου φάσματος συχνοτήτων. Ακόμα η διάσπαση γίνεται έτσι ώστε να μπορεί να εφαρμοστεί από την αρχή η δυνατότητα επαναχρησιμοποίησης συχνοτήτων. Για τη μείωση της εμβέλειας απαιτείται ελάττωση της ισχύος εκπομπής της κεραίας, ενώ παράλληλα για την κάλυψη της περιοχής χρειάζεται είτε να εγκατασταθούν περισσότεροι σταθμοί βάσης είτε να χρησιμοποιηθούν κατευθυντικές κεραίες από τις παλιές θέσεις. Και στις δύο περιπτώσεις θα πρέπει το διάγραμμα ακτινοβολίας των κεραιών να καλύπτει ολόκληρη την εμβαδική επιφάνεια της κυψέλης. Ακόμη, έχει διαπιστωθεί ότι η χρήση μικρότερων κυψελών κάλυψης συμβάλει στην ελαχιστοποίηση της συγκαναλικής παρεμβολής από την επίδραση των γειτονικών κυψελών και στην σημαντική αύξηση της χωρητικότητας του συστήματος, το οποίο είναι και το επιθυμητό. Γ. Μεταγωγή Καλείται η διαδικασία μεταφοράς του ελέγχου, της εκπομπής και της λήψης της μεταδιδόμενης πληροφορίας από ένα ΣΒ σε έναν άλλο. Μεταγωγή ονομάζεται η διαδικασία μεταφοράς του ελέγχου, της εκπομπής και της λήψης της μεταδιδόμενης πληροφορίας, από ένα σύστημα βάσης σε ένα άλλο. Συγκεκριμένα όταν ο πομποδέκτης του συνδρομητή είναι αναμμένος και βρίσκεται στην εμβέλεια της κυψέλης, αποκαθίσταται συνήθως μία ζεύξη μεταξύ του κινητού σταθμού και του κέντρο της κινητής τηλεφωνίας, που διαθέτει το ισχυρότερο σήμα και καλύπτει μέρος ή όλη την κυψέλη στην οποία βρίσκεται η κινητή μονάδα. Η ένταση όμως του σήματος ελαττώνεται καθώς το κινητό πλησιάζει τα όρια της κυψέλης. Η ελάττωση του σήματος του κινητού σταθμού γίνεται αυτόματα αντιληπτή από το σύστημα το οποίο μετάγει τη ζεύξη σε ένα γειτονικό ΣΒ με ισχυρότερο σήμα, δηλαδή σε κάποια γειτονική κυψέλη, η οποία διαχειρίζεται διαφορετικές συχνότητες. Στη μέτρηση της στάθμης του σήματος συμβάλλει και η κινητή μονάδα σε συνεργασία με το ΣΒ, που την εξυπηρετεί. Η εναλλαγή τελικά γίνεται, χωρίς ο συνδρομητής να αντιληφθεί σχεδόν τίποτα. Και διαρκεί μερικά χιλιοστά του δευτερολέπτου. Παρακάτω φαίνεται η διαδικασία της μεταγωγής για μία φορητή συσκευή: Δημήτριος Ιγγλέζος 22

26 Εικόνα 2-5 «Διαδικασία μεταγωγής» 2.4 Εφαρμογές κυψελωτών δικτύων κινητών επικοινωνιών Στην παρούσα διπλωματική εργασία μελετάμε δύο τρόπους ηλεκτρομαγνητικής κάλυψης μίας κυψέλης, τον στατικό φωτισμό μιας κυψέλης και την περιστροφή της κεραίας για τη λήψη του καλύτερου σήματος και την εναπόθεση της επικοινωνίας στην εκάστοτε κυψέλη Στατικός φωτισμός κυψέλης Κατά τον στατικό φωτισμό μιας κυψέλης ο πομπός εκπέμπει μόνο σε μια συγκεκριμένη γεωγραφική περιοχή με αποτέλεσμα να «φωτίζει» ηλεκτρομαγνητικά μόνο μια κυψέλη. Σχηματικά δηλαδή έχουμε: Εικόνα 2-6 «Στατικός φωτισμός κυψέλης» Ο τρόπος αυτός κάλυψης έχει το μειονέκτημα, ότι σε περίπτωση χαμηλού SNR μειώνεται αντίστοιχα και το QOS με αποτέλεσμα ο χρήστης να έχει πρόβλημα στην επικοινωνία του μέσω Δημήτριος Ιγγλέζος 23

27 φορητής συσκευής με κάποιον άλλο χρήστη που βρίσκεται σε διαφορετική γεωγραφική περιοχή και αντίστοιχα κυψέλη. Αυτό ήταν και το σημαντικότερο πρόβλημα μέχρι πριν λίγα χρόνια στις κινητές επικοινωνίες, η αδυναμία δηλαδή βελτίωσης του QOS και κατ επέκταση η αύξηση της στάθμης του σήματος λήψης Περιστροφή κεραίας για λήψη σήματος με υψηλότερη στάθμη ισχύος Ένας άλλος τρόπος ηλεκτρομαγνητικής κάλυψης είναι με περιστροφή της κεραίας ώστε κάθε στιγμή το SNR να είναι το υψηλότερο δυνατό με αποτέλεσμα να έχουμε τη βέλτιστη επικοινωνία για το συνδρομητή και άρα υψηλότερο QOS, κάτι που είναι και το κυρίως ζητούμενο για τους παρόχους των τηλεπικοινωνιακών υπηρεσιών. Αυτό καθίσταται δυνατό με έναν συγκεκριμένο τύπο κεραίας που ονομάζεται «Ευφυής Κεραία». Ευφυείς κεραίες (ή αλλιώς προσαρμοσμένες συστοιχίες κεραιών, πολλαπλές κεραίες και πρόσφατα MIMO) είναι συστοιχίες κεραιών που χρησιμοποιούν περίπλοκους αλγορίθμους επεξεργασίας σήματος, έτσι ώστε να ανιχνεύσουν τη χωρική «υπογραφή» του σήματος, όπως είναι η κατεύθυνση άφιξης του σήματος (DOA) και τη χρησιμοποιούν για τον υπολογισμό των φορέων των ακτινών, τον εντοπισμό καθώς και τον έλεγχο της δέσμης της κεραίας προς τον κινητό συνδρομητή. Η κεραία στη συστοιχία αυτή θα μπορούσε εναλλακτικά να ήταν ένας απλός αισθητήρας Επιπλέον πρέπει να τονιστεί, ότι οι κυριότερες λειτουργίες των ευφυών κεραιών είναι η εκτίμηση της κατεύθυνσης άφιξης του σήματος (estimation of DOA) και ο «σχεδιασμός της δέσμης» (beamforming) που ουσιαστικά είναι η μορφή που θα έχει το διάγραμμα ακτινοβολίας για να επιτύχουμε το καλύτερο αποτέλεσμα. Μια έξυπνη κεραία αποτελείται από διάφορα στοιχεία, τα οποία συνδυάζονται μέσω ενός συστήματος ελέγχου ώστε να παράγουν κάθε φορά το επιθυμητό διάγραμμα ακτινοβολίας. Οι έξυπνες κεραίες γενικά, μπορούν να χωριστούν σε δύο κατηγορίες: τις κεραίες μεταγωγής λοβών (switched beam), που αποτελούνται από ένα συγκεκριμένο αριθμό λοβών οριζόμενο από το σχεδιαστή, και σε αυτές με προσαρμοζόμενο διάγραμμα ακτινοβολίας (adaptive array), που αποτελούνται από ένα απεριόριστο αριθμό μερών προσαρμοζόμενα σε πραγματικό χρόνο Κεραίες μεταγωγής λοβών (switched beam antennas) Το διάγραμμα ακτινοβολίας μιας τέτοιας κεραίας αποτελείται από σταθερούς λοβούς ευαίσθητους σε εκπομπή και λήψη μόνο σε μια συγκεκριμένη κατεύθυνση. Όταν για παράδειγμα το σύστημα της έξυπνης κεραίας έχει εγκατασταθεί στο σταθμό βάσης ο κινούμενος χρήστης διαπέμπεται από τον ένα λοβό στον άλλο ανάλογα με τη γωνία άφιξης του σήματος, ώστε να επιτευχθεί η μέγιστη δυνατή στάθμη ισχύος. Με τον τρόπο αυτό και εκμεταλλευόμενοι τη δυνατότητα του χωρικού διαχωρισμού (spatial diversity) πετυχαίνουμε το συνδυασμό πολλών κεραιών με μεγάλη κατευθυντικότητα σε μια έξυπνη κεραία που χωρίζει το χώρο σε πολλούς τομείς ανεξάρτητους μεταξύ τους. Ένα παράδειγμα τέτοιου διαγράμματος ακτινοβολίας εικονίζεται στο ακόλουθο σχήμα: Δημήτριος Ιγγλέζος 24

28 Εικόνα 2-7 «Διάγραμμα ακτινοβολίας κεραιών switched beams» Εκ πρώτης όψεως, ο αλγόριθμος μεταγωγής λοβών φαίνεται να δουλεύει καλά κυρίως σε περιπτώσεις που το σήμα λαμβάνεται από μια συγκεκριμένη γωνία άφιξης. Ακόμη όμως και στην περίπτωση που το σήμα εμφανίζει γωνιακή διασπορά, αν η εν λόγω γωνιακή διασπορά είναι μικρότερη από το γωνιακό εύρος κάθε λοβού ακτινοβολίας, τότε μπορούν να προκύψουν σημαντικά οφέλη από μία έξυπνη κεραία μεταγωγής λοβών. Με βάση τη θεωρία των γραμμικών στοιχειοκεραιών, μπορούμε να υπολογίσουμε το διάγραμμα ακτινοβολίας για κάθε λοβό. Έτσι, για να παραχθεί ο i λοβός ακτινοβολίας, ο οποίος θέλουμε να είναι στραμμένος στη γωνία φi, θα πρέπει τα βάρη της κεραίας να δίνονται από την εξίσωση : Wm, i = exp (j*k*m*d*cosφi) Η ιδέα της μεταγωγής λοβών γίνεται φανερή και από το παρακάτω σχήμα. Σε αυτό έχουμε την περίπτωση ενός τομέα 1200 στον οποίο έχουμε τοποθετήσει μια έξυπνη κεραία με τρεις σταθερούς λοβούς ακτινοβολίας. Κάθε λοβός έχει εύρος 400 και εξυπηρετεί τους χρήστες που βρίσκονται εντός της περιοχής κάλυψής του. Αν υποθέσουμε ότι οι χρήστες είναι ομοιόμορφα κατανεμημένοι στον τομέα, τότε θα πρέπει οι παρεμβολές να μειωθούν κατά ένα παράγοντα ίσο με τρία, σε σχέση με την περίπτωση που χρησιμοποιούσαμε μια συμβατική sector κεραία, η οποία θα εξέπεμπε με το ίδιο κέρδος στο αζιμουθιακό εύρος των Δημήτριος Ιγγλέζος 25

29 Εικόνα 2-8 «Τρεις σταθεροί λοβοί ακτινοβολίας για κάλυψη τομέα εύρους 120 ο» Η ταχύτητα δεν αποτελεί πρόβλημα για την υλοποίηση κεραιών μεταγωγής λοβών και ο λόγος είναι ότι γενικά, η επιλογή διαγραμμάτων μπορεί να ρυθμιστεί ώστε να γίνει αρκετά γρήγορα. Δηλαδή το σύστημα είναι σε θέση να προσδιορίσει σε ποια ακτίνα ο συνδρομητής στόχων ανήκει, πριν από τις κινήσεις συνδρομητών στόχων σε μια διαφορετική ακτίνα και επομένως να διαπέμψει το χρήστη από έναν λοβό σε κάποιον άλλο. Το βασικό πρόβλημα της μεθόδου αυτής εντοπίζεται, όταν η παρεμβολή είναι ισχυρότερη από το επιθυμητό σήμα. Εικόνα 2-9 «Λειτουργία κεραίας switched beams όταν έχουμε και παρεμβαλλόμενο σήμα» Τότε η μέθοδος αυτή μπορεί να μην αποδώσει σωστά και να προκύψουν εσφαλμένα συμπεράσματα για την θέση του στόχου, οδηγώντας στην διακοπή της επικοινωνίας ανάμεσα στο σταθμό και στο χρήστη Κεραίες με στροφή φάσης (phased array) Στην μέθοδο αυτή παράγεται μια ψηφιακή ακτίνα οι οποία στρέφεται προς το ισχυρότερο σήμα παρακολουθώντας τις κινήσεις του τερματικού. Βασικό ρόλο παίζει το περιβάλλον και η Δημήτριος Ιγγλέζος 26

30 κινητικότητα του χρήστη καθώς και η ταχύτητα με την οποία υπολογίζεται η εκάστοτε θέση του, συμφώνα με τον αλγόριθμο που χρησιμοποιείται. Με την εισαγωγή ενός αλγορίθμου DoA (Direction of Arrival) για το λαμβανόμενο από τον χρήστη σήμα, μπορεί να επιτευχθεί συνεχής παρακολούθηση. Αυτό μπορεί να ειδωθεί σαν μια γενίκευση της έννοιας switched lobe. Σε αυτή την περίπτωση μεγιστοποιείται η λαμβανόμενη ισχύς. Ένα τέτοιο παράδειγμα εικονίζεται στο ακόλουθο σχήμα, όπου με μπλε γραμμή είναι το επιθυμητό σήμα και παρακολουθείται ανά πάσα στιγμή από τον κύριο λοβό, ενώ με την κόκκινη γραμμή είναι η παρεμβολή από κάποιον άλλο χρήστη. Εικόνα 2-10 «Κεραία phased array» Κεραίες με προσαρμοζόμενο διάγραμμα ακτινοβολίας (adaptive array) Αποτελεί το πιο προηγμένο τεχνολογικά σύστημα έξυπνης κεραίας χρησιμοποιώντας πολλούς και πολύπλοκους αλγορίθμους. Βασική αρχή των προσαρμοζόμενων κεραιών είναι η ανίχνευση του σήματος στον περιβάλλοντα χώρο της κεραίας και μέσα από πολύπλοκες διαδικασίες η ενίσχυση του επιθυμητού καθώς και η απόσβεση του παρεμβάλλοντος σήματος. Αυτό πετυχαίνεται μέσα από τη στροφή των λοβών ακτινοβολίας, ώστε ο κύριος λοβός να λαμβάνει το επιθυμητό σήμα και οι πλευρικοί, που προφανώς έχουν πολύ μικρότερο κέρδος, να δέχονται και να εξασθενούν το ανεπιθύμητο, όπως φαίνεται και στο παρακάτω σχήμα. Ουσιαστικά είναι η μόνη τεχνική που πετυχαίνει αύξηση του κέρδους ανάλογα με την εκάστοτε θέση των χρηστών. Δημήτριος Ιγγλέζος 27

31 Εικόνα 2-11 «Κεραία adaptive array» Σε αυτή την περίπτωση προστίθεται ένας αλγόριθμος DoA (Direction of Arrival) για να υπολογιστεί η κατεύθυνση προς τις πηγές παρεμβολής. Το διάγραμμα ακτινοβολίας μπορεί να προσαρμοστεί για να αποκλείσει τις παρεμβολές. Επιπροσθέτως, με τη χρήση ειδικών αλγορίθμων και τεχνικών διαφορικότητας χώρου (SDMA), το διάγραμμα ακτινοβολίας μπορεί να προσαρμοστεί έτσι ώστε να λαμβάνει σήματα πολλαπλών διαδρομών που μπορούν να συνδυαστούν. Αυτές οι τεχνικές μπορούν να μεγιστοποιήσουν τον λόγο σήματος προς παρεμβολή (Signal to Interference Ratio SIR) ή τον λόγο σήματος προς παρεμβολή και θόρυβο (Signal to Noise and Interference Ratio SINR). Στο παρακάτω σχήμα εικονίζεται το διάγραμμα ακτινοβολίας μιας τέτοιας κεραίας που προσαρμόζει τον κύριο λοβό στον επιθυμητό χρήστη και το δευτερεύων στον παρεμβάλλοντα. Εικόνα 2-12 «Λειτουργία κεραίας adaptive array όταν υπάρχει και παρεμβάλλων χρήστης» Τα συμβατικά συστήματα κινητών τηλεπικοινωνιών συνήθως χρησιμοποιούν κάποιο είδος διαφορικότητας κεραίας (π.χ. διαφορικότητα χώρου ή πόλωσης). Οι προσαρμόσιμες κεραίες μπορούν να θεωρηθούν ως ένα πλάνο εκτεταμένης διαφορικότητας, καθώς έχουν πάνω από δύο παρακλάδια διαφορικότητας. Έτσι οι προσαρμόσιμες συστοιχίες (ΑΑs) έχουν μεγαλύτερο περιθώριο κέρδους από τις κεραίες. Με τη βοήθεια προσαρμοστικών τεχνικών υπολογίζονται τα βέλτιστα βάρη της κεραίας ξεχωριστά για κάθε χρήστη μέσα στην κυψέλη. Ας υποθέσουμε ότι το λαμβανόμενο σήμα από κάθε στοιχείο Δημήτριος Ιγγλέζος 28

32 της κεραίας την παρούσα χρονική στιγμή εκφράζεται μέσω του διανύσματος Μ συνιστωσών XΜ, όπου Μ ο συνολικός αριθμός στοιχείων της κεραίας. Για να υπολογιστούν τα κατάλληλα βάρη της κεραίας, ώστε αυτά να χρησιμοποιηθούν την αμέσως επόμενη χρονική στιγμή t+1, θα πρέπει ένας αλγόριθμος να επιλύσει το πρόβλημα βελτιστοποίησης που ανακύπτει, έχοντας ως είσοδο το διάνυσμα XΜ και ένα σήμα αναφοράς. Υπάρχουν διάφορα κριτήρια επιλογής του αλγορίθμου που θα μας λύσει το πρόβλημα βελτιστοποίησης. Ενδεικτικά αναφέρουμε τα κριτήρια Ελάχιστου Μέσου Τετραγωνικού Σφάλματος (Minimum Mean Square Error), Μέγιστου Σηματοθορυβικού Λόγου (Maximum SINR), Ελάχιστης Διακύμανσης Θορύβου (Minimum Noise Variance), κ.α. Μπορεί να δειχτεί ότι όλα τα παραπάνω κριτήρια συνδέονται στενά μεταξύ τους, με αποτέλεσμα η επιλογή ενός από αυτά να μη διαδραματίζει καθοριστικό ρόλο στην απόδοση του συστήματος. Όμως, η επιλογή του κατάλληλου προσαρμοστικού αλγόριθμου (adaptive algorithm) είναι μείζονος σημασίας. Κάθε αλγόριθμος επιφέρει διαφορετική πολυπλοκότητα στο σταθμό βάσης, ενώ διαφορετική είναι και η ταχύτητα με την οποία κάθε αλγόριθμος συγκλίνει στη λύση του προβλήματος. Η ταχύτητα αυτή εξαρτάται τόσο από την σχεδίαση του συστήματος (π.χ. διάρκεια χρονοσχισμής για ένα TDMA σύστημα), όσο και από το ασύρματο περιβάλλον (ταχύτητα κινητού τερματικού και ταχύτητα με την οποία αλλάζει το προφίλ του ραδιοδιαύλου). Ανάμεσα στους πιο διαδεδομένους προσαρμοστικούς αλγορίθμους είναι ο SMI (Sample Matrix Inverse), ο οποίος βασίζεται στην αντιστροφή του πίνακα αυτοσυσχέτισης Rxx του λαμβανόμενου σήματος, ο αλγόριθμος Ελαχίστων Μέσων Τετραγώνων LMS (Least Mean Squares), ο κανονικοποιημένος αλγόριθμος LMS και ο Αναδρομικός Αλγόριθμος Ελαχίστων Τετραγώνων RLS (Recursive Least 102 Squares). Ένα από τα μεγάλα πλεονεκτήματα των προσαρμοστικών μεθόδων είναι ότι καταλήγουν σε ένα αποτέλεσμα που μεγιστοποιεί το σηματοθορυβικό λόγο SNR. Τέλος, όσον αφορά την εκτίμηση του ραδιοδιαύλου από το σταθμό βάσης είναι απαραίτητη μια αναφορά ή μια εκπαιδευτική αλληλουχία (Pilot symbols). Οι μέθοδοι που μεγιστοποιούν το SΝR απαιτούν γνώση της άμεσης απόκρισης διαύλου τόσο από τον επιθυμητό χρήστη όσο και από όλες τις πηγές παρεμβολών, πράγμα το οποίο σημαίνει ότι η εκπαιδευτική αλληλουχία πρέπει να είναι μοναδική για κάθε χρήστη. 2.5 Συμπέρασμα Όπως είδαμε τα κυψελωτά δίκτυα κινητών επικοινωνιών αποτέλεσαν την «αναγκαστική» εξέλιξη των ασύρματων δικτύων, έτσι ώστε να παρακαμφθούν τα προβλήματα και οι ατέλειες των υπόλοιπων τρόπων οργάνωσης των δικτύων. Ειδικότερα το κανονικό εξάγωνο ήταν ο πιο «άρτιος» τρόπος σχεδιασμού ασύρματου δικτύου για κινητή τηλεφωνία καθώς εκπλήρωνε τόσο την μεταπομπή, όσο και την επαναχρησιμοποίηση συχνοτήτων οι οποίες είναι οι δύο κυριότερες λειτουργίες των δικτύων κινητής επικοινωνίας. Εν συνεχεία μελετήσαμε τους δύο τρόπους ηλεκτρομαγνητικής κάλυψης μιας κεραίας οι οποίοι είναι 1) ο στατικός και 2) με περιστροφή. Ο στατικός όπως αναφέρθηκε είχε το πρόβλημα ότι σε περίπτωση χαμηλής στάθμης του σήματος λήψης είχαμε άμεση μείωση του QOS. Το πρόβλημα αυτό αντιμετωπίστηκε με την περιστροφή όπου στηρίχτηκε σε έναν ιδιαίτερα προηγμένο τύπο κεραίας ο οποίος ήταν οι ευφυείς κεραίες, οι οποίες κάθε στιγμή «ψάχνουν» να εντοπίσουν το πιο δυνατό σήμα και άρα δεν «υπονομεύεται» το QOS. Δημήτριος Ιγγλέζος 29

33 3 Προσομοίωση Κεραιοσυστοιχίας για το Στατικό Φωτισμό της Κυψέλης 3.1 Εισαγωγή Ο όρος «στατικός φωτισμός» της κυψέλης αναφέρεται στην παραδοσιακή μέθοδο κάλυψης μιας συγκεκριμένης γεωγραφικής περιοχής από μία μόνο κεραία η οποία ακτινοβολεί με συγκεκριμένη συχνότητα το επιθυμητό σήμα, το οποίο λαμβάνεται από το χρήστη. Το σήμα αυτό μπορεί να είναι τόσο σήμα που προορίζεται για κεραίες λήψης τηλεόρασης ή/και ραδιοφώνου όσο και για κινητά τηλέφωνα όπου είναι και το κυρίως θέμα έρευνας της συγκεκριμένης διπλωματικής εργασίας. Προφανώς οι κεραίες εκπομπής που χρησιμοποιούνται στην κινητή τηλεφωνία είναι κατευθυντικές έτσι ώστε να μην υπάρχουν σοβαρές απώλειες αλλά και να συσσωρεύεται το σήμα με μεγαλύτερη ακρίβεια σε μια συγκεκριμένη κυψέλη. Μία κεραιοσυστοιχία που επιτελεί αυτή τη λειτουργία που μόλις περιγράψαμε φαίνεται παρακάτω: Εικόνα 3-1 «Κεραιοσυστοιχία για στατικό φωτισμό της κυψέλης» 3.2 Διάγραμμα ακτινοβολίας κεραιοσυστοιχίας για την περίπτωση στατικού φωτισμού μιας κυψέλης Για μία κεραιοσυστοιχία με Ν=2 στοιχεία και απόσταση D=λ (μήκος κύματος) ύστερα από προσομοίωση στο πρόγραμμα Matlab πήρα το εξής διάγραμμα. Δημήτριος Ιγγλέζος 30

34 Εικόνα 3-2 «Διάγραμμα ακτινοβολίας στην περίπτωση στατικού φωτισμού μιας κυψέλης» Εν συνεχεία παρατίθενται όλα τα απαραίτητα δεδομένα έτσι ώστε να μπορέσουμε να δημιουργήσουμε ένα ολικό διάγραμμα ροής που θα απεικονίζει τη δημιουργία κεραιοσυστοιχίας για το στατικό φωτισμό της κυψέλης. 3.3 Διάγραμμα ροής μίας κεραιοσυστοιχίας για τηλεφωνική και κινητή επικοινωνία Εδώ παρατίθεται οι ενέργειες που διενεργούνται έτσι ώστε να πραγματοποιηθεί μια κλήση από φορητή συσκευή και δείχνει τις ηλεκτρομαγνητικές και φυσικές ενέργειες που λαμβάνουν χώρα. Δημήτριος Ιγγλέζος 31

35 Πληκτρολόγηση οποιασδήποτε διεθνής κλήσης από ένα σημείο (Τx) Τα παραγόμενα ηλεκτρικά σήματα από την πληκτρολόγηση του αριθμού παράγουν οδηγούμενα κύματα τα οποία ταξιδεύουν μέσω καλωδίου Τα οδηγούμενα κύματα μετατρέπονται σε κύματα χώρου από την κεραία εκπομπής Τα άνω ζεύξης ραδιοκύματα ή κύματα ελευθέρου χώρου λαμβάνονται από το δορυφόρο μέσω του δορυφορικού πιάτου που βρίσκεται στη γη Τα κύματα ελευθέρου χώρου λαμβάνονται και μετατρέπονται σε οδηγούμενα κύματα με τη συχνότητα κάτω ζεύξης από την κεραία λήψης Η κλήση λαμβάνεται σε ένα άλλο μέρος (Rx) Δημήτριος Ιγγλέζος 32

36 3.4 Κεραίες που χρησιμοποιούνται στα κυψελοειδή συστήματα κινητής επικοινωνίας κατά το στατικό φωτισμό Σχηματικά σε διάγραμμα ροής απεικονίζουμε τα δύο είδη κεραιών που χρησιμοποιούνται στα κυψελοειδή αυτά συστήματα: ΟΧΙ Ο τύπος κεραίας είναι η κινητή ΝΑΙ Ανάλυση χαρ/κών μικροκυματικής κεραίας Ανάλυση χαρ/κών της κινητής κεραίας Κινητή κεραία Η απαίτηση των κινητών (τοποθετημένη πάνω σε μηχανοκίνητο όχημα) κεραιών είναι μια omni κατευθυντική κεραία, η οποία μπορεί να βρίσκεται όσο το δυνατόν ψηλότερα από το σημείο παραλαβής. Ωστόσο ο φυσικός περιορισμός του ύψους της κεραίας στο όχημα περιορίζει αυτή την απαίτηση. Γενικά, η κεραία θα πρέπει τουλάχιστον να είναι στην κορυφή του οχήματος. Εν συνεχεία έχουμε το διαχωρισμό των κινητών κεραιών και μια σύντομη περιγραφή της κάθε μίας. Δημήτριος Ιγγλέζος 33

37 Διαχωρισμός κινητών κεραιών Α) Κεραία τοποθετημένη στην οροφή Β) Γυάλινη τοποθετημένη κεραία Δ) Οριζόντια προσανατολισμένες κεραίες με ποικιλομορφία χώρου Γ) Κινητές κεραίες υψηλού κέρδους Ε)Κάθετα προσανατολισμένες κεραίες με ποικιλομορφία χώρου Α) Το διάγραμμα μιας κεραία οροφής είναι περισσότερο ή λιγότερο ομοιόμορφα διανεμημένο γύρω από την κινητή μονάδα, όταν μετράται σε ένα εύρος κεραίας στην 3 db υψηλό κέρδος της κεραίας δείχνει ένα κέρδος 3 db πάνω από την κεραία ενός τετάρτου κύματος. Ωστόσο, η απολαβή της κεραίας που χρησιμοποιείται στην κινητή μονάδα θα πρέπει να περιορίζεται στα 3 db, επειδή η κεραία κυψέλης είναι σπάνια τόσο ψηλά όσο η κεραία εκπομπής. Η κινητή κεραία με απολαβή άνω των 3 db μπορεί να λάβει μόνον ένα περιορισμένο τμήμα του συνόλου πολλαπλών σημάτων στο υψόμετρο, όπως μετράται σύμφωνα με την κατάσταση εξάντλησης της τοποθεσίας. Β) Υπάρχουν πολλά είδη γυάλινης τοποθετημένης κεραίας. Η ενέργεια είναι συζευγμένη μέσω του γυαλιού, αλλά ένα μέρος της χάνεται κατά τη διέλευση μέσω του γυαλιού. Τέλος το κέρδος της κυμαίνεται από 1 έως 3 dβ και βρίσκεται σε χαμηλότερη θέση από την κεραία οροφής. Γ) Μία κεραία υψηλού κέρδους που χρησιμοποιείται σε μια κινητή μονάδα έχει μελετηθεί αρκετά τα τελευταία χρόνια. Αυτό το είδος της υψηλής απολαβής κεραίας πρέπει να διακριθεί από την κατευθυντική κεραία. Στην κατευθυντική κεραία, το σχήμα της δέσμης της κεραίας καταστέλλεται οριζόντια, ενώ στην κεραία υψηλής απολαβής, το διάγραμμα καταστέλλεται κάθετα. Για να εφαρμόσουμε είτε μια κατευθυντική κεραία ή μια κεραία υψηλής απολαβής για λήψη σε ένα χώρο, πρέπει να γνωρίζουμε την προέλευση του σήματος. Αν εστιάσουμε την κατευθυντική κεραία έναντι της πλευράς του πομπού, θεωρητικά δε θα λάβουμε τίποτα. Δ) Μία δίκλαδη κεραία λήψης με ποικιλομορφία χώρου τοποθετημένη σε ένα κινητό όχημα έχει το πλεονέκτημα της μείωσης της εξάλειψης (fading) και επομένως μπορεί να λειτουργήσει σε ένα χαμηλότερο επίπεδο λήψης. Εν συνεχεία πρέπει να τονίσουμε ότι αυτού του τύπου οι κεραίες μπορούν να τοποθετηθούν είτε σε γραμμή είτε κάθετα στην κίνηση του οχήματος. Σύμφωνα με θεωρητικές αναλύσεις και πειραματικές μετρήσεις έχει βρεθεί, ότι ο τρόπος τοποθέτησης σε γραμμή παράγει λιγότερες εξαλείψεις (fading) από την κάθετη τοποθέτηση. Δημήτριος Ιγγλέζος 34

38 Ε) Η κατακόρυφη απόσταση μεταξύ των δύο space diversity κεραιών μπορεί να προσδιορισθεί από το συσχετισμό μεταξύ των λαμβανόμενων σημάτων τους Μικροκυματική κεραία Μικροκυματικές κεραίες Κεραία ανακλαστήρας τύπου χοάνης Παραβολικό «πιάτο» Οι μικροκυματικές κεραίες μπορούν να συγκεντρώσουν την εκπεμπόμενη ισχύ τους σε μία στενή δέσμη, κάτι που οφείλεται στο μέγεθος της κεραίας σε σύγκριση με το μήκος κύματος της συχνότητας λειτουργίας. Επομένως μια κεραία υψηλού κέρδους θα ήταν ιδανική για αυτή την περίπτωση. Παρακάτω ακολουθούν μερικά σημαντικά χαρακτηριστικά των μικροκυματικών κεραιών. Εύρος δέσμης Όσο μεγαλύτερο είναι το μέγεθος της κεραίας, τόσο πιο στενό είναι το εύρος της δέσμης. Συνήθως προσδιορίζεται από το εύρος δέσμης ημίσεως ισχύος (3dB) και είναι λιγότερο από 100 στις υψηλότερες συχνότητες των μικροκυμάτων. Το στενό εύρος έχει το σημαντικό πλεονέκτημα, ότι μειώνει τις πιθανότητες παρεμβολής από γειτονικές πηγές ή αντικείμενα, όπως για παράδειγμα γειτονικές κεραίες. Ωστόσο, μία στενή δέσμη απαιτεί υψηλή μηχανική σταθερότητα για την ακτίνα, έτσι ώστε να στοχεύει σε συγκεκριμένη κατεύθυνση. Πλευρικοί λοβοί Οι πλευρικοί λοβοί ενός διαγράμματος μια κεραίας θα ήταν η ενδεχόμενη πηγή παρεμβολής σε άλλα μικροκυματικά μονοπάτια ή θα έκαναν την κεραία ευάλωτη στο να λάβει παρεμβολές από άλλα μικροκυματικά μονοπάτια. Πόλωση και ποικιλομορφία χώρου στις μικροκυματικές κεραίες Πόλωση Για να μειωθεί η παρεμβολή γειτονικού καναλιού, τα μικροκυματικά συστήματα αναμετάδοσης μπορούν να εναλλάσσουν τις συχνότητες του ραδιο-διαύλου από οριζόντια πολωμένο κύμα σε κάθετα πολωμένο κύμα. Η ίδια προσέγγιση μπορεί να εφαρμοστεί και στα δεξιόστροφα και αριστερόστροφα κυκλικά πολωμένα κύματα, αλλά τα εύρη της ακτίνας των κεραιών για αυτή την απώλεια ορίζονται ως ο Δημήτριος Ιγγλέζος 35

39 λόγος της «φτωχής» λήψης στην επιθυμητή πόλωση προς τη «φτωχή» σύζευξη μίας άλλης πόλωσης. Ποικιλομορφία χώρου Οι δύο κεραίες που χωρίζονται κάθετα και οριζόντια μπορούν να χρησιμοποιηθούν για μία δίκλαδη οργάνωση ποικιλομορφίας χώρου. Σε έναν δέκτη ποικιλομορφίας χώρου, το απαιτούμενο επίπεδο λήψης είναι σχετικά χαμηλό έτσι ώστε η μεταδιδόμενη ισχύς στο τέλος της ζεύξης να μπορεί να μειωθεί. Αυτό επίσης αποτελεί μία αποτελεσματική μέθοδο για αύξηση της απώλειας σύζευξης ανάμεσα στην κεραία εκπομπής και στην κεραία λήψης. 3.5 Τύποι κινητών κεραιών εξαρτώμενες από την κυκλοφοριακή συμφόρηση Πολύ σημαντικός παράγοντας στην σχεδίαση κυψελοειδούς δικτύου με στατικό φωτισμό της κυψέλης που επιθυμούμε είναι η κυκλοφοριακή συμφόρηση, η οποία μας αναγκάζει να εφαρμόζουμε διαφορετική τεχνική για κάθε περίπτωση. Οι συνηθέστερες τεχνικές αναφέρονται παρακάτω, οι οποίες πέρα από το είδος της περιοχής που τις περιγράφουν περιλαμβάνουν και το απαραίτητο είδος κεραίας ή κεραιοσυστοιχίας καλύτερα καθώς και τον τρόπο που φωτίζουν μία ορισμένη γεωγραφική περιοχή. Κυκλοφορική συμφόρηση σε κάποιες συγκεκριμένες περιοχές Οι «τομεακές» κεραίες πρέπει να τοποθετηθούν στον πύργο. Γενικά η τριπλή τμηματοποίηση είναι η πιο διάσημη από όλες. Τριπλή τμηματοποίηση σημαίνει να χρησιμοποιείς τρεις διαφορετικές κεραίες σε απόσταση τη μία από την άλλη της τάξης των 120 ο. Αυτού του τύπου οι κεραίες χρησιμοποιούνται σε πύργους υψηλής αστικής συμφόρησης και όπου οι omni-κατευθυντικές κεραίες δε μπορούν να ικανοποιήσουν τη μεγάλη αυτή κίνηση. Κυκλοφοριακή συμφόρηση σε μία συγκεκριμένη περιοχή Στην περίπτωση αυτή χρησιμοποιούμε κατευθυντικές κεραίες οι οποίες προσανατολίζονται σε μία μόνο περιοχή. Χρησιμοποιούμε κατευθυντικές αντί για omni-κατευθυντικές κεραίες, έτσι ώστε να αποφύγουμε την απώλεια ισχύος της omni κεραίας σε ανεπιθύμητες κατευθύνσεις. Γενικά η κατευθυντική κεραία χρησιμοποιείται σε πύργους αυτοκινητόδρομων, όπου υπάρχουν συνδρομητές που βρίσκονται σε μία συγκεκριμένη περιοχή. Ισοδύναμα κατανεμημένη κίνηση σε μία συγκεκριμένη περιοχή Εδώ χρησιμοποιούμε omni κεραίες και επίσης στην περίπτωση αυτή δεν απαιτείται τμηματοποίηση. Η ισχύς που ακτινοβολείται από τη omni-κατευθυντική κεραία διαδίδεται ισοδύναμα προς όλες τις κατευθύνσεις μιας συγκεκριμένης περιοχής μέσα στο όριο της ισχύς της. Γενικά οι omni-κατευθυντικές κεραίες χρησιμοποιούνται σε πύργους μικρών πόλεων όπου υπάρχουν λίγοι αλλά ομοιόμορφα κατανεμημένοι συνδρομητές σε όλες τις κατευθύνσεις. 3.6 Τελικό διάγραμμα ροής για στατικό φωτισμό κυψέλης Αρχικά είναι φρόνιμο να καταγράψουμε τους στόχους που πρέπει να ικανοποιεί η κεραία που τοποθετείται για το συγκεκριμένο τρόπο κάλυψης. Δημήτριος Ιγγλέζος 36

40 Στόχοι Ικανοποίηση επιθυμητού SNR Βέλτιστο διάγραμμα ακτινοβολίας, δηλαδή αμελητέοι πλευρικοί λοβοί ακτινοβολίας Ικανοποίηση επιθυμητού BER Εν συνεχεία καταγράφουμε τις απαιτήσεις που έχει η συγκεκριμένη γεωγραφική περιοχή την οποία εμείς επιθυμούμε να «φωτίσουμε» κατάλληλα. Απαιτήσεις Επιλογή μεταξύ κινητής και μικροκυματικής κεραίας Ενδελεχής ανάλυση του συνδρομητικού φορτίου στη συγκεκριμένη περιοχή Ανάλυση του γεωγραφικού ανάγλυφου της περιοχής Οπότε τώρα μπορούμε ύστερα και από την καταγραφή των κυρίων στόχων καθώς και των απαιτήσεων να δείξουμε σε ένα τελικό διάγραμμα ροής όλα τα βήματα που απαιτούνται για να «φωτίσουμε» στατικά μία κυψέλη. Δημήτριος Ιγγλέζος 37

41 Αρχή Επιλογή της κυψέλης που επιθυμούμε να φωτίσουμε Ανάλυση του γεωγραφικού ανάγλυφου της περιοχής ΟΧΙ Απαίτηση για καθαρότητα 1 ης ζώνης Fresnel και αριθμός αναμεταδοτών Η περιοχή είναι επίπεδη ΝΑΙ Επιλογή είδους κεραίας και εν συνεχεία εγκατάσταση της μέσα στην κεραιοσυστοιχία Τοποθέτηση κεραίας σε κατάλληλο ύψος λόγω των γεωγραφικών περιορισμών Προσομοίωση σε πρόγραμμα της κεραιοσυστοιχίας για εύρεση διαγράμματος ακτινοβολίας Προσδιορισμός στάθμης θορύβου και είδος παρεμβολής ΟΧΙ Επιλογή κατάλληλου αριθμού στοιχείων, απόστασης μεταξύ τους, γωνίας και συχνότητας για ελαχιστοποίηση απωλειών Πλευρικοί λοβοί είναι αμελητέοι ΝΑΙ «Δυνατό» σήμα στην κυψέλη που συνεπάγεται μεγάλο SNR Ανάλυση συνδρομητικού φορτίου της περιοχής και παράλληλα της κυψέλης που «φωτίζουμε» Κατάλληλη τμηματοποίηση κεραιοσυστοιχίας για ικανοποίηση του συνδρομητικού φορτίου Τοποθέτηση radomes στις κεραίες που απαρτίζουν το σύστημα μας για προστασία από υδρομετέωρα και μείωση απωλειών Τελική προσομοίωση της συστοιχίας κεραιών για εύρεση τυχών σφαλμάτων ή ατελειών που παρακάμφθηκαν κατά την εγκατάσταση Τέλος Δημήτριος Ιγγλέζος 38

42 3.7 Συμπεράσματα Όπως είδαμε η ηλεκτρομαγνητική κάλυψη μιας κυψέλης από μία στατική συστοιχία κεραιών είναι ο πιο διαδεδομένος τρόπος για τις κινητές επικοινωνίες ακόμα και σήμερα. Αυτό οφείλεται στη μικρότερη πολυπλοκότητα που έχει σε σχέση με μια περιστρεφόμενη συστοιχία, αλλά δε πρέπει να λησμονήσουμε και τις αστοχίες που περιλαμβάνει. Η κυριότερη αστοχία είναι, ότι παρόλη την ενδελεχή ανάλυση και προσομοίωση της συστοιχίας μας δε μηδενίζουμε την πιθανότητα αδυναμίας κάλυψης σε περιπτώση «αδύναμου» σήματος. Αυτό έρχεται να το πραγματευθεί ένας άλλος τρόπος κάλυψης που περιλαμβάνει περιστροφή των κεραιών για λήψη «ισχυρότερου» σήματος κάτι που θα αναλυθεί στο επόμενο κεφάλαιο. Δημήτριος Ιγγλέζος 39

43 4 Προσομοίωση Κεραιοσυστοιχίας με Περιστροφή 4.1 Εισαγωγή Στο κεφάλαιο αυτό θα μελετήσουμε το δεύτερο και πιο αποτελεσματικό τρόπο ηλεκτρομαγνητικής κάλυψης μιας κυψέλης κατά τον οποίο η κεραιοσυστοιχία περιστρέφεται, έτσι ώστε να επιτυγχάνει τη λήψη του ισχυρότερου σήματος που συνεπάγεται ικανοποιητικό SNR και QOS κάθε στιγμή. Για να το επιτύχουμε αυτό η κεραιοσυστοιχία μας πρέπει να αποτελείται από έναν ειδικό τύπο κεραιών οι οποίες ονομάζονται ευφυείς κεραίες(smart antennas). Στη συγκεκριμένη εργασία μελετάμε τον τύπο της ευφυούς κεραίας που αποτελείται από 3 διαφορετικούς λοβούς ακτινοβολίας, όπου κάθε στιγμή λαμβάνεται από την κεραία λήψης ο λοβός με το «ισχυρότερο» σήμα. Αναμφισβήτητα ο τρόπος αυτός κάλυψης δίνει τη δυνατότητα στις φορητές συσκευές λήψης σήματος, όπως είναι τα κινητά τηλέφωνα να έχουν ικανοποιητική παροχή υπηρεσιών συνέχεια. Επίσης είναι σημαντικό να αναφέρουμε τους δύο κύριους τύπους στους οποίους διακρίνεται μια ευφυής κεραία, όπου είναι 1) η εναλλασσόμενης δέσμης (switched beam), 2) η προσαρμοζόμενης συστοιχίας (adaptive array) και 3) η δυναμικα συγχρονισμένης φάσης. Οι τρεις αυτοί τύποι είχαν αναλυθεί εκτενέστερα παραπάνω. Μία εικόνα που δείχνει εν μέρει τον τρόπο κάλυψης της ευφυούς κεραίας για τους διάφορους τύπους στους οποίους διακρίνεται φαίνεται στην παρακάτω εικόνα: Εικόνα 4-1 «Σχηματική απεικόνιση ευφυούς κεραίας και των τύπων που διακρίνεται» 4.2 Πλεονεκτήματα που παρέχουν οι ευφυείς κεραίες Η βαθύτερη κατανόηση της διάδοσης των σηµάτων και των χαρακτηριστικών των καναλιών είναι πολύ σηµαντικά για την αποδοτική χρήση ενός µέσου µετάδοσης. Τα τελευταία χρόνια υπήρχαν πολλά προβλήµατα µε τη διάδοση των σηµάτων µε συµβατικές κεραίες και οι παρεµβολές είναι ο σηµαντικότερος ανασταλτικός παράγοντας της απόδοσης των ασύρµατων επικοινωνιών. Γι αυτό και η εισαγωγή των έξυπνων κεραιών θεωρείται ότι έχει την προοπτική να οδηγήσει σε µια µεγάλη Δημήτριος Ιγγλέζος 40