ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ. Εργαστήριο Ασύρματης Τηλεπικοινωνίας. Διπλωματική Εργασία

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ Τομέας Τηλεπικοινωνιών και Τεχνολογίας Υπολογιστών Εργαστήριο Ασύρματης Τηλεπικοινωνίας Διπλωματική Εργασία του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών Μυλωνάκη Εμμανουήλ του Παντελή Αριθμός Μητρώου: 6808 Θέμα ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ ΓΙΑ ΤΟΝ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΣΥΣΤΟΙΧΙΑΣ ΚΕΡΑΙΩΝ ΓΙΑ ΚΙΝΗΤΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ Επιβλέπων Κωτσόπουλος Σταύρος, Καθηγητής Πάτρα, Φεβρουάριος 2014

2

3 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η Διπλωματική Εργασία με θέμα: ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ ΓΙΑ ΤΟΝ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΣΥΣΤΟΙΧΙΑΣ ΚΕΡΑΙΩΝ ΓΙΑ ΚΙΝΗΤΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών Μυλωνάκη Εμμανουήλ του Παντελή Αριθμός Μητρώου: 6808 Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις.../../ Ο Επιβλέπων Ο Διευθυντής του Τομέα Σταύρος Κωτσόπουλος Νικόλαος Φακωτάκης Καθηγητής Καθηγητής

4

5 Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Θέμα: «Παράμετροι για σχεδιασμό συστήματος συστοιχίας κεραιών για κινητές εφαρμογές» Φοιτητής: Επιβλέπων: Εμμανουήλ Π. Μυλωνάκης Σταύρος Κωτσόπουλος

6

7 Θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά τον Καθηγητή κ. Σταύρο Κωτσόπουλο για την καθοδήγηση, τον πολύτιμο χρόνο που διέθεσε καθώς και για την δυνατότητα που μου έδωσε να εκπονήσω την διπλωματική μου εργασία σε ένα τόσο ενδιαφέρον και ραγδαία εξελισσόμενο επιστημονικό πεδίο. Επίσης θα ήθελα να ευχαριστήσω τους γονείς μου για τη συμπαράσταση και τη βοήθεια τους όλα αυτά τα χρόνια. Τέλος θέλω να ευχαριστήσω τους συμφοιτητές μου Τηλέμαχο και Χάρη με τους οποίους ήμασταν συνοδοιπόροι στο ταξίδι που τελειώνει με την κατάθεση αυτής εδώ της διπλωματικής. Εμμανουήλ Μυλωνάκης Φεβρουάριος 2014

8

9 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται το θέμα των έξυπνων κεραιών. Οι έξυπνες κεραίας αποτελούν μια τεχνολογία αιχμής στον κόσμο των κινητών και προσωπικών τηλεπικοινωνιών. Στο πρώτο κεφάλαιο δίνονται κάποια εισαγωγικά στοιχεία για τις έξυπνες κεραίες και επιχειρείται να εξηγηθεί ποίο κενό καλύπτουν και πως. Στο δεύτερο κεφάλαιο γίνεται αναφορά στη θεωρία κεραιών, η οποία είναι απαραίτητη για να κατανοήσουμε την λειτουργία των έξυπνων κεραιών. Δίνεται έμφαση στη θεωρία των στοιχειοκεραιών. Στο τρίτο κεφάλαιο γίνεται σύντομη αναφορά στη θεωρία της κινητής τηλεφωνίας. Η αναφορά αυτή κρίνεται σκόπιμη καθώς σε αυτό το τομέα μελετούμε την εφαρμογή της τεχνολογίας των έξυπνων κεραιών. Έπειτα στο τέταρτο κεφάλαιο εμβαθύνουμε θεωρητικά και μελετούμε θέματα πάνω στις έξυπνες κεραίες. Πως ένα απλό σύστημα κεραιών γίνεται εν τέλει «έξυπνο». Δίνεται ιδιαίτερη έμφαση στους αλγόριθμους εκείνους κρίσιμους για την λειτουργία ενός τέτοιου συστήματος. Στο πέμπτο και στο έκτο κεφάλαιο παρουσιάζουμε την προσομοίωση που έγινε στα πλαίσια της εργασίας. Ειδικότερα στο πέμπτο κεφάλαιο παρουσιάζουμε μια μελέτη πάνω στις συστοιχίες κεραιών για να αποφανθούμε ποια συστοιχία θα μπορούσε να λειτουργήσει σ ένα σύστημα έξυπνων κεραιών. Τέλος, στο έκτο κεφάλαιο παρουσιάζεται μια προσομοίωση ενός πολύ απλού έξυπνου συστήματος και γίνεται μια απλή επίδειξη για το πώς θα μπορούσε να λειτουργήσει. Ολόκληρος ο κώδικας που χρησιμοποιήθηκε δίνεται στο παράρτημα.

10

11 ABSTRACT This thesis deals with the subject of smart antennas. Smart antennas are a cutting edge technology in the field of mobile and personal telecommunications. In the first chapter we give introductory information about smart antennas and we attempt to answer why this technology is vital to the progress of telecommunication technology. In the second chapter we analyze antenna theory and emphasize on antenna arrays. This analysis is needed to understand the basics of smart antenna operation. In the third chapter we make a brief reference on mobile communications theory to understand why an advancement is needed on the field. In the fourth chapter we delve deeper into theoretical analysis of smart antennas. We make an attempt to understand what makes this system smart and emphasize on the algorithms that are the basis of this system. In the fifth and sixth chapters, we present the simulation that took place for this thesis. At first, we make a thorough analysis on antenna arrays and determine which array configuration could work with a smart antenna system. Lastly, in the sixth chapter we present a simple simulation with the algorithms mentioned above showing how such a system could work. The code used for the two simulations is given at the end of this thesis.

12 Πίνακας περιεχομένων Κεφάλαιο 1 Εισαγωγή Εισαγωγή Συστήματα Κινητών Επικοινωνιών Έξυπνες Κεραίες Τι Είναι οι Έξυπνες Κεραίες Λειτουργία των Έξυπνων Συστημάτων Οφέλη της Έξυπνης Τεχνολογίας Κεφάλαιο 2 Θεωρία Κεραιών Εισαγωγή Στοιχειώδες Δίπολο Εισαγωγή Χαρακτηριστικά Ακτινοβολίας Γραμμική Κεραία Μεγάλου Μήκους Δίπολο λ/ Στοιχειοκεραίες Στοιχειοκεραία Δυο Στοιχείων Στοιχειοκεραία Πολλών Στοιχείων Χωρικά Ομοιόμορφες Γραμμικές Στοιχειοκεραίες Χωρικά Ομοιόμορφες Γραμμικές Στοιχειοκεραίες με Μη Oμοιόμορφο Πλάτος Στοιχειοκεραίες Δισδιάστατων Κατανομών Ορθογώνιες Στοιχειοκεραίες Κυκλικές Στοιχειοκεραίες... 47

13 Κεφάλαιο 3 Θεωρία Κινητής Τηλεφωνίας Αρχές Κυψελωτών Συστημάτων Τεχνικές Πολλαπλής Πρόσβασης SDMA FDMA TDMA CDMA OFDMA Η Εξέλιξη των Προτύπων Συστήματα Πρώτης Γενιάς (1G) Συστήματα Δεύτερης Γενιάς (2G) Συστήματα Δεύτερης+ Γενιάς (2.5G) Συστήματα Τρίτης Γενιάς (3G) Συστήματα Τρίτης+ Γενιάς (3.5G) GSM GPRS GSM-EDGE WCDMA To Πρότυπο IMT Δέκτης RAKE TD-SCDMA Συστήματα Έξυπων Κεραιών στο TS-SCDMA LTE Στόχοι του LTE Πολλαπλές Κεραίες Κεφάλαιο 4 Έξυπνη Τεχνολογία Εισαγωγή Αρχές Έξυπνων Συστημάτων Επεξεργασία Σήματος... 71

14 Σχηματισμός Λοβών Προσεγγίσεις Έξυπνων Συστημάτων Switched Beam Phased Array Adaptive Array Αλγόριθμοι DoA MVDR Μέθοδος Μέγιστης Πιθανοφάνειας Mέθοδοι Ιδιοκατασκευής Αλγόριθμος MUSIC Root MUSIC Μέθοδος ESPRIT Αλγόριθμοι Beamforming Αλγόριθμος LMS Αλγόριθμος LCMV Κεφάλαιο 5 Προσομοιώσεις Στοιχειοκεραιών & Εφαρμογές Εισαγωγή Το Διάγραμμα Ακτινοβολίας Εισαγωγή Λοβοί Διαγράμματος Ακτινοβολίας Προσομοίωση του Στοιχείου Παράμετροι Συστοιχιών Τύποι Συστοιχίας Χαρακτηριστικά Μεγέθη των Συστοιχιών Προσομοιώσεις Συστοιχιών Πλήθος των Στοιχείων Γραμμική Συστοιχία Ορθογώνια Συστοιχία Κυκλική Συστοιχία Συμπεράσματα

15 Αποστάσεις Μεταξύ των Στοιχείων Γραμμική Συστοιχία Ορθογώνια Συστοιχία Κυκλική Συστοιχία Συμπεράσματα Κατανομή των Ρευμάτων Γραμμική Συστοιχία Ορθογώνια Συστοιχία Συμπεράσματα Φασικές Ρευματικές Αποστάσεις Γραμμική Συστοιχία Ορθογώνια Συστοιχία Κυκλική Συστοιχία Συμπεράσματα Εφαρμογές Radar Έξυπνα Συστήματα Κινητών Επικοινωνιών Σύνοψη Κεφάλαιο 6 Προσομοίωση Λειτουργίας Έξυπνου Συστήματος Εισαγωγή Προσομοίωση του Στοιχείου Δίπολο Άλλα στοιχεία Συστοιχία Κεραιών Σενάριο Λειτουργίας Γεωγραφία του Σεναρίου Προσομοίωση του Σεναρίου Εκτίμηση Direction of Arrival Beamforming - Προσομοίωση χωρίς Πηγή Παρεμβολής Phase Shift Beamformer

16 MVDR (Capon) Beamformer LCMV Beamformer Beamforming - Προσομοίωση με Πηγή Παρεμβολής Phase Shift Beamformer MVDR (Capon) Beamformer LCMV Beamformer Συμπεράσματα Κεφάλαιο 7 Επίλογος Προοπτικές των Έξυπνων Κεραιών Παράρτημα Κώδικας Matlab main.m expathens.m Βιβλιογραφία

17 κεφάλαιο 1 Εισαγωγή Ο σύγχρονος τρόπος ζωής εμπεριέχει σε ολοένα και μεγαλύτερο βαθμό τη τεχνολογία. Στο ανελέητο κυνήγι της τεχνολογικής εξέλιξης, υπάρχουν κάποιες φυσικές σταθερές που δεν γίνεται να παραμεριστούν. Κανείς δε μπορεί να αγνοήσει ότι οι φυσικοί πόροι είναι πεπερασμένοι και κάποια στιγμή στο εγγύς μέλλον θα τελειώσουν. Για να συνεχιστεί η τεχνολογική εξέλιξη πρέπει να μάθουμε να χρησιμοποιούμε καλύτερα τους ήδη διαθέσιμους πόρους. Το ραδιοφάσμα έχει ήδη τελειώσει. Σε αυτή τη διπλωματική εργασία θα ασχοληθούμε με το πώς μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε το διαθέσιμο φάσμα πιο αποδοτικά. Ο τρόπος που προτείνεται είναι η βέλτιστη χρήση του δοσμένου χώρου. Με τη χρήση της τεχνολογίας των έξυπνων ή προσαρμοστικών κεραιών μπορεί να υπάρξει διαχωρισμός των σημάτων εκτός από τα πεδία του χρόνου και της συχνότητας στο πεδίο του χώρου. Οι προσαρμοστικές κεραίες (adaptive antennas) χρησιμοποιούνται εδώ και δεκαετίες σε πολλές τεχνολογικές εφαρμογές όπως τα radar, οι δορυφορικές επικοινωνίες, η τηλεπισκόπηση κ.α. Ένα παράδειγμα αποτελούν τα συστήματα radar, τα οποία χρησιμοποιούν αυτήν την ικανότητα για να προσαρμοστούν όταν δέχονται επιθετικές παρεμβολές (combat jamming). Στο τομέα των δορυφορικών επικοινωνιών, οι κεραίες αυτές χρησιμοποιούνται για να προσαρμόσουν την κάλυψη τους σε συγκεκριμένες γεωγραφικές συντεταγμένες. Κάθε εφαρμογή έχει τις δικές της απαιτήσεις και προκλήσεις όπως το κανάλι που χρησιμοποιείται, το μέσο της διάδοσης, πηγές παρεμβολών και φυσικά τον θόρυβο. Για να ικανοποιηθούν οι απαιτήσεις της κάθε εφαρμογής πρέπει να γίνει σωστή επιλογή του τύπου της κεραίας, της γεωμετρίας της συστοιχίας και 17

18 Κεφάλαιο 1 Εισαγωγή των αλγορίθμων λειτουργίας. Τέλος πρέπει να μελετηθεί ο τρόπος ένταξης στις προϋπάρχουσες τεχνολογίες. Τις παραμέτρους αυτές θα μελετήσουμε στην συνέχεια της εργασίας. 1.1 ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΚΙΝΗΤΩΝ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ Στις δεκαετίες 80 και 90, τα συστήματα κυτταρικής και προσωπικής επικοινωνίας άρχισαν να αναπτύσσονται με την παράλληλη ανάπτυξη των συστημάτων δεύτερης γενιάς. Τα πρώτα συστήματα βασίζονταν σε αναλογική τεχνολογία που χρησιμοποιούσε το πρότυπο FDMA (frequency division multiple access), το διαχωρισμό των σημάτων δηλαδή με βάση τη συχνότητα. Στο FDMA το φάσμα χωρίζεται σε κανάλια με συγκεκριμένο εύρος (30 khz στη περίπτωση του AMPS, του αμερικάνικου προτύπου) και κάθε χρήστης μπορούσε να χρησιμοποιήσει 2 τέτοια κανάλια για να έχει αμφίδρομη επικοινωνία με το σταθμό βάσης. Όλοι οι χρήστες μοιράζονται τo φάσμα το οποίο είναι όμως πεπερασμένο και άρα δημιουργείται ένα όριο των χρηστών που μπορούν να εξυπηρετηθούν σε κάθε κυψέλη. Το πρόβλημα σε αυτή τη περίπτωση είναι ότι δημιουργούνται πολλές παρεμβολές μεταξύ των καναλιών. Για να ξεπεραστεί αυτή η δυσκολία χρησιμοποιήθηκαν ψηφιακές τεχνολογίες όπως το TDMA. Στο πρότυπο TDMA (time division multiple access) κάθε χρήστης χρησιμοποιεί όλο το φάσμα για ένα κομμάτι του χρόνου. Οι χρήστες δηλαδή σε αυτή τη περίπτωση μοιράζονται το χρόνο. Η τεχνολογία GSM (global system for mobiles) βασίζεται στο TDMA και χρησιμοποιεί κανάλια με εύρος 200kHz. Μια τρίτη τεχνική είναι το CDMA (code division multiple access) όπου κάθε χρήστης χρησιμοποιεί έναν κωδικό. Το CDMA αυξάνει τη συνολική χωρητικότητα του δικτύου χάρις στον τρόπο που διαχειρίζεται τις παρεμβολές μεταξύ των καναλιών. Αυτό επιτυγχάνεται με τη διασπορά του σήματος σε μεγαλύτερο εύρος και με το μετριασμό της απαιτούμενης ενέργειας για τη μετάδοση ενός σήματος. Με αυτό τον τρόπο μετριάζεται η συγκαναλική παρεμβολή. Για να καλυφθούν οι αυξανόμενες ανάγκες αναπτύχθηκαν οι τεχνολογίες τρίτης γενιάς που βασίζονται στο CDMA. Σκοπός των τεχνολογιών τρίτης γενιάς (3G) ήταν η αύξηση της χωρητικότητας και ή καλύτερη εξυπηρέτηση δεδομένων. Οι δυο σπουδαιότερες τεχνολογίες τρίτης γενιάς είναι το WCDMA (wideband CDMA) ή αλλιώς UMTS (universal mobile telecommunications system) και το CDMA2000. Το σύστημα WCDMA μπορεί να επιτύχει ταχύτητες 384 Kbps ενώ νεότερες εκδόσεις πετυχαίνουν ταχύτητες 14.4Mbps. Αντίστοιχα το σύστημα CDMA2000 πετυχαίνει 153.6Kbps ενώ το CDMA 1xEV-DO πετυχαίνει 3.1Mbps. Το εκατομμύρια χρήστες χρησιμοποιούσαν το 3G/UMTS σε περισσότερα από 60 δίκτυα ενώ 180 εκατομμύρια χρήστες σε 120 δίκτυα χρησιμοποιούσαν το CDMA2000. Τα νούμερα αυτά αυξήθηκαν ραγδαία όπως δείχνουν τα παρακάτω διαγράμματα και οι τάσεις είναι ανοδικές. 18

19 Κεφάλαιο 1 Εισαγωγή 19

20 Κεφάλαιο 1 Εισαγωγή Σχήμα : χρήστες CDMA Σχήμα : χρήστες κινητής τηλεφωνίας ανά ήπειρο Τα τελευταία χρόνια έχουν κάνει την εμφάνιση τους και τα 4g πρότυπα όπως το LTE και το LTE Advanced. Κύριο χαρακτηριστικό αυτών των προτύπων είναι η πάρα πολύ μεγάλη αύξηση στις ταχύτητες δεδομένων που επιτυγχάνουν. Το LTE χρησιμοποιεί την τεχνολογία OFDMA (Orthogonal Frequency-Division Multiple Access) για να πετύχει τις εξαιρετικά υψηλές ταχύτητες. Το OFDM βασίζεται στο FDMA αλλά χρησιμοποιεί μια ψηφιακή μέθοδο διαμόρφωσης πολλαπλών φερόντων ορθογώνιων μεταξύ τους. 20

21 Κεφάλαιο 1 Εισαγωγή 1.2 ΕΞΥΠΝΕΣ ΚΕΡΑΙΕΣ Όπως έχουμε ήδη δει, οι πάροχοι αντιμετωπίζουν αυξημένες απαιτήσεις χωρητικότητας φωνής και δεδομένων. Παρόλο που διάφορες τεχνολογίες τρίτης και τέταρτης γενιάς προσφέρουν υψηλότερες ταχύτητες εξυπηρέτησης σε σχέση με τις τεχνολογίες δεύτερης γενιάς, η πραγματική τους απόδοση είναι ευάλωτη σε παρεμβολές και αστάθμητες συνθήκες καναλιού που δημιουργούνται από την πολύδρομη διάδοση και την υπερφόρτωση του συστήματος. Τεχνικές έξυπνων κεραιών μπορούν να συμπληρώσουν συστήματα τρίτης και τέταρτης γενιάς και να αυξήσουν την απόδοση τους με τη μείωση και την ελάφρυνση των παραπάνω παραγόντων. Συστήματα όπως το HSDPA και το 1xEV-DO μπορούν να επωφεληθούν τα μέγιστα από τις έξυπνες κεραίες καθώς οποιαδήποτε βελτίωση του SNR μεταφράζεται απ ευθείας σε αύξηση της ικανότητας διαβίβασης δεδομένων (throughput) Τι Είναι οι Έξυπνες Κεραίες Ο όρος «έξυπνη κεραία» αναφέρεται σε κάθε συστοιχία κεραιών συνδεδεμένη με έναν επεξεργαστή σημάτων, ο οποίος μπορεί να προσαρμόσει την ακτινοβολία της κεραίας με σκοπό να ενισχύσει σήματα που μας ενδιαφέρουν και να απορρίψει τις παραμβολές. Για να το επιτύχει αυτό υπάρχουν δύο προσεγγίσεις. Η πρώτη προσέγγιση που λέγεται switched beam δηλαδή εναλλαγή λοβών, προϋποθέτει την ύπαρξη προκατασκευασμένων σταθερών λοβών. Όπως περίπου τα υπάρχοντα συστήματα κινητής τεχνολογίας χωρίζουν το χώρο σε υποτμήματα των 120 μοιρών, έτσι και αυτά τα συστήματα χωρίζουν το χώρο σε ακόμα μικρότερα τμήματα τα οποία αναλαμβάνουν διαδοχικά την κάλυψη του χρήστη. Σχήμα 1.2.1: α) κλασσικός διαχωρισμός και β) προσέγγιση εναλλαγής λοβών Η δεύτερη προσέγγιση που λέγεται adaptive δηλαδή προσαρμογής χρησιμοποιεί αλγόριθμους για να συνθέσει σε πραγματικό χρόνο τα 21

22 Κεφάλαιο 1 Εισαγωγή χαρακτηριστικά ακτινοβολίας της συστοιχίας και άρα να έχουμε κάλυψη του χρήστη. Αυτή η προσέγγιση είναι βέλτιστη αλλά και πιο πολύπλοκη Λειτουργία των Έξυπνων Συστημάτων Για την λειτουργία του συστήματος πολύ σημαντικό κομμάτι είναι το «έξυπνο». Το «έξυπνο» κομμάτι του συστήματος αποτελούν οι αλγόριθμοι εκείνοι που επιτρέπουν την λειτουργία του συστήματος. Καταρχάς με τη χρήση εξειδικευμένων αλγορίθμων γίνεται ο διαχωρισμός σημάτων πληροφορίας και σημάτων θορύβου. Έπειτα για να προσδιοριστεί η διεύθυνση του λαμβανομένου η των λαμβανομένων σημάτων χρησιμοποιείται ένας αλγόριθμος DoA (Direction of Arrival). O αλγόριθμος αυτός υπολογίζει τις γωνίες λήψης του σήματος και άρα μπορεί να εξακριβώσει την θέση του χρήστη στο χώρο. Στη συνέχεια στη προσέγγιση προσαρμογής χρησιμοποιείται ένας αλγόριθμος ο οποίος θα διαμορφώσει την ακτινοβολία της συστοιχίας κεραιών. Η διαδικασία αυτή λέγεται beamforming. Σχηματικά το σύστημα πρώτα αναλύει τα λαμβανόμενα σήματα για να εξακριβώσει αν είναι ωφέλιμα ή παρεμβολές. Σχήμα σχέση απόδοσης και πολυπλοκότητας Έπειτα καθορίζει τις γωνίες λήψης και τέλος διαμορφώνει την ακτινοβολία ώστε να έχουμε μέγιστη λήψη στα ωφέλιμα σήματα και απόρριψη στις παρεμβολές. Θα εξετάσουμε το θέμα των έξυπνων κεραιών πιο αναλυτικά σε χωριστό κεφάλαιο. 22

23 Κεφάλαιο 1 Εισαγωγή Οφέλη της Έξυπνης Τεχνολογίας Οι σημερινές τεχνολογίες έχουν σχεδόν μεγιστοποιήσει τη χρήση των χρονικών και φασματικών τεχνικών για τη βελτίωση της χωρητικότητας και της ταχύτητας μεταφοράς δεδομένων. Μια παράμετρος όμως δεν έχει ακόμη αξιοποιηθεί πλήρως, ο χώρος. Στο πρότυπο SDMA (space division multiple access) ένας χρήστης ή μία ομάδα χρηστών ακολουθούνται από μια στενή δέσμη ακτινοβολίας που προσαρμόζεται με την κίνησή τους κατά μήκος του κυττάρου. Το προφανές πλεονέκτημα αυτής της προσέγγισης είναι η εφαρμοσιμότητα της σε οποιαδήποτε τεχνική πολλαπλής πρόσβασης. Οι έξυπνες κεραίες προσφέρουν σημαντικά οφέλη για το σχεδιασμό ασύρματων συστημάτων κινητών επικοινωνιών, τα οποία μπορούν να συνοψιστούν ως ακολούθως: υψηλότερη ευαισθησία λήψης (αυξάνεται η κάλυψη του σταθμού βάσης, χρειάζονται μικρότερες ενεργειακές απαιτήσεις στους χρήστες άρα πιο μικρές και ελαφριές συσκευές και πιο μακρά χρήση της μπαταρίας) λειτουργίες εξάλειψης παρεμβολής στην άνω και την κάτω ζεύξη (uplink, downlink) άμβλυνση του προβλήματος εξασθένισης λόγω πολύδρομης διάδοσης αποδοτικότερη χρήση του φάσματος δημιουργία νέων, οικονομικότερων και καλύτερης ποιότητας υπηρεσιών για το χρήστη 23

24 κεφάλαιο 2 Θεωρία Κεραιών Από τον καιρό του Hertz και του Marconi, οι κεραίες έχουν όλο και μεγαλύτερη σημασία στη κοινωνία μας, ενώ στις μέρες μας είναι απολύτως απαραίτητες. Είναι παντού: στα σπίτια και τους χώρους εργασίας, στα αυτοκίνητα και στα πλοία ακόμα και πάνω μας. Κάθε κινητό τηλέφωνο περιέχει τουλάχιστον τέσσερεις διαφορετικές κεραίες. Σε αυτό το κεφάλαιο θα επιχειρηθεί μια ανάλυση της βασικής θεωρίας των κεραιών. Η ανάλυση αυτή θα χρησιμοποιηθεί ως βάση για τη παρακάτω μελέτη συγκεκριμένων συστοιχιών κεραιών διπολικού τύπου. Αρχικά θα ασχοληθούμε με τη φυσική που διέπει την κεραία, στη συνέχεια θα προχωρήσουμε στην ανάλυση του δίπολου και ειδικά του διπόλου με μήκος λ/2 που θα είναι το βασικό στοιχείο που θα χρησιμοποιηθεί παραπέρα. Τέλος θα καταλήξουμε στη διερεύνηση διαφορετικών τύπων συστοιχιών αλλά και κατανομών ρευμάτων. 2.1 ΣΤΟΙΧΕΙΩΔΕΣ ΔΙΠΟΛΟ Εισαγωγή Το δίπολο Hertz ή βραχύ δίπολο είναι ένας ευθύγραμμος ακτινοβολητής με μήκος L<<λ και κατανομή ρεύματος σταθερή κατά μήκος του δίπολου. Το δίπολο τροφοδοτείται από γραμμή μεταφοράς, η οποία δεν ακτινοβολεί σε μακρινή περιοχή (καθώς τα ρεύματα στους δύο αγωγούς της είναι αντίθετα και 24

25 Κεφάλαιο 2 Θεωρία Κεραιών σε μεγάλες αποστάσεις, τα πεδία που δημιουργούν αλληλοαναιρούνται) και η ακτινοβολία από τις μεταλλικές πλάκες θεωρείται αμελητέα. Σχήμα : το στοιχειώδες δίπολο Το πάχος του αγωγού σε περίπτωση που είναι πολύ μικρότερο από το μήκος του δίπολου (d<<l), θεωρείται επίσης αμελητέο. Σύμφωνα με τα παραπάνω το ισοδύναμο μοντέλο του βραχέως δίπολου αποτελείται από αγωγό μηδενικού πάχους, μήκους L, με σταθερή ρευματική κατανομή I και σημειακά φορτία q, - q στα άκρα του οποίου dq/dt=i. Έστω βραχύ δίπολο τοποθετημένο στο κέντρο του συστήματος συντεταγμένων, με πυκνότητα ρεύματος: ( ) όπου: δ(x),δ(y) = συναρτήσεις Dirac λόγω μηδενικού πάχους του δίπολου Το μαγνητικό πεδίο του δίπολου δίνεται από τη σχέση: ( ( ) όπου ισχύει:, 25

26 Κεφάλαιο 2 Θεωρία Κεραιών για r>>l και k =2π/λ κυματικός αριθμός του μέσου μετάδοσης. Μεταφέροντας στις σφαιρικές συντεταγμένες τη σχέση ( ) προκύπτει: ( ) Το μαγνητικό πεδίο για το κενό προκύπτει: ( ) Το ηλεκτρικό πεδίο για το βραχύ δίπολο προκύπτει: ( ) με n , η κυματική αντίσταση του μέσου διάδοσης Για το κοντινό πεδίο (kr <<λ) οι επικρατούσες συνιστώσες του μαγνητικού και 1 1 του ηλεκτρικού πεδίου είναι αυτές που μεταβάλλονται ανάλογα του και 3 2 r r αντίστοιχα. Συνεπώς το διάνυσμα Poynting προκύπτει: ( ) Για το μακρινό πεδίο (πεδίο Fresnel) (kr>>λ) οι όροι των εξισώσεων ( ), ( ) που είναι ανάλογοι του και του, μπορούν να αγνοηθούν. 2 3 r r Το μακρινό πεδίο ακτινοβολίας έχει ιδιαίτερη σημασία καθώς ο προορισμός των κεραιών είναι να ακτινοβολούν και να λαμβάνουν σε πολύ μεγάλες αποστάσεις. 26

27 Κεφάλαιο 2 Θεωρία Κεραιών Οπότε προκύπτει: ( ) και ( ) Στις αποστάσεις αυτές κάθε τμήμα του σφαιρικού τμήματος αποτελεί ένα επίπεδο κύμα και από τις σχέσεις ( ), ( ), αναμένονται χαρακτηριστικά επίπεδου κύματος. Οι συνιστώσες E, H είναι σε φάση, και ο λόγος τους μας δίνει την αντίσταση του μέσου διάδοσης n. Z w E H n ( ) Το ηλεκτρικό πεδίο είναι κάθετο στο μαγνητικό και τα δύο είναι κάθετα στη διεύθυνση διάδοσης r. Το διάνυσμα Poynting προκύπτει: ( ) Χαρακτηριστικά Ακτινοβολίας Η ένταση ακτινοβολίας του βραχέως δίπολου δίνεται από τη σχέση: nk I L 2 U r Pr ( r, ) sin ( ) 2 32 Από τον παραπάνω τύπο παρατηρούμε ότι το δίπολο εκπέμπει ομοιοκατευθυντικά ως προς φ. Το πολικό διάγραμμα ακτινοβολίας δίνεται στο παρακάτω σχήμα, παρουσιάζει μέγιστο για θ=90º και μηδενισμούς για θ=0º, θ=180º. Η συνολική ισχύς που ακτινοβολεί το δίπολο είναι: L W rad d du ( ) sin 40 I ( ) Η αντίσταση ακτινοβολίας του βραχέως δίπολου υπολογίζεται ως εξής: όπου: R W I L 2 rad 2 rad 80 ( ) I = ενεργός τιμή ρεύματος του δίπολου Hertz 2 27

28 Κεφάλαιο 2 Θεωρία Κεραιών Σχήμα : το διάγραμμα ακτινοβολίας Το κατευθυντικό κέρδος του δίπολου δίνεται από τον παρακάτω τύπο: U ( ) 3 2 D g ( ) 4 sin ( ) W 2 rad Κατευθυντικότητα ονομάζεται η τιμή του κατευθυντικού κέρδους, στην κατεύθυνση μέγιστης ακτινοβολίας, δηλαδή για θ=90º 3 D m 1. 76dB ( ) 2 Η μέγιστη ενεργός επιφάνεια του δίπολου δίνεται από τη σχέση: A em Dm ( ) Γραμμική Κεραία Μεγάλου Μήκους Στις περισσότερες πρακτικές εφαρμογές, οι χρησιμοποιούμενες γραμμικές κεραίες έχουν μήκη συγκρίσιμα με το μήκος κύματος. Αντιθέτως το δίπολο Hertz δεν είναι ευρέως χρησιμοποιούμενο καθώς έχει μικρή αντίσταση ακτινοβολίας με αποτέλεσμα να απαιτεί μεγάλες τιμές ρεύματος τροφοδότησης για να ακτινοβολήσει επαρκώς. Καθώς το ρεύμα στις γραμμικές κεραίες δεν μπορεί να θεωρηθεί σταθερό σε όλο το μήκος τους, για να υπολογίσουμε το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο που παράγουν, θεωρούμε ότι η κεραία αποτελείται από ένα μεγάλο αριθμό δίπολων και εφαρμόζουμε την αρχή της υπέρθεσης. Η αρχή αυτή μπορεί να χρησιμοποιηθεί τόσο για τον υπολογισμό του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου, όσο και για τον υπολογισμό των συναρτήσεων δυναμικού, καθώς τα μεγέθη αυτά είναι ανάλογα του ρεύματος. Αντιθέτως δεν μπορεί να εφαρμοστεί για τον υπολογισμό της ακτινοβολούμενης ισχύος, αντίστασης ακτινοβολίας και ένταση της ακτινοβολίας, καθώς τα μεγέθη αυτά είναι ανάλογα του τετραγώνου της ακτινοβολίας. 28

29 Κεφάλαιο 2 Θεωρία Κεραιών Έστω γραμμική κεραία μεγάλου μήκους η οποία τροφοδοτείται στο κέντρο της, το οποίο ταυτίζεται με την αρχή του συστήματος συντεταγμένων. Η κατανομή ρεύματος κατά μήκος της γραμμικής κεραίας μπορεί να προσεγγιστεί με την ρευματική κατανομή της ανοιχτοκυκλωμένης γραμμής μεταφοράς, δηλαδή η I(z) είναι ημιτονοειδής συνάρτηση του z. Το στάσιμο κύμα για το ρεύμα επιλέγεται έτσι ώστε να παρουσιάζει μηδενισμό στα άκρα του δίπολου και η απόσταση που επιλέγεται μεταξύ ενός μηδενισμού του ρεύματος και του επόμενου μέγιστου, είναι ίση με το ¼ του μήκους κύματος του κενού. Με βάση τα παραπάνω η ρευματική κατανομή δίνεται από: I I( z) I m m sin k sin k 0 0 L z 2 L z 2 z 0 z 0 ( ) Σχήμα : Ρευματική κατανομή γραμμικής κεραίας Το στοιχειώδες ρεύμα I(z)dz επί της γραμμικής κεραίας δημιουργεί στο μακρινό πεδίο, σε απόσταση r από το στοιχειώδες ρεύμα, τις πεδιακές εντάσεις: de dh jnk0i( z) dz e 4r jk0i( z) dz e 4r jk0r jk0r sin sin ( ) Για να υπολογιστεί το πεδίο ακτινοβολίας στο σημείο P, το οποίο βρίσκεται σε απόσταση r από την αρχή των αξόνων και υπό γωνία θ, οι συντεταγμένες r και πρέπει να εκφραστούν συναρτήσει των r, θ. Ο υπολογισμός όμως γίνεται για την μακρινή περιοχή, συνεπώς προσεγγιστικά έχουμε (και μόνο για τους παρονομαστές των παραπάνω σχέσεων που αφορούν τα μέτρα των πεδιακών μεγεθών), r r και θ. Η παραδοχή αυτή δεν ισχύει για τους εκθέτες των 29

30 Κεφάλαιο 2 Θεωρία Κεραιών jk r e j2r 0 παραπάνω σχέσεων που αφορούν τις φάσεις, καθώς που σημαίνει ότι, η τιμή της φάσης δεν εξαρτάται από τη φυσική απόσταση r αλλά r από την ηλεκτρική απόσταση. Στην περίπτωση αυτή χρησιμοποιούμε την μαθηματική απλοποίηση που είναι γνωστή ως προσέγγιση δίπολου. Με εφαρμογή του νόμου των συνημίτονων στο παρακάτω σχήμα, προκύπτει: e ( ) Επειδή η απόσταση r του σημείου παρατήρησης, από την αρχή των αξόνων, είναι πολύ μεγαλύτερη από το μήκος της κεραίας, η σχέση αυτή απλοποιείται ως εξής: z r r 1 cos ( ) r Με βάση όλες τις παραπάνω παραδοχές και τη σχέση: ax ax e e sin bx cdx a sin( bx c) bcos( bx c) ( ) 2 2 a b Tο πεδίο ακτινοβολίας της γραμμικής κεραίας προκύπτει: E nh jni m 2r e jnk jk r 0 4 I k cos k 0 m jk 2 0r L L sin e 0 cos cos 2 k0 r 0 sin 2 cos k 0 L cos cos k 2 sin 0 L 2 2 ( ) Από την παραπάνω σχέση βλέπουμε ότι στο μακρινό πεδίο, το ηλεκτρικό και το μαγνητικό πεδίο είναι κάθετα μεταξύ τους και κάθετα στη διεύθυνση μετάδοσης της ενέργειας. Ακόμη είναι σε φάση και ο λόγος τους ισούται με την αντίσταση κενού χώρου n. Το διάνυσμα Poynting δίνεται από τη σχέση: ( ) Οπότε η ένταση ακτινοβολίας προκύπτει: 30

31 Κεφάλαιο 2 Θεωρία Κεραιών Σχήμα : Ρευματικές κατανομές για γραμμικές κεραίες διαφορετικού μήκους U r 2 L L 2 cos k0 cos cos k0 ni m 2 2 P (, ) r r ( ) 2 8 sin Παρατηρείται αύξηση του αριθμού των λοβών ακτινοβολίας με την αύξηση του μήκους του δίπολου, ενώ για δίπολα μικρότερα του μήκους κύματος, το διάγραμμα ακτινοβολίας έχει την ίδια μορφή με αυτήν του βραχέως δίπολου, με αύξηση της κατευθυντικότητας λόγω της μείωσης του γωνιακού εύρους. Ο συνολική ακτινοβολούμενη ισχύς προκύπτει: 2 31

32 Κεφάλαιο 2 Θεωρία Κεραιών W ( ) 2 L k k 2 ni cos 0 cos cos 2 4 sin 0 L 2 m rad d du ( )sin d Σχήμα : Σχηματισμός πεδιακών γραμμών Για να υπολογίσουμε την αντίσταση ακτινοβολίας χρησιμοποιούμε την μέγιστη τιμή της ρευματικής κατανομής, ανεξάρτητα από το σημείο στο οποίο υφίσταται. L L cosk 0 cos cosk 0 2W rad n 2 2 Rrad d ( ) 2 I 2 sin m 0 2 Το κατευθυντικό κέρδος υπολογίζεται: 32

33 Κεφάλαιο 2 Θεωρία Κεραιών L L cos k0 cos cos k0 2 2 U( ) D ( ) 4 2 sin g ( ) W Q( k L) rad 0 2 όπου: Q 1 L) C ln( k0l) Ci( k0l) sin k0lsi(2k0l) Si( k ) 2 1 k0l cos 0LC ln( ) Ci(2k0L) 2Ci( k0l) 2 2 ( k0 0L k ( ) Η κατευθυντικότητα της κεραίας αυθαίρετου μήκους προκύπτει ως η τιμή του κατευθυντικού κέρδους στην κατεύθυνση μέγιστης ακτινοβολίας, ως εξής: D m L L cosk0 cos cosk sin ( ) Q( k L) 0 2 max 2.2 ΤΟ ΔΙΠΟΛΟ ΜΗΚΟΥΣ λ/2 Δεδομένου ότι στην προσομοίωση θα χρησιμοποιήσουμε στοιχειοκεραία με ακτινοβολητές δίπολα μήκους λ/2 κρίνουμε ότι είναι ιδιαίτερα σημαντικό για την κατανόηση του ζητήματος να αναφερθούμε διεξοδικότερα σε αυτή την κατηγορία. Τα χαρακτηριστικά της διπολικής κεραίας του κεντρικά τροφοδοτούμενου δίπολου L=λ/2, είναι τα εξής: i. Ρευματική κατανομή: I m sin k0z z 0 2 I( z) I I m sin k0z z 0 2 m cos k 0 z (2.2-1) ii. Πεδίο ακτινοβολίας: 33

34 Κεφάλαιο 2 Θεωρία Κεραιών cos cos jnki jk 2 0r E nh m e (2.2-2) 2 r sin iii. Ένταση ακτινοβολίας-διάνυσμα Poynting: (2.2-3) 2 2 cos cos 15I m 2 U ( ) (2.2-4) sin iv. Αντίσταση ακτινοβολίας-ισχύς ακτινοβολίας: W R rad 73, 09Ohms (2.2-5) I m 73. Watt (2.2-6) 2 rad 09 2 v. Κατευθυντικό κέρδος- Κατευθυντικότητα: U ( ) Dg ( ) 4 4 W rad 15I 2 m cos cos 2 sin 2 I m cos cos sin 2 (2.2-7) Η μέγιστη ένταση ακτινοβολίας παρατηρείται για θ=90 και δίνει κατευθυντικότητα Dm=1.64 ή Dm=2,15dB. 2.4 ΣΤΟΙΧΕΙΟΚΕΡΑΙΕΣ Σε πολλές εφαρμογές είναι επιθυμητή η μεγάλη κατευθυντικότητα ή μεγάλο εύρος δέσμης που δεν είναι δυνατό να επιτευχθεί με χρήση απλών κεραιών. Οι απαιτήσεις αυτές αντιμετωπίζονται με το σχηματισμό στοιχειοκεραιών. Οι 34

35 Κεφάλαιο 2 Θεωρία Κεραιών στοιχειοκεραίες είναι διατάξεις που αποτελούνται από πολλούς όμοιους ακτινοβολητές που έχουν τον ίδιο προσανατολισμό και ακτινοβολούν ή λαμβάνουν ταυτόχρονα. Με τη χρήση των στοιχειοκεραιών επιτυγχάνονται βελτιωμένες ιδιότητες σε σχέση με τις αντίστοιχες ενός απλού στοιχείου της. Το πεδίο μιας στοιχειοκεραίας είναι το διανυσματικό άθροισμα των πεδίων των ακτινοβολητών που την αποτελούν. Αυτό βέβαια συμβαίνει με την προϋπόθεση ότι δεν υπάρχει σύζευξη μεταξύ των στοιχείων ακτινοβολίας. Συνεπώς η ρευματική κατανομή κάθε στοιχείου πρέπει να είναι η ίδια με την κατανομή που θα είχε το στοιχείο μόνο του στο χώρο, κάτι που επιτυγχάνεται με τη ρύθμιση της απόστασης μεταξύ των στοιχείων. Οι στοιχειοκεραίες βρίσκουν ευρεία εφαρμογή γιατί παρέχουν τις παρακάτω δυνατότητες : Βελτίωση της κατευθυντικότητας Σύνθεση επιθυμητών διαγραμμάτων ακτινοβολίας Στροφή του διαγράμματος ακτινοβολίας με ηλεκτρονικό τρόπο Επιπρόσθετα οι στοιχειοκεραίες διακρίνονται σε δύο μεγάλες κατηγορίες, τις χωρικά ομοιόμορφες και τις χωρικά ανομοιόμορφες. Στις περισσότερες πρακτικές εφαρμογές χρησιμοποιούνται χωρικά ομοιόμορφες στοιχειοκεραίες επειδή για αυτές υπάρχει πλήθος μεθόδων ανάλυσης και σύνθεσης. Από την άλλη πρέπει να αναφερθεί ότι οι χωρικά ανομοιόμορφες στοιχειοκεραίες παρέχουν στο σχεδιαστή περισσότερους βαθμούς ελευθερίας αν και είναι σαφώς δυσκολότερη η θεωρητική ανάλυση τους. Οι παράγοντες που επηρεάζουν τη μορφή του διαγράμματος ακτινοβολίας μιας στοιχειοκεραίας είναι οι εξής: Η γεωμετρία της στοιχειοκεραίας (γραμμική, κυκλική, επίπεδη κ. λ. π) Η σχετική απόσταση μεταξύ των στοιχείων Το πλάτος της ρευματικής διέγερσης για κάθε στοιχείο Η φάση της ρευματικής διέγερσης για κάθε στοιχείο Η συχνότητα λειτουργίας Το πλήθος των στοιχείων της κεραίας Στοιχειοκεραία Δυο Στοιχείων Η πιο απλή περίπτωση στοιχειοκεραίας είναι αυτή των δύο στοιχείων, τα κέντρα διέγερσης των οποίων βρίσκονται στον ίδιο άξονα (στο παρακάτω σχήμα, άξονας z). Σχήμα : Στοιχειοκεραία 2 στοιχείων 35

36 Κεφάλαιο 2 Θεωρία Κεραιών Το συνολικό πεδίο που δημιουργούν τα δύο στοιχεία, εφόσον δεν υπάρχει σύζευξη μεταξύ τους προκύπτει με υπέρθεση των πεδίων τους. exp jkr1 exp jkr2 kil 2 2 E( r) E1( r) E2 ( r) jn sin ˆ 1 1 sin ˆ r1 r2 όπου: δ = η διαφορά φάσης της τροφοδότησης των δύο δίπολων, L = το μήκος των δίπολων n = η κυματική αντίσταση k = 2π /λ, ο κυματικός αριθμός του μέσου διάδοσης Για τον προσδιορισμό του μακρινού πεδίου της διάταξης θεωρούμε ότι: i. δεν υπάρχει σύζευξη μεταξύ των δύο δίπολων (λόγω απόστασης) ii. δηλαδή: ισχύουν οι παρακάτω παραδοχές για τη μακρινή περιοχή των κεραιών για τις μεταβολές του μέτρου των μεγεθών του πεδίου: 1= 2, ˆ 1 = ˆ 2 r 1= r 2 για τις αντίστοιχες μεταβολές της φάσης: 1 1 r 1 = r d cos r 2 = r d cos 2 2 οπότε, η παραπάνω σχέση γίνεται: kil exp jkr kdcos E ( r) jn sin ˆ 2cos ( ) 4 r 2 Βλέπουμε ότι το συνολικό πεδίο της στοιχειοκεραίας ισούται με το πεδίο του ενός από τα δύο στοιχεία πολλαπλασιαζόμενο με ένα παράγοντα, ο οποίος ονομάζεται παράγοντας διάταξης (AF), περιγράφει τη γεωμετρία της διάταξης των δύο στοιχείων και λαμβάνει υπόψη του την διαφορά φάσης των ρευμάτων τροφοδότησης. kdcos AF 2cos ( ) 2 36

37 Κεφάλαιο 2 Θεωρία Κεραιών Σχήμα : Διάγραμμα ακτινοβολίας διπόλου, παράγων στοιχειοσειράς και ολικό διάγραμμα Σχήμα : Διάγραμμα ακτινοβολίας διπόλου, παράγων στοιχειοσειράς και ολικό διάγραμμα για δ=90 ο 37

38 2.4.2 Στοιχειοκεραία Πολλών Στοιχείων Κεφάλαιο 2 Θεωρία Κεραιών Με βάση όσα αναφέραμε στην προηγούμενη ενότητα μπορούμε να επεκτείνουμε τη παραπάνω μελέτη σε στοιχειοκεραίες N στοιχείων. Θεωρούμε ότι όλα τα στοιχεία της κεραίας έχουν τον ίδιο προσανατολισμό και εκπέμπουν ή λαμβάνουν ταυτόχρονα, ενώ το ρεύμα τροφοδοσίας κάθε στοιχείου μπορεί να διαφέρει κατά μέτρο ή και φάση. Οι κεραίες αυτές χωρίζονται σε δύο κατηγορίες, τις χωρικά ομοιόμορφες και τις χωρικά ανομοιόμορφες Αν I 0 είναι ο φασιθέτης του ρεύματος διέγερσης του στοιχείου της στοιχειοκεραίας που θεωρείται ως στοιχείο αναφοράς, το ρεύμα διέγερσης οποιουδήποτε άλλου στοιχείου μπορεί να εκφραστεί ως εξής: I m cmi 0 όπου m 1,2,..., N 1 ( ) Σχήμα : Διάταξη πολλών ακτινοβολητών ή αλλιώς: c m I m ( ) I 0 όπου: c = ρευματικός συντελεστής του στοιχείου m m N = το πλήθος των στοιχείων της κεραίας. Λαμβάνοντας υπόψη τις παραδοχές για τη μακρινή περιοχή των κεραιών, η ένταση ακτινοβολίας της στοιχειοκεραίας δίνεται από τον τύπο: όπου,, U, S 2 U ( ) 0, U, = η ένταση ακτινοβολίας της κεραίας S, = ο παράγοντας διάταξης της κεραίας Ο παράγοντας διάταξης μπορεί να υπολογιστεί συναρτήσει των συντεταγμένων θέσης των στοιχείων ακτινοβολίας. 38

39 Κεφάλαιο 2 Θεωρία Κεραιών Σχήμα : Γενική γεωμετρία στοιχειοκεραίας πολλών στοιχείων Mε βάση το σχήμα ο παράγοντας διάταξης υπολογίζεται: N 1, exp cos S c m jkr m m, ( ) m0 cos cos cos sin sin cos( ) ( ) m m όπου: k = κυματικός αριθμός του μέσου διάδοσης = η γωνία που σχηματίζει η κεραία με τον z m m = η γωνία που σχηματίζει το σημείο παρατήρησης με τον z = η γωνία που σχηματίζει το σημείο παρατήρησης με τον x m = η γωνία που σχηματίζει η κεραία με τον x Από τα παραπάνω βλέπουμε ότι ο παράγοντας διάταξης εξαρτάται από τη συχνότητα λειτουργίας, τη γεωμετρική διάταξη, το πλήθος και τη σχετική διέγερση των στοιχείων. Ο παράγοντας διάταξης δεν εξαρτάται από το είδος των ακτινοβολητών που την αποτελούν και προσδιορίζεται αντικαθιστώντας τα στοιχεία ακτινοβολίας με ισοτροπικούς ακτινοβολητές, τοποθετημένους στα κέντρα διέγερσης τους. Επίσης, το μέτρο του παράγοντα διάταξης που αφορά τη μακρινή περιοχή, είναι ανεξάρτητο από την εκλογή του κέντρου των συντεταγμένων. Σε στοιχειοκεραίες με ορισμένο πλήθος στοιχείων, συγκεκριμένη γεωμετρική διάταξη και διέγερση, ο παράγοντας διάταξης έχει μοναδικό μέτρο το οποίο m 39

40 Κεφάλαιο 2 Θεωρία Κεραιών αποτελεί συνάρτηση της συχνότητας ανεξάρτητα από την επιλογή του κέντρου συντεταγμένων, η επιλογή του οποίου γίνεται με στόχο την ευκολία προσδιορισμού του και είναι συνήθως το γεωμετρικό κέντρο της κεραίας. Το κατευθυντικό κέρδος της κεραίας δίνεται από τη σχέση:, S,, S, U 0, 4 ( ) U d D g 2 0 ενώ το γεωμετρικό κατευθυντικό κέρδος από τη παρακάτω σχέση και εκφράζει το βαθμό στον οποίο επηρεάζει ο παράγοντας διάταξης την κατευθυντικότητα. S,, 4 ( ) S, d D s Χωρικά Ομοιόμορφες Γραμμικές Στοιχειοκεραίες Οι χωρικά ομοιόμορφες κεραίες χρησιμοποιούνται συχνά καθώς για αυτές, εξαιτίας της γεωμετρίας τους υπάρχει πλήθος μεθόδων ανάλυσης. Μία κατηγορία των κεραιών αυτών είναι και οι γραμμικές στοιχειοκεραίες οι οποίες παρουσιάζουν ιδιαίτερο πρακτικό ενδιαφέρον. Θεωρούμε ως κέντρο της στοιχειοκεραίας το κέντρο του στοιχείου m=0 και σημείο παρατήρησης το P με θέση (r,θ,φ) στο σφαιρικό σύστημα συντεταγμένων. Ως κέντρο του συστήματος συντεταγμένων θεωρούμε το κέντρο της στοιχειοκεραίας. Ο παράγοντας διάταξης θα δίνεται από τη σχέση: S( ) c0 c1 exp( jkdcos )... c 1 exp( j( N 1) kdcos ) ( ) όπου: d = απόσταση μεταξύ δύο διαδοχικών στοιχείων (βήμα της γραμμικής στοιχειοκεραίας) γ = = η γωνία που σχηματίζει το σημείο παρατήρησης με τον άξονα της m κεραίας c = οι ρευματικοί συντελεστές των στοιχείων της διάταξης i Όταν η διαφορά φάσης του ρεύματος τροφοδότησης δύο διαδοχικών στοιχείων είναι σταθερή τότε: cm am exp( jm ) m=0,1, N-1 αν όπου a m θετικός πραγματικός τότε: N 1 m0 S( ) a exp jm kdcos ( ) m 40

41 Κεφάλαιο 2 Θεωρία Κεραιών θέτοντας ψ = kd cos έχουμε: AF N 1 m0 S( ) a m exp jm ( ) Από τον παραπάνω τύπο παρατηρούμε ότι ο παράγοντας μπορεί να εκφραστεί ως περιοδική συνάρτηση της μεταβλητής ψ με περίοδο 2π. Η συνάρτηση S( ) μπορεί να υπολογιστεί είτε αριθμητικά είτε γραφικά και στη συνέχεια προσδιορίζεται συνήθως γραφικά η πολική μορφή του παράγοντα διάταξης ως προς τη γωνία κλίσης γ. Το πολικό διάταγμα S( ) είναι συμμετρικό περί τον άξονα της στοιχειοκεραίας. Το ψ παίρνει τιμές στο διάστημα [δ- kd, δ+ kd]. Το διάστημα αυτό των τιμών του ψ αντιστοιχεί σε πραγματικές τιμές της γωνίας κλίσης γ και ονομάζεται ορατή περιοχή του ψ, το εύρος της οποίας καθορίζεται από το ηλεκτρικό βήμα kd (χαρακτηριστικό της στοιχειοκεραίας), ενώ η θέση της από τη διαφορά φάσης δ. Οι τιμές του S ( ) που βρίσκονται εκτός ορατής περιοχής δεν επηρεάζουν τον παράγοντα διάταξης S ( ). Οι ομοιόμορφες στοιχειοκεραίες αποτελούν μία διάταξη όμοιων ακτινοβολητών με ρευματική διέγερση ίδιου πλάτους και φάση προοδευτικά αυξανόμενη. Εάν τα στοιχεία δεν είναι ισοτροπικές πηγές το συνολικό πεδίο προκύπτει από πολλαπλασιασμό του παράγοντα διάταξης ισοτροπικών πηγών με το πεδίο ενός και μόνο στοιχείου. Ο παράγοντας διάταξης δίνεται από τη σχέση: N 1 n0 AF I O e jn ( ) όπου: kd cos δ = η διαφορά φάσης της ρευματικής διέγερσης από το προηγούμενο στοιχείο I = το πλάτος του ρεύματος διέγερσης O Από τον παραπάνω τύπο παρατηρούμε ότι ο παράγοντας διάταξης μπορεί να παρασταθεί σαν το διανυσματικό άθροισμα Ν φασιθετών ο κάθε ένας εκ των οποίων έχει πλάτος Ιο και διαφορά φάσης ψ από τον προηγούμενο. j Αν πολλαπλασιάσουμε και τα δύο μέρη της σχέσης με e προκύπτει: AF Io e j ( N 1) 2 N sin 2 sin 2 και σε κανονικοποιημένη μορφή: N sin 2 AF S( ) IoΝ ( ) sin 2 41

42 Κεφάλαιο 2 Θεωρία Κεραιών AF IoN S( ) IoN N sin 2 sin 2 ( ) Από την παραπάνω σχέση μπορούμε να σχεδιάσουμε το κανονικοποιημένο S ( ) πολικό διάγραμμα από το οποίο εξάγουμε τα παρακάτω ποιοτικά IoN συμπεράσματα που εκτείνονται και σε άλλες περιπτώσεις χωρικά ομοιόμορφων γραμμικών στοιχειοκεραιών: Το πλήθος των πλευρικών λοβών αυξάνει όσο αυξάνεται και η παράμετρος kd. Για τιμές του kd μεγαλύτερες του π είναι δυνατόν να υπάρχουν περισσότεροι του ενός κύριοι λοβοί Το πλήθος των πλευρικών λοβών αυξάνει με την αύξηση του αριθμού των στοιχείων Ν Η κλίση του κύριου λοβού ως προς τον άξονα της στοιχειοκεραίας εξαρτάται από την τιμή της παραμέτρου δ Οι γωνίες μηδενισμού του καρτεσιανού διαγράμματος ομοιόμορφης γραμμικής στοιχειοκεραίας προκύπτουν από τους μηδενισμούς του αριθμητή της σχέσης ( ) που δεν αποτελούν και μηδενισμούς του παρονομαστή της, δηλαδή : N n 2 όπου n, n qn, q Z ( ) Από τα παραπάνω οι γωνίες μηδενισμού του πολικού διαγράμματος προκύπτουν από την εξίσωση: 1 2 cos n ( n) όπου n, n qn, q Z ( ) kd 1 2 Επειδή 1 cos n 1 1 ( n) 1 kd Εφόσον η τιμή ψ=0 περιλαμβάνεται στην ορατή περιοχή, η γωνία κλίσης του κύριου λοβού που αντιστοιχεί στην τιμή ψ=0, δίνεται από την σχέση: kd 1 cos ( ) Εφόσον η ορατή περιοχή είναι μεγαλύτερη από 2π είναι δυνατόν να υπάρχουνε και άλλοι κύριοι λοβοί με κλίσεις που δίνονται από τη σχέση 1 nq cos 1 2q kd όπου q=1, 2, ( ) 42

43 Κεφάλαιο 2 Θεωρία Κεραιών Οι γωνίες αυτές αντιστοιχούνε σε τιμές του ψ=2πq, όπου q=1, 2, Συνήθως όμως οι ορατή περιοχή είναι μικρότερη του 2π (kd<π) οπότε δεν υπάρχουν περισσότεροι του ενός κύριοι λοβοί στο πολικό διάγραμμα του S ( ). Οι γωνίες που αντιστοιχούν σε πτώση 3db από το μέγιστο του πολικού διαγράμματος, αντιστοιχούν σε τιμές του ψ, που ικανοποιούν την παρακάτω εξίσωση: N sin 2 sin ( ) Οι γωνίες 3db προκύπτουν από τη λύση της εξίσωσης: όπου: = λύσεις της εξίσωσης ( ). 3db 1 cos( 3db) ( 3db), ( ) kd Το γωνιακό εύρος του κύριου λοβού Δο που ορίζεται από τις εκατέρωθεν αυτού γωνίες μηδενισμού, καθώς και το εύρος 3db του κύριου λοβού Δ3db που ορίζεται από τις εκατέρωθεν γωνίες 3db, αποτελούν καθοριστικούς παράγοντες για την κατευθυντικότητα της ομοιόμορφης γραμμικής στοιχειοκεραίας. 0 1 ( ) 1 cos cos kd kd db cos 3db cos 3db ( ) kd kd υπό την προϋπόθεση ότι το διάστημα [-2π/Ν, 2π/Ν] και οι λύσεις περιλαμβάνονται στη ορατή περιοχή. 3db Χωρικά Ομοιόμορφες Γραμμικές Στοιχειοκεραίες Με Μη Ομοιόμορφο Πλάτος Στις προηγούμενες παραγράφους του κεφαλαίου αυτού αναλύθηκε η θεωρία ευθύγραμμων στοιχειοσειρών με ομοιόμορφες αποστάσεις, ομοιόμορφο πλάτος και μια βαθμιαία ολίσθηση φάσης μεταξύ των στοιχείων. Στην τρέχουσα παράγραφο θα εξεταστούν στοιχειοσειρές με ομοιόμορφη απόσταση αλλά μη ομοιόμορφη κατανομή πλάτους μεταξύ των στοιχείων. Συγκεκριμένα θα εξετάσουμε τις διωνυμικές στοιχειοσειρές πλευρικής εκπομπής. 43

44 Κεφάλαιο 2 Θεωρία Κεραιών Συγκριτικά, η κατανομή ομοιόμορφου πλάτους δίνει μικρότερο εύρος δέσμης μισής ισχύος. Αντιθέτως οι διωνυμικές στοιχειοσειρές έχουν μικρότερους πλευρικούς λοβούς. Στην πραγματικότητα, οι διωνυμικές στοιχειοσειρές όπου η απόσταση μεταξύ των στοιχείων είναι ίση η μικρότερη από λ/2, δεν έχουν καθόλου πλευρικούς λοβούς. Τέλος, οι ομοιόμορφες κατανομές συνήθως έχουν τη μεγαλύτερη κατευθυντικότητα. Μια στοιχειοσειρά αρτίου αριθμού ισοτροπικών στοιχείων, 2Μ (όπου Μ ακέραιος), τοποθετείται συμμετρικά κατά μήκος του άξονα z. Η απόσταση μεταξύ των στοιχείων είναι d, και σε κάθε πλευρά από την αρχή των συντεταγμένων τοποθετούνται Μ στοιχεία. Υποθέτοντας ότι η διέγερση πλάτους είναι συμμετρική ως προς την αρχή των συντεταγμένων, ο παράγων στοιχειοσειράς πλευρικής εκπομπής, με μη ομοιόμορφο πλάτος, θα είναι (AF) 2M = α 1e +j(1/2)kdcosθ + α 2e +j(3/2)kdcosθ + +α Me +j[(2m-1)/2]kdcosθ + α 1e -j(1/2)kdocosθ + +α 2e -j(3/2)kdcosθ + + α Me -j[(2m-1)/2]kdcosθ ( ) (AF) 2M = 2 Όπου τα α n είναι οι συντελεστές διέγερσης των στοιχείων. Με τον ίδιο τρόπο υπολογίζεται ο παράγων στοιχειοσειράς για περιττό αριθμό στοιχείων 2Μ+1 και τελικά καταλήγουμε στις κανονικοποιημένες Σχήμα : Παράγοντας στοιχειοσειράς για 10 στοιχεία με διωνυμική κατανομή για διαφορετικές αποστάσεις μεταξύ των στοιχείων 44

45 Κεφάλαιο 2 Θεωρία Κεραιών AF) 2M = για άρτιο (AF) 2M+1 = για περιττό ( ) Στη συνέχεια θα υπολογίσουμε τις τιμές των συντελεστών διέγερσης για τη διωνυμική στοιχειοσειρά. Για τον υπολογισμό αυτό θα χρησιμοποιήσουμε το διωνυμικό ανάπτυγμα. (1+x) m-1 = 1 + (m-1)x + x 2 + x 3 + ( ) Με βάση τα παραπάνω διαμορφώνεται για διαφορετικές τιμές του m το τρίγωνο του Pascal από τις θετικές τιμές του αναπτύγματος. Σχήμα : το τρίγωνο Pascal Αν οι τιμές του m αντιπροσωπεύουν τον αριθμό των στοιχείων της στοιχειοσειράς, τότε οι συντελεστές του αναπτύγματος αντιπροσωπεύουν τα σχετικά πλάτη των στοιχειών. Επειδή οι συντελεστές προσδιορίζονται από ένα διωνυμικό ανάπτυγμα σειράς, η στοιχειοσειρά είναι γνωστή ως διωνυμική. 2.5 ΣΤΟΙΧΕΙΟΚΕΡΑΙΕΣ ΔΙΣΔΙΑΣΤΑΤΩΝ ΚΑΤΑΝΟΜΩΝ Σε αυτή την ενότητα θα αναφερθούμε σε δύο είδη δισδιάστατων κατανομών, την ορθογώνια και την κυκλική. Η μελέτη των δύο αυτών κατανομών κρίνεται απαραίτητη καθώς σε αυτές τις δύο θα σταθούμε ιδιαίτερα στις μετέπειτα προσομοιώσεις Ορθογώνιες Στοιχειοκεραίες Εκτός από την τοποθέτηση τους κατά μήκος μιας ευθείας γραμμής, τα στοιχειά μπορούν να τοποθετηθούν και σε ένα ορθογώνιο πλέγμα, οπότε σχηματίζεται μια ορθογώνια στοιχειοσειρά. Αυτού του είδους οι στοιχειοκεραίες προσφέρουν συμμετρικότερα διαγράμματα με μικρότερους πλευρικούς λοβούς. Ένα πολύ σημαντικό πλεονέκτημα αυτής της γεωμετρίας είναι ότι με κατάλληλη παραμετροποίηση μπορούμε να έχουμε σάρωση της κύριας δέσμης σε οποιοδήποτε σημείο του χώρου. 45

46 Κεφάλαιο 2 Θεωρία Κεραιών Αν αρχικά τοποθετηθούν Μ στοιχεία κατά μήκος του άξονα χ, ο παράγοντας στοιχειοσειράς αυτής θα είναι AF= m1 e j(m-1)(kdxsinθcosφ + δχ) ( ) Σχήμα : γεωμετρίες γραμμικής και ορθογώνιας στοιχειοσειράς. Όπου Ι m1 είναι ο συντελεστής διέγερσης κάθε στοιχείου. Η απόσταση και η βαθμιαία ολίσθηση φάσης μεταξύ των στοιχείων κατά μήκος του άξονα χ, συμβολίζονται με dχ και βx. Αν τώρα Ν τέτοιες στοιχειοσειρές τοποθετηθούν κατά y σε απόσταση dy η μια με την άλλη και με βαθμιαία ολίσθηση φάσης βy σχηματίζεται μια ορθογώνια στοιχειοσειρά που φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. 46

47 Κεφάλαιο 2 Θεωρία Κεραιών Ο παράγοντας στοιχειοσειράς της ορθογώνιας γεωμετρίας θα είναι: AF= 1n [ m1 e j(m-1)(k dx sinθ cosφ + δχ) ] e j(n-1)(k dy sinθ cosφ + δy) ( ) Να σημειώσουμε ότι όταν η κατανομή των ρευμάτων είναι ομοιόμορφη, δηλαδή οι συντελεστές διέγερσης πλάτος Ι mn=ιο, τότε η εξίσωση γίνεται AF= o [ j(m-1)(k dx sinθ cosφ + δχ) ] e j(n-1)(k dy sinθ cosφ + δy) ( ) Όταν η απόσταση μεταξύ των στοιχείων είναι ίση η μεγαλύτερη του λ/2 μπορούν να σχηματιστούν πολλαπλά μέγιστα ίσου μεγέθους. Το πρωτεύον μέγιστο λέγεται μέγιστος λοβός και οι υπόλοιποι διχτυωτοί λοβοί (granting lobes). Για τον σχηματισμό ή την αποφυγή σχηματισμού διχτυωτών λοβών σε μια ορθογώνια στοιχειοσειρά, πρέπει να πληρούνται οι ίδιες αρχές όπως και στην ευθύγραμμη στοιχειοσειρά. Για να αποφευχθεί η δημιουργία των λοβών πρέπει οι αποστάσεις μεταξύ των στοιχείων να είναι μικρότερες από λ/2. Για να σχηματίσουμε ένα κύριο λοβό κατά θ 0 και φ 0 πρέπει η βαθμιαία ολίσθηση φάσης μεταξύ των στοιχείων να είναι δx = -k dx sin θ 0 cos φ 0 και δy = -k dy sin θ 0 cos φ 0 ( ) Κυκλικές Στοιχειοκεραίες Υπολογισμός παράγοντα στοιχειοσειράς H ένταση ακτινοβολίας U(θ,φ) της στοιχειοκεραίας, όσον αφορά το μακρινό πεδίο, εξαρτάται από την ένταση ακτινοβολίας του κάθε ακτινοβολητή (διπόλου) U 0(θ,φ) και από τον παράγοντα διάταξης S(θ,φ) και δίνεται όπως είδαμε και παραπάνω, από τη σχέση που ισχύει για στοιχειοκεραία οποιασδήποτε διάταξης: 2 0 (, ) AF(, ) U (, ) U Επειδή η ένταση ακτινοβολίας του διπόλου είναι ανεξάρτητη από το φ λόγω κυλινδρικής συμμετρίας, η ένταση ακτινοβολίας της στοιχειοκεραίας, για συγκεκριμένο θ, θα εξαρτάται από το φ σύμφωνα με τον κανόνα που καθορίζει ο παράγοντας διάταξης. Για να βρούμε τον παράγοντα διάταξης της στοιχειοκεραίας των Ν στοιχείων ομοιόμορφα τοποθετημένων στην περιφέρεια ενός κύκλου ακτίνας α στο επίπεδο x-y, θεωρούμε ότι έχουμε ισοτροπικούς ακτινοβολητές. Για διευκόλυνση της ανάλυσης θεωρούμε το παρακάτω σχήμα: To πεδίο που παράγεται από τη διάταξη στο σημείο παρατήρησης (r,θ,φ) θα έχει τη μορφή : jkrn e E( r,, ) n ( ) R n1 n 47

48 Κεφάλαιο 2 Θεωρία Κεραιών όπου R n είναι η απόσταση από το n οστό στοιχείο έως το σημείο παρατήρησης, Ι n είναι οι ρευματικοί συντελεστές, εν γένει μιγαδικοί, και k=2π/λ ο κυματάριθμος με λ το μήκος κύματος στον ελεύθερο χώρο. Σύμφωνα με το θεώρημα των συνημίτονων θα ισχύει: R n=(r 2 + α 2 2αr cosψ n) 1/2 r- α cosψ n ( ) Η τελευταία προσέγγιση ισχύει για σημεία παρατήρησης πολύ μακριά από την περιοχή της στοιχειοκεραίας. Επιπλέον έχουμε ότι: cos n ( ) ( a r x cos a n y sin ) ( sin cos sin sin cos ) sin cos( ) n όπου φ n=2π(n/n) είναι η γωνιακή θέση κάθε στοιχείου στην περιφέρεια του κύκλου. Έτσι έχουμε: R n= r-α sinθ cos(φ-φ n) ( ) y z n Σχήμα : Κυκλική στοιχειοκεραία με ομοιόμορφα κατανεμημένα στοιχεία και τότε η ( ) με τη βοήθεια της ( ) γίνεται: e e E r e S ( ) jkr N jkr jkasin cos( n ) (,. ) n (, ) r n1 r 48

49 Κεφάλαιο 2 Θεωρία Κεραιών όπου: N jka sin cos( ) I n e ( ) n AF(, ) n1 πρόκειται για το ζητούμενο παράγοντα διάταξης. Υπενθυμίζουμε ότι ο παράγοντας διάταξης είναι ανεξάρτητος από το είδος των κεραιών που αποτελούν τη στοιχειοκεραία. Όπως φαίνεται από την τελευταία σχέση ( ), για να υπολογίσουμε τον παράγοντα διάταξης πρέπει να γνωρίζουμε τα ρεύματα κατά μήκος των διπόλων. Η κατανομή ρεύματος Ι(z) επί του μήκους της κεραίας, συνολικού μήκους L, προσεγγίζεται με τη ρευματική κατανομή της ανοιχτοκυκλωμένης γραμμής μεταφοράς, δηλαδή η συνάρτηση Ι(z) είναι ημιτονοειδούς μορφής ως προς z. Συνολικά το ρεύμα έχει κατά προσέγγιση τη μορφή στάσιμου κύματος πάνω στο δίπολο, και θα πρέπει να μηδενίζεται στα άκρα του διπόλου, στα σημεία L/2. L Δηλαδή το ρεύμα θα έχει τη μορφή I( z, t) I m sin k( z) cos( ) 2 t για το L πάνω μισό της κεραίας (z>0) και I( z, t) I m sin k( z) cos( ) 2 t για το κάτω μισό της κεραίας (z<0). Τα ρεύματα αυτά, δηλαδή το πλάτος και τη φάση φ, δεν μπορούμε να τα επιβάλλουμε στα δίπολα με κάποιο τρόπο. Η αντίσταση εισόδου είναι αυτή που καθορίζει τη ρευματική κατανομή πάνω στο δίπολο. Η αντίσταση εισόδου περιλαμβάνει γενικά δύο όρους : α) την ιδία αντίσταση που μπορεί να μετρηθεί στο σημείο τροφοδότησης της κεραίας που ακτινοβολεί (ή λαμβάνει) στον ελεύθερο χώρο και β) την αμοιβαία αντίσταση που αναφέρεται στην περίπτωση που στην κεραία επάγονται τάσεις ως αποτέλεσμα της ακτινοβολίας που εκπέμπουν τυχόν αντικείμενα του περιβάλλοντος χώρου. Τα αντικείμενα αυτά μπορεί να είναι άλλες κεραίες ή αντικείμενα που ανακλούν και σκεδάζουν ηλεκτρομαγνητική ενέργεια. 49

50 κεφάλαιο 3 Θεωρία Κινητής Τηλεφωνίας Σε αυτό το κεφάλαιο θα πραγματοποιήσουμε μια σύντομη ανασκόπηση της θεωρίας γύρω από την λειτουργία των σύγχρονων δικτύων κινητής τηλεφωνίας. Όπως αναφέρθηκε στο κεφάλαιο 1, η τεχνολογία των έξυπνων κεραιών αποσκοπεί να συμπληρώσει την ήδη υπάρχουσα δομή των κινητών τηλεπικοινωνιών. 3.1 ΑΡΧΕΣ ΚΥΨΕΛΩΤΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ Τα συστήματα κινητών επικοινωνιών έχουν σαν στόχο την παροχή υπηρεσιών σε κινητά τερματικά (κινητός σταθμός - ms) τα οποία εμφανίζουν μεγάλη διασπορά σε αστικές, ημιαστικές και αγροτικές περιοχές. Η μεγαλύτερη απαίτηση για αυτά τα συστήματα είναι η εξυπηρέτηση των τερματικών τα οποία κινούνται με υψηλές ταχύτητες. Ο κινητός σταθμός (Mobile Station-MS ή User Equipment-UE) επικοινωνεί με το σταθμό βάσης (Base Transceiver Station-BTS ή Base Station-BS) χρησιμοποιώντας τους διαθέσιμους ραδιοδιαύλους και την αντίστοιχη ραδιοεπαφή. Οι σταθμοί βάσης είναι οι σταθεροί σταθμοί του δικτύου που χρησιμοποιούνται για την επικοινωνία με τους κινητούς σταθμούς. Ένας BTS είναι εγκατεστημένος είτε στο κέντρο είτε στα όρια μιας περιοχής κάλυψης και αποτελείται από τις κεραίες εκπομπής και λήψης, καθώς και από τους αντίστοιχους πομποδέκτες. Κάθε BTS συνδέεται με το δίκτυο κορμού (backbone network) του παροχέα μέσω ενός ελεγκτή που καλείται BSC (Base Station Controller). Πολλοί BSC συνδέονται σε ένα κέντρο μεταγωγής (Mobile Switching Centre-MSC) που διαχειρίζεται και δρομολογεί τις κλήσεις σε μια 50

51 Κεφάλαιο 3 Θεωρία Κινητής Τηλεφωνίας μεγάλη περιοχή εξυπηρέτησης. Συνήθως ένα από τα MSC αναλαμβάνει και την διασύνδεση του δικτύου κινητών επικοινωνιών (Public Land Mobile Network- PLMN) με το σταθερό δίκτυο επικοινωνιών (Public Subscriber Telephone Network-PSTN) και ονομάζεται GMSC (Gateway Mobile Switching Centre). Η βασική ιδέα των κυψελωτών συστημάτων είναι ο περιορισμός της εκπεμπόμενης ισχύος από τους σταθμούς βάσης ώστε να περιοριστεί η έκταση της κάλυψης σε μια μικρή γεωγραφική περιοχή που καλείται κυψέλη (cell), και η επαναχρησιμοποίηση των ραδιοδιαύλων του BTS από ένα διαφορετικό BTS το οποίο βρίσκεται σε κάποια προκαθορισμένη απόσταση. Αν κατά τη μετάβαση του MS από μια κυψέλη σε μια άλλη υπάρχει κλήση σε εξέλιξη τότε το δίκτυο συνήθως φροντίζει για τη συνέχιση της κλήσης χωρίς διακοπή συνδέοντας το MS στο νέο BTS. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται μεταπομπή ή διαπομπή (handoff ή handover) και μπορεί να συμβεί ακόμα και μέσα στην ίδια κυψέλη μεταφέροντας την κλήση σε ραδιοδίαυλο ο οποίος παρουσιάζει καλύτερα ποιοτικά χαρακτηριστικά σε σχέση με τον εξυπηρετούντα δίαυλο. Οι δύο βασικές λειτουργίες ενός κυψελωτού συστήματος είναι οι εξής: Πρέπει να εντοπίζει και να παρακολουθεί τους κινητούς σταθμούς βάσης. Πρέπει πάντα να προσπαθεί να συνδέσει τους κινητούς σταθμούς στους βέλτιστους διαθέσιμους σταθμούς βάσης. 3.2 Τεχνικές Πολλαπλής Πρόσβασης Ένα σημαντικό ζήτημα το οποίο έχει άμεση σχέση με την χωρητικότητα των συστημάτων κινητών επικοινωνιών, δεδομένου ότι το διατιθέμενο φάσμα είναι περιορισμένο, είναι η αποτελεσματική χρησιμοποίησή του. Η κατανομή του εύρους ζώνης με απόδοση αποκλειστικών διαύλων καλείται πολλαπλή πρόσβαση. Η πολλαπλή πρόσβαση παρέχει τα μέσα για την αποτελεσματική χρησιμοποίηση των ασύρματων πόρων που αντιστοιχούν σε κάθε κυψέλη και επιτρέπει την εξυπηρέτηση μεγάλου αριθμού κλήσεων. Μια καλή τεχνική μπορεί να βελτιώσει τη χωρητικότητα του συστήματος, να ελαττώσει το κόστος, και να κάνει τις υπηρεσίες περισσότερο ελκυστικές στους χρήστες. Μιλώντας γενικά υπάρχουν τρεις λέξεις κλειδιά στη σχεδίαση της πολλαπλής πρόσβασης των συστημάτων κινητών τηλεπικοινωνιών: ευελιξία, ποιότητα και χωρητικότητα. Η ευελιξία αναφέρεται στη δυνατότητα εξυπηρέτησης ολοκληρωμένης κίνησης φωνής, δεδομένων και βίντεο και στη δυνατότητα αντιμετώπισης της περιαγωγής του τερματικού. Ποιότητα σημαίνει ικανοποίηση των απαιτήσεων υπηρεσίας όπως πχ είναι οι περιορισμοί καθυστέρησης και απώλειας πακέτων. Χωρητικότητα σημαίνει ότι ο αριθμός των χρηστών που εξυπηρετούνται θα πρέπει να μεγιστοποιηθεί για το εύρος ζώνης συχνοτήτων που διατίθεται. Οι τρεις αυτοί στόχοι είναι δύσκολο να πραγματοποιηθούν στα συστήματα κινητών επικοινωνιών λόγω του περιορισμένου εύρους ζώνης συχνοτήτων και της ύπαρξης του ασύρματου μέρους των συστημάτων αυτών. Οι κυριότερες τεχνικές πολλαπλής πρόσβασης τις οποίες θα αναλύσουμε περιληπτικά παρακάτω είναι οι εξής: Πολλαπλή πρόσβαση διαίρεσης χώρου (Space Division Multiple Access- SDMA). Πολλαπλή πρόσβαση διαίρεσης συχνότητας (Frequency Division multiple Access-FDMA). 51

52 Κεφάλαιο 3 Θεωρία Κινητής Τηλεφωνίας Πολλαπλή πρόσβαση διαίρεσης χρόνου (Time Division Multiple Access- TDMA). Πολλαπλή πρόσβαση διαίρεσης κώδικα (Code Division Multiple Access- CDMA). Πολλαπλή πρόσβαση ορθογώνιας διαίρεσης συχνότητας (Frequency Division multiple Access-OFDMA) SDMA Η πολλαπλή πρόσβαση διαίρεσης χώρου ελέγχει την ακτινοβολούμενη ενέργεια από κάθε χρήστη στο χώρο. Όπως φαίνεται και στο παρακάτω σχήμα η SDMA εξυπηρετεί διάφορους χρήστες χρησιμοποιώντας κεραίες σημειακής δέσμης. Οι διάφορες περιοχές που καλύπτονται από τις δέσμες της κεραίας μπορεί να εξυπηρετούνται από την ίδια συχνότητα (συστήματα TDMA ή CDMA) ή από διαφορετικές συχνότητες (συστήματα FDMA). Μια απλή περίπτωση εφαρμογής της τεχνικής SDMA είναι ο διαχωρισμός των κυψελών σε τομείς. Σχήμα 3.2.1: Λειτουργία SDMA. Με την SDMA όλοι οι χρήστες του συστήματος θα μπορούν να επικοινωνούν την ίδια χρονική στιγμή χρησιμοποιώντας τον ίδιο ραδιοδίαυλο. Επιπρόσθετα, ένα σύστημα με τέλεια προσαρμοστικές κεραίες θα μπορεί να ανιχνεύει τις διάφορες συνιστώσες από πολλαπλές διαδρομές για κάθε τερματικό, και να τις συνδυάζει κατά βέλτιστο τρόπο, ώστε να συλλέγει όλη την διαθέσιμη ενέργεια του σήματος από κάθε τερματικό. Κάτι τέτοιο όμως είναι αρκετά δύσκολο, καθώς η λειτουργία ενός τέτοιου συστήματος απαιτεί τη χρήση τεράστιων κεραιών. Τέλος η τεχνική SDMA δεν χρησιμοποιείται ποτέ μόνη της, αλλά πάντα σε συνδυασμό με μία η περισσότερες τεχνικές πολλαπλής πρόσβασης FDMA Στην πολλαπλή πρόσβαση διαίρεσης συχνότητας (FDMA) εκχωρείται ένα μοναδικό κανάλι σε κάθε χρήστη που θέλει να εξυπηρετηθεί. Το κανάλι εκχωρείται ύστερα από αίτηση του χρήστη. Κατά τη διάρκεια της κλήσης, δεν μπορεί άλλος χρήστης να χρησιμοποιήσει το ίδιο κανάλι. Στα FDD συστήματα εκχωρείται στους χρήστες ένα κανάλι σαν ένα ζεύγος συχνοτήτων. Μία συχνότητα χρησιμοποιείται για την άνω ζεύξη και η άλλη για την κάτω ζεύξη. Με αυτή τη σταθερή εκχώρηση, η λογική του ελέγχου είναι απλή, με αντάλλαγμα όμως τη χαμηλή απόδοση και τη χαμηλή χωρητικότητα του συστήματος. 52

53 Κεφάλαιο 3 Θεωρία Κινητής Τηλεφωνίας Το FDMA αν και είναι ικανό για ψηφιακή μετάδοση και είναι σχετικά απλή σαν τεχνική δεν είναι αρκετά ευέλικτη καθώς για την προσθήκη ενός χρήστη χρειάζονται τροποποιήσεις στον εξοπλισμό του συστήματος. Για τους λόγους αυτούς χρησιμοποιήθηκε κυρίως στα (αναλογικά) κυψελωτά συστήματα πρώτης γενιάς. Πρόσφατα χρησιμοποιείται ως βοηθητική της TDMA ή της CDMA με σκοπό την περαιτέρω βελτίωση της χωρητικότητας του συστήματος, εφαρμόζοντας επαναχρησιμοποίηση συχνοτήτων. Σχήμα 3.2.2: Λειτουργία FDMA TDMA Στα συστήματα τα οποία χρησιμοποιούν πολλαπλή πρόσβαση διαίρεσης χρόνου (TDMA), το διατιθέμενο φάσμα χωρίζεται σε χρονοσχισμές (time slot), και σε κάθε χρονοσχισμή επιτρέπεται μόνο σε ένα χρήστη είτε να εκπέμψει είτε να λάβει. Όπως φαίνεται και στο σχήμα 1.6, κάθε χρήστης καταλαμβάνει μια κυκλικά επαναλαμβανόμενη χρονοσχισμή, οπότε μια χρονοσχισμή που επαναλαμβάνεται σε κάθε πλαίσιο, μπορεί να θεωρηθεί ως δίαυλος, δεδομένου ότι Ν χρονοσχισμές αποτελούν ένα πλαίσιο. Στον χρήστη που θέλει να επικοινωνήσει, εκχωρείται μια μοναδική χρονοσχισμή στο πλαίσιο TDMA, μέσω του διαύλου ελέγχου. Αυτή η σχισμή μπορεί να κρατηθεί από το χρήστη μέχρι το τέλος της επικοινωνίας του. Σε αντίθεση με τα συστήματα FDMA, όπου χρησιμοποιείται αναλογική μετάδοση, με χρήση FM διαμόρφωσης, στα συστήματα TDMA χρησιμοποιούνται ψηφιακά δεδομένα και ψηφιακή διαμόρφωση. Σχήμα 3.2.3: Λειτουργία TDMA 53

54 Κεφάλαιο 3 Θεωρία Κινητής Τηλεφωνίας Οι μεταδιδόμενες πληροφορίες από διάφορους χρήστες πολυπλέκονται σε ένα επαναλαμβανόμενο πλαίσιο TDMA όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Κάθε πλαίσιο αποτελείται από το προοίμιο (preamble), το μήνυμα πληροφορίας (data) και τον επίλογο (trail bits). Το προοίμιο περιέχει την διεύθυνση και την πληροφορία συγχρονισμού, την οποία χρησιμοποιούν τόσο ο σταθμός βάσης όσο και το κινητό τερματικό για να αναγνωρίζονται μεταξύ τους. Χρονικές περίοδοι ασφαλείας χρησιμοποιούνται μεταξύ των διαφόρων χρονοσχισμών και πλαισίων, για να επιτρέπουν τον συγχρονισμό των δεκτών. To TDMA έχει το πλεονέκτημα ότι είναι δυνατό να διατεθούν διαφορετικοί αριθμοί χρονοσχισμών ανά πλαίσιο σε διαφόρους χρήστες. Με αυτόν τον τρόπο, είναι δυνατή η διάθεση μεταβλητού εύρους ζώνης, σε κάθε χρήστη, ξεχωριστά ανάλογα με τις απαιτήσεις του CDMA Στα συστήματα πολλαπλής διαίρεσης κώδικα (CDMA), όλοι οι χρήστες χρησιμοποιούν το ίδιο φέρον και μπορεί να μεταδίδουν ταυτόχρονα, ενώ ο κάθε χρήστης χρησιμοποιεί όλο το διατιθέμενο φάσμα όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα: Σχήμα 3.2.4: Λειτουργία CDMA. Το στενής ζώνης σήμα πληροφορίας κάθε χρήστη πολλαπλασιάζεται με ένα σήμα μεγάλου εύρους ζώνης, που ονομάζεται σήμα εξάπλωσης (spreading signal). Το σήμα εξάπλωσης είναι μια κωδική ακολουθία ψευδοθορύβου που έχει ρυθμό chip που είναι τάξεις μεγέθους μεγαλύτερος, από τον ρυθμό bit του σήματος πληροφορίας. Το σήμα πληροφορίας κάθε χρήστη διαμορφώνεται από μια μοναδική ακολουθία, η οποία καλείται ακολουθία υπογραφής και έχει ανατεθεί στον υποψήφιο χρήστη. Έτσι, η διάκριση των σημάτων των χρηστών γίνεται με βάση την ακολουθία της υπογραφής. Στην πλευρά του δέκτη, χρησιμοποιείται μια κωδική ακολουθία προσαρμογής για την επανασυμπίεση του εύρους ζώνης και την λήψη των αρχικών δεδομένων. Με αυτήν την διαδικασία εξάπλωσης και επανασυμπίεσης όλες οι άλλες ταυτόχρονες μεταδόσεις στον δίαυλο θα δρουν ως πρόσθετη παρεμβολή στο επιθυμητό σήμα και μπορούν να απομακρυνθούν εντελώς, εάν οι κώδικες είναι ορθογώνιοι. Εάν υπάρχουν αρκετοί δέκτες στον σταθμό βάσης, είναι δυνατό να έχουμε πολλαπλές επιτυχείς λήψεις. Η CDMA έχει ήδη υιοθετηθεί για επικοινωνία φωνής, αλλά μπορεί ταυτόχρονα να υποστηρίξει και μετάδοση δεδομένων. Στην CDMA τεχνική δεν απαιτείται συντονισμός μεταξύ των διαφόρων χρηστών. 54

55 Κεφάλαιο 3 Θεωρία Κινητής Τηλεφωνίας Οι τεχνικές FDMA και TDMA που αναλύσαμε παραπάνω έχουνε τρία βασικά μειονεκτήματα. Το πρώτο είναι ότι κατά τη διάρκεια περιόδων σιωπής σε μια τηλεφωνική συνδιάλεξη (50%-65% του χρόνου) δεν είναι δυνατή η επαναχρησιμοποίηση του διαύλου από άλλους χρήστες, καθώς η μεταγωγή κυκλώματος πρέπει να γίνει σε εξαιρετικά μικρό χρονικό διάστημα, που δεν είναι πρακτικά εφικτό. Το δεύτερο μειονέκτημα είναι η σχετικά αραιή δομή επαναχρησιμοποίησης συχνοτήτων που μπορούμε να επιτύχουμε. Τέλος το τρίτο μειονέκτημα αφορά όλες τις τεχνικές πολλαπλής πρόσβασης και σχετίζεται με το φαινόμενο των διαλείψεων. Ειδικά για την FDMA, όπου το εύρος ζώνης των διαύλων είναι κατά κανόνα μικρότερο από τις υπόλοιπες τεχνικές, το πρόβλημα των διαλείψεων είναι εξαιρετικά σημαντικό. Τα πλεονεκτήματα του CDMA είναι: Εκμεταλλευόμαστε τις σιωπηλές περιόδους στις τηλεφωνικές συνομιλίες. Δεν απαιτούνται διαστήματα φύλαξης, τα οποία είναι απώλεια στη συνολική χωρητικότητα του συστήματος. Επιτυγχάνει πολύ μεγαλύτερες χωρητικότητες σε επίπεδο χρηστών ανά κυψέλη. Δεν απαιτούνται πολύπλοκες τεχνικές απόδοσης και διαχείρισης του φάσματος. Έχει πολύ καλή συμπεριφορά, όσον αφορά στην ασφάλεια της μετάδοσης των δεδομένων. Σε φυσιολογικές συνθήκες, η προσθήκη ενός επιπλέον χρήστη έχει ελάχιστη επίδραση στην ποιότητα υπηρεσιών των υπαρχόντων χρηστών Είναι δυνατή η συνύπαρξη με άλλα αναλογικά συστήματα. Μπορεί να παρέχει εύρος ζώνης κατά απαίτηση. (bandwidth on demand) OFDMA H νεώτερη και πιο εξελιγμένη μέθοδος πολλαπλής πρόσβασης σ ένα κανάλι είναι η ΟFDMA. Τα πλεονεκτήματα του OFDMA είναι η μεγάλη αντοχή που επιδεικνύει σε περιβάλλοντα εξασθένησης σήματος και παρεμβολών. Επίσης, ιδιαίτερης σημασίας είναι το γεγονός ότι επιτυγχάνει καλύτερη αξιοποίηση του εύρους ζώνης του καναλιού, χωρίζοντας αυτό σε υποκανάλια (subchannels) που είναι μεν επικαλυπτόμενα αλλά ακολουθούν την αρχή της ορθογωνιότητας. Αυτό απαλλάσει τους κατασκευαστές από την ανάγκη να διαχωρίσουν τους φορείς (carriers) με τη χρήση guard-bands, αποφεύγοντας την άσκοπη σπατάλη του παρεχόμενου εύρους ζώνης. Ειδικότερα, για την περίπτωση του προτύπου LTE για την μετάδοση δεδομένων στον κατερχόμενο σύνδεσμο χρησιμοποιείται η Orthogonal Frequency-Division Multiple Access (OFDMA) τεχνολογία, ενώ για την περίπτωση του ανερχόμενου συνδέσμου προτείνεται η χρήση της τεχνολογίας Single Carrier OFDM (SC-OFDM). Όπως φαίνεται και στην Εικόνα και οι δύο αυτές τεχνολογίες χρησιμοποιούν το επίπεδο της συχνότητας σα μία νέα παράμετρο, προσφέροντας μεγαλύτερη ευελιξία στη σχεδίαση. 55

56 Κεφάλαιο 3 Θεωρία Κινητής Τηλεφωνίας Σχήμα : α) Απλός διαχωρισμός εύρους ζώνης καναλιού β) OFDM διαχωρισμός εύρους ζώνης καναλιού Η OFDMA είναι μια multiuser έκδοση του δημοφιλούς OFDM ψηφιακού modulation. Η πολλαπλή πρόσβαση επιτυγχάνεται στην OFDMA με την ανάθεση των υποσυνόλων των υπομεταφορέων (subcarrier) στους μεμονωμένους χρήστες. Αυτό επιτρέπει την ταυτόχρονη μετάδοση από διάφορους χρήστες, αλλά και τη μετάδοση των πιλοτικών συμβόλων (pilot symbols) και των δεδομένων των καναλιών ελέγχου (control channels) χωρίς παρεμβολές. Όσο αφορά στο SC-OFDM και στον ανερχόμενο σύνδεσμο, χρήζει αναφοράς το γεγονός ότι η τεχνολογία LTE διαφοροποιείται από το πρότυπο WiMAX, το οποίο χρησιμοποιεί την OFDMA τεχνική για τον ανερχόμενο σύνδεσμο. Η OFDMA τεχνική, παρά τα σημαντικά πλεονεκτήματα της, μπορεί να αποβεί ανασταλτικός παράγοντας για τη μπαταρία των κινητών συσκευών των χρηστών, καθώς απαιτεί μεγάλη κατανάλωση ισχύος. Για το λόγο αυτό, στην τεχνολογία LTE υιοθετείται η SC-OFDM τεχνική. Η SC-OFDM τεχνική παρουσιάζει ιδιαίτερα καλή απόδοση, αφού έχει και πολύ υψηλό λόγο Peak-to-Average Ratio (PAR) σήματος. Ο λόγος PAR είναι πολύ κρίσιμη μετρική για τον ανερχόμενο σύνδεσμο, και σχετίζεται άμεσα με την κατανάλωση ισχύος. Επιπλέον, η SC-OFDM τεχνική επιτρέπει υψηλή απόδοση και μικρή πολυπλοκότητα υλοποίησης της κεραίας του σταθμού βάσης. Εν γένει, η SC- OFDM τεχνική επιφέρει πολύ υψηλούς ρυθμούς μετάδοσης στον ανερχόμενο σύνδεσμο, κυρίως όταν ο χρήστης βρίσκεται κοντά στο σταθμό βάσης. Σχήμα : OFDMA και SC-OFDM 56

57 3.3 ΕΞΕΛΙΞΗ ΤΩΝ ΠΡΟΤΥΠΩΝ Κεφάλαιο 3 Θεωρία Κινητής Τηλεφωνίας Συστήματα Πρώτης Γενιάς (1G) Τα κυψελωτά συστήματα πρώτης γενιάς εμφανίστηκαν στα τέλη της δεκαετίας του Το πρώτο παγκοσμίως κυψελωτό σύστημα που λειτούργησε ήταν στην Ιαπωνία το 1979 από την ΝΤΤ (Nippon Telephone and Telegraphy). Τα συστήματα πρώτης γενιάς χρησιμοποιούσαν αναλογικές τεχνικές για την διαχείριση της τηλεπικοινωνιακής κίνησης, η οποία αποτελούνταν κυρίως από την μετάδοση φωνής. Τα βασικά τους χαρακτηριστικά ήταν η αναλογική διαμόρφωση FM και η τεχνική πολλαπλής πρόσβασης FDMA. Παρόλο που τη σημερινή εποχή λειτουργούν αρκετά 4G συστήματα τα πρώτης γενιάς συστήματα σταμάτησαν την λειτουργία τους μόλις μερικά χρόνια πριν. Ήδη όμως από τα πρώτα χρόνια λειτουργίας τους τα αναλογικά συστήματα εμφάνισαν αρκετά μειονεκτήματα όπως: Εξαιρετικά περιορισμένο φάσμα προς απόδοση, και συνεπώς χαμηλή χωρητικότητα συστημάτων. Η αντίληψη των χρηστών ότι ήταν περιορισμένης χρησιμότητας λόγω της χαμηλής ποιότητας υπηρεσιών, αλλά και του αριθμού των προσφερόμενων υπηρεσιών. Απουσία ασφάλειας επικοινωνιών. Αδυναμία να μειώσουν το κόστος των τερματικών και της υποδομής των δικτύων. Ασυμβατότητα μεταξύ των διάφορων αναλογικών συστημάτων Συστήματα Δεύτερης Γενιάς (2G) Τα παραπάνω μειονεκτήματα σε συνδυασμό με την ανάπτυξη της ψηφιακής τεχνολογίας οδήγησαν στα συστήματα δεύτερης γενιάς (2G). Η ψηφιοποίηση των συστημάτων αυτών επιτρέπει την χρήση των τεχνικών CDMA και TDMA ως εναλλακτικών λύσεων της FDMA. Ένα μεγάλο πλεονέκτημα των τεχνικών αυτών είναι ο καταμερισμός του λογισμικού και του υλικού του σταθμού βάσης σε πολλαπλούς χρήστες. Μερικά από τα πλεονεκτήματα που προσφέρουν τα συστήματα δεύτερης γενιάς είναι: Αυξημένη ανοσία στο θόρυβο. Απόκρυψη για την ασφάλεια των επικοινωνιών. Χαμηλή κατανάλωση ισχύος. Ευελιξία για μικτές επικοινωνίες φωνής και δεδομένων και για την υποστήριξη νέων υπηρεσιών. Περιορισμένη πολυπλοκότητα του συστήματος. Τα τέσσερα κυριότερα συστήματα δεύτερης γενιάς είναι τα εξής: GSM (Global System for Mobile) IS-95 (Interim Standard) IS-54 PDC (Personal Digital Cellular) 57

58 3.3.3 Συστήματα Δεύτερης+ Γενιάς (2.5G) Κεφάλαιο 3 Θεωρία Κινητής Τηλεφωνίας Η γενιά 2.5 είναι μια ονομασία η οποία περιλαμβάνει όλες τις αναβαθμίσεις για τα συστήματα 2G. Αυτές οι αναβαθμίσεις σε ορισμένες περιπτώσεις μπορούν να παρέχουν παρόμοιες δυνατότητες με τα 3G συστήματα. Επίσης είναι δύσκολο από τεχνικής απόψεως να καθορίσουμε το πότε ένα σύστημα 2G εξελίσσεται σε 2.5G. Η ανάγκη για την αναβάθμιση των συστημάτων δεύτερης γενιάς και συγκεκριμένα για το GSM γεννήθηκε από την ανάγκη για υψηλότερη ταχύτητα δεδομένων. Το GSM, που κύριος στόχος του ήταν η μετάδοση της φωνής, μπορούσε να μεταφέρει δεδομένα σε μικρή ταχύτητα, της τάξεως των 9,6 Kbps. Αυτό σήμαινε πως η αποστολή/λήψη δεδομένων μεγαλύτερου μεγέθους αργούσε περισσότερο, κόστιζε παραπάνω και το μέγεθος των μεταφερόμενων δεδομένων ήταν περιορισμένο. Συνήθως ένα σύστημα 2.5G περιλαμβάνει μία από τις τρείς επόμενες τεχνικές: HSCD (High Speed Circuit- Switched Data), GPRS (General Packet Service Radio) και το EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution) Συστήματα Τρίτης Γενιάς (3G) Η γρήγορη εξέλιξη των κινητών τηλεπικοινωνιών ήταν ένα από τα αναμφισβήτητα γεγονότα της δεκαετίας του Το πρώτο εμπορικό δίκτυο GSM λειτούργησε στη Φινλανδία το Την ίδια χρονιά, το ίδρυμα ETSI ξεκινούσε την προτυποποίηση της επόμενης γενιάς δικτύων κινητών τηλεπικοινωνιών. Το σύστημα που προέκυψε από αυτή την προτυποποίηση ονομάστηκε Universal Mobile Telecommunications System (UMTS). Η ανάπτυξη των κινητών δικτύων τρίτης γενιάς δεν έγινε μόνο στο ETSI. Υπήρξαν πολλοί οργανισμοί και ερευνητικά ιδρύματα, σε παγκόσμιο επίπεδο, που είχαν τον ίδιο σκοπό. Ο βασικός στόχος της ανάπτυξης των κινητών δικτύων τρίτης γενιάς είναι η παροχή των κινητών υπηρεσιών «οπουδήποτε» και «κάθε στιγμή». Αυτό σημαίνει ότι ένας χρήστης δικτύων κινητής τηλεφωνίας τρίτης γενιάς μπορεί να μετακινείται οπουδήποτε και να εξυπηρετείται ακόμα και σε περιοχές όπου δεν υπάρχει κάλυψη από συστήματα τρίτης γενιάς αλλά υπάρχουν άλλου είδους ασύρματα δίκτυα. Για την ακρίβεια, ο χρήστης μπορεί να εξυπηρετείται από οικιακά ασύρματα συστήματα, από άλλα κυψελωτά κινητά δίκτυα καθώς και από δορυφορικά δίκτυα. Επιπλέον, οι παρεχόμενες υπηρεσίες επεκτείνονται σε υπηρεσίες διαδικτύου και σε υπηρεσίες πολυμέσων με υψηλούς ρυθμούς μετάδοσης (προβλέπονται ρυθμοί που ξεκινούν από τα 144 Kbps και φτάνουν ακόμα και σε ρυθμούς της τάξης των Mbps). Με τον όρο υπηρεσίες πολυμέσων αναφερόμαστε σε υπηρεσίες κατά τις οποίες υπάρχει συνδυασμός εικόνας, ήχου και κειμένου σε ένα διαρκώς μεταβαλλόμενο ψηφιακό περιβάλλον. Τέλος, θα πρέπει να αναφερθούν τα επικρατέστερα, προς το παρόν, συστήματα τρίτης γενιάς τα οποία είναι: το UMTS (Ευρώπη), το CDMA2000 και το NTT Docomo (Ιαπωνία) Συστήματα Τρίτης+ Γενιάς (3.5G) Με τον όρο «γενιά 3.5» (3.5G ή 3G+) αναφερόμαστε στη νέα γενιά κινητών δικτύων τα οποία εκτός από την τεχνολογία WCDMA έχουν ενσωματώσει την τεχνολογία High Speed Packet Access (HSPA). Η ορολογία HSPA αναφέρεται σε μία γενικότερη έννοια που υιοθετήθηκε από το UMTS Forum προκειμένου να τονίσει τις αναβαθμίσεις στις ασύρματες διεπαφές του UMTS στις εκδόσεις 5 58

59 Κεφάλαιο 3 Θεωρία Κινητής Τηλεφωνίας και 6 του προτύπου 3GPP και να προσδιορίσει τα δίκτυα επικοινωνιών επόμενης γενιάς. Η HSPA αποτελεί μία νέα τεχνολογία η οποία σχεδιάστηκε προκειμένου να αυξήσει τη χωρητικότητα καταρχάς του κατερχόμενου και σε δεύτερη φάση του ανερχόμενου ασύρματου συνδέσμου για τα κινητά δίκτυα τρίτης γενιάς. Το γεγονός αυτό θεωρήθηκε απαραίτητο καθώς, στην πράξη, οι μέγιστοι ρυθμοί μετάδοσης για τα κινητά δίκτυα τρίτης γενιάς αποδείχθηκαν χαμηλοί για πολυμεσικές εφαρμογές. Ιδιαίτερα στην περίπτωση όπου ο αριθμός χρηστών πολυμεσικών εφαρμογών στην ίδια κυψέλη ήταν μεγάλος, η απόδοση του δικτύου στη συγκεκριμένη κυψέλη μειωνόταν ραγδαία [6]. Το πρότυπο HSPA αναφέρεται σε βελτιώσεις που πραγματοποιήθηκαν τόσο στον κατερχόμενο ασύρματο σύνδεσμο, μέσω του High Speed Downlink Packet Access (HSDPA), όσο και στον ανερχόμενο, μέσω του High Speed Uplink Packet Access (HSUPA). Αξίζει να αναφερθεί ότι τόσο το HSDPA όσο και το HSUPA μπορούν να υλοποιηθούν στο ίδιο εύρος ζώνης με το UMTS (των 5 MHz), γεγονός που επιτρέπει την παράλληλη λειτουργία τόσο του HSPA όσο και του κλασικού UMTS. Το HSDPA, προτάθηκε στην έκδοση 5 του προτύπου 3GPP (ανακοινώθηκε το 2003 και υλοποιήθηκε το 2005) και υποστηρίζει ρυθμούς μετάδοσης έως και 14.4 Mbps ανά χρήστη. Αναφορικά με τον ανερχόμενο ασύρματο σύνδεσμο, το HSUPA εισήχθη στην έκδοση 6 του 3GPP στάνταρ δίνοντας τη δυνατότητα υποστήριξης μέχρι και 5.8 Mbps μέσω ενός αφιερωμένου καναλιού στον ανερχόμενο σύνδεσμο. 3.4 GSM Στις αρχές της δεκαετίας του 1980 υπήρχαν αρκετά συνυπάρχοντα αναλογικά συστήματα, τα οποία βασιζόταν σε παρόμοια πρότυπα, παρόλαυτα λειτουργούσαν σε ελαφρώς διαφορετικές συχνότητες. Για την αποφυγή παρόμοιων καταστάσεων για τα συστήματα δεύτερης γενιάς, ιδρύθηκε το 1982 το Groupe Special Mobile, το οποίο σύντομα μετονομάστηκε σε Global System for Mobile Communications (GSM). Οι κυριότεροι στόχοι του GSM ήταν οι εξής: Η λειτουργία σε όλη την Ευρώπη. Να παρέχει υψηλής ποιότητας υπηρεσίες φωνής. Συμβατότητα με άλλα συστήματα όπως το ISDN (Integrated Services Digital Network). Υποστήριξη περιαγωγής (roaming). Αποδοτική χρησιμοποίηση του φάσματος. Χαμηλό κόστος τερματικών, σταθμών βάσης και υπηρεσιών. Αρχικά το GSM αναπτύχθηκε στην Ευρώπη χρησιμοποιώντας τις συχνότητες MHz για την άνω ζεύξη και τις συχνότητες για την κάτω ζεύξη αντίστοιχα. Το σύστημα αυτό ονομάστηκε GSM 900 για να μπορέσουμε να το διαχωρίσουμε από τις επόμενες εκδοχές οι οποίες ακολούθησαν. Η εκδοχή του GMS που αναπτύχθηκε στη ζώνη συχνοτήτων στα 1800MHz ( MHz uplink, MHz downlink) ονομάστηκε DCS 1800 (Digital Cellular System). Μια άλλη εκδοχή του GSM η οποία χρησιμοποιείται κυρίως στις ΗΠΑ, αναπτύσσεται στα 1900MHz ( MHz uplink, MHz 59

60 Κεφάλαιο 3 Θεωρία Κινητής Τηλεφωνίας downlink) και ονομάστηκε PCS 1900 (Personal Communication Service) ή GSM Σχήμα 3.4-1: FDMA τεχνική στο σύστημα GSM. Στο GSM όλη η μεταδιδόμενη πληροφορία είναι ψηφιακή. Το ψηφιακό σήμα διαμορφώνεται σε αναλογικές συχνότητες με εύρος φάσματος 200kHz, χρησιμοποιώντας ψηφιακή διαμόρφωση GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying). Το κάθε κανάλι επικοινωνίας έχει ένα μοναδικό αριθμό ο οποίος ονομάζεται ARFCN (Absolute Radio Frequency Channel). Τα χαμηλότερα και υψηλότερα ζεύγη συχνοτήτων μένουν αχρησιμοποίητα, προκειμένου να αποφευχθούν παρεμβολές με γειτονικές περιοχές συχνοτήτων άλλων υπηρεσιών. Λαμβάνοντας υπόψη ότι το κάθε κανάλι έχει εύρος 200kHz, στο GSM 900 έχουμε 124 κανάλια εκπομπής/λήψης. Οι συνηθισμένες τιμές για την ισχύ εκπομπής για τους σταθμούς βάσης του GSM είναι περίπου 10W, για μέγιστη ακτίνα κάλυψης 30km. Το GSM εφαρμόζει την τεχνική FDD για τον διαχωρισμό των συχνοτήτων της άνω και της κάτω ζεύξης. Η διαφορά μεταξύ των δύο αυτών συχνοτήτων ονομάζεται απόσταση αμφιδρόμησης (Duplex Frequency). Στα συστήματα GSM 900 η απόσταση αυτή είναι 45MHz. Στην TDMA τεχνική, τα 248 συνολικά διαθέσιμα κανάλια χωρίζονται περαιτέρω στο πεδίο του χρόνου μέσω ενός GSM TDMA πλαισίου. Για την ακρίβεια το κάθε φέρον των 200kHz υποδιαιρείται σε πλαίσια τα οποία επαναλαμβάνονται περιοδικά. Η διάρκεια κάθε πλαισίου έχει διάρκεια 4.615ms. Επιπλέον το κάθε πλαίσιο διαιρείται περαιτέρω σε οχτώ χρονοσχισμές (slot), η κάθε μια από τις οποίες αντιπροσωπεύει ένα φυσικό TDMA κανάλι και έχει διάρκεια 577ks. Το κάθε TDMA κανάλι χρησιμοποιεί το φέρον για 577ks κάθε 4.615ms. Τα δεδομένα στο GSM μεταδίδονται σε μικρά τμήματα τα οποία ονομάζονται ριπές (bursts). Η ριπή έχει μήκος 546.5ks και αποτελείται από 148 bits. Τα εναπομείναντα 30.5ks χρησιμοποιούνται σαν διάστημα φύλαξης (guard space) για την αποφυγή επικαλύψεων με διαφορετικές ριπές, λόγω των διαφορετικών διαδρομών διάδοσης, καθώς επίσης και για να παρέχουν στον πομπό τον απαραίτητο χρόνο για την έναρξη και την λήξη της μετάδοσης. Το δίκτυο του GSM αποτελείται από τέσσερα κύρια μέρη τα οποία με τη σειρά τους υποδιαιρούνται σε περαιτέρω υποσυστήματα: Τον κινητό σταθμό (Mobile Station, MS). 60

61 Κεφάλαιο 3 Θεωρία Κινητής Τηλεφωνίας Το υποσύστημα σταθμών βάσης ή υποσύστημα Πρόσβασης (Base Station Subsystem, BSS) που παρέχει ραδιοκάλυψη και διαχείριση των ραδιοπόρων. Το υποσύστημα Δικτύου και Διαμεταγωγής (Network Switching System, NSS) ή Δίκτυο Κορμού (Core Network, CN), το οποίο φροντίζει για την δρομολόγηση των κλήσεων και τον εντοπισμό των συνδρομητών. Το Υποσύστημα Συντήρησης και Λειτουργίας (Operation & Maintenance System, OMS) που εξασφαλίζει την διαχείριση του δικτύου. Σχήμα 3.4-2: Αρχιτεκτονική δικτύου GSM 61

62 Κεφάλαιο 3 Θεωρία Κινητής Τηλεφωνίας GPRS Το κυριότερο πρόβλημα του συστήματος GSM ήταν η παροχή χαμηλών ρυθμών μετάδοσης δεδομένων. Το αρχικό GSM ήταν σε θέση να παρέχει ρυθμούς μετάδοσης μέχρι 9.6Kbps. Ο πιο εύκολος τρόπος για την αύξηση των ρυθμών μετάδοσης του GSM, ήταν η τεχνολογία HSCSD. Με την τεχνολογία HSCSD ο κινητός σταθμός αντί για μία χρονοσχισμή μπορεί να χρησιμοποιήσει πολλαπλές χρονοσχισμές για μετάδοση δεδομένων. Η τεχνική αυτή είναι σε θέση να προσφέρει θεωρητικούς ρυθμούς μετάδοσης μέχρι και 64Kbps, στην πράξη όμως περιορίζεται στα 38.84Kbps. Το μεγαλύτερο μειονέκτημα της τεχνικής αυτής είναι ότι βασίζεται στην μεταγωγή κυκλώματος. Αυτό σημαίνει ότι όταν διατεθούν κάποια κανάλια σε ένα χρήστη, ανεξάρτητα από το αν πραγματοποιείται μεταφορά δεδομένων, δεσμεύονται αποκλειστικά και μόνο για αυτόν και δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν από κανένα άλλο χρήστη. Το γεγονός αυτό οδηγεί σε μεγάλη σπατάλη των διαθέσιμων πόρων του συστήματος. Για τον λόγο αυτό, οι πάροχοι στράφηκαν σε άλλες λύσεις για την αύξηση του ρυθμού μετάδοσης. Η επόμενη λύση που προτάθηκε ήταν το GPRS. Με την τεχνολογία αυτή είναι δυνατή η αύξηση του ρυθμού μετάδοσης στα 115Kbps ή θεωρητικά στα 172Kbps. Το μεγάλο πλεονέκτημα του GPRS είναι ότι βασίζεται στην τεχνική μεταγωγής πακέτου, δηλαδή τα δεδομένα χωρίζονται σε μικρά πακέτα πριν αποσταλούν. Με αυτόν τον τρόπο το GPRS διανέμει τους διαύλους στους χρήστες μόνο όταν υπάρχει κάποια πληροφορία προς μετάδοση, οι οποίοι αποδεσμεύονται στο τέλος κάθε σύνδεσης. Χάρις στην μεταγωγή πακέτου, το GPRS επιτυγχάνει πιο αποδοτική εκμετάλλευση του φάσματος από το HSCSD. To κάθε TDMA πλαίσιο αποτελείται από οχτώ χρονοσχισμές. Στο GPRS υπάρχει η δυνατότητα, μία έως οχτώ χρονοσχισμές του πλαισίου αυτού να διατεθούν για το σύστημα GSM. Οι χρονοσχισμές αυτές δεν διατίθενται με ένα σταθερό και προκαθορισμένο τρόπο, αλλά κατ απαίτηση του χρήστη (όταν αυτός έχει κάποια πληροφορία προς μετάδοση). Όλες οι χρονοσχισμές, μοιράζονται στους ενεργούς χρήστες, και γίνεται διαχωρισμός στο πλαίσιο για δεδομένα τα οποία μεταφέρονται στην άνω και στην κάτω ζεύξη αντίστοιχα. Ο διαχωρισμός των χρονοσχισμών γίνεται ανάλογα με το φορτίο του συστήματος καθώς επίσης και με τις προτιμήσεις του διαχειριστή του δικτύου. Συνήθως οι διαχειριστές του δικτύου στο GPRS δεσμεύουν τουλάχιστον μια χρονοσχισμή ανά κυψέλη για την εγγύηση ενός ελάχιστου ρυθμού μετάδοσης. Η βασική ιδέα στο GPRS είναι η χρησιμοποίηση των χρονοσχισμών της ασύρματης διεπαφής του GSM που δεν χρησιμοποιούνται για φωνή, για τη μεταφορά ασύγχρονων δεδομένων με μεταγωγή πακέτου. Για να επιτύχει αυτόν τον στόχο το GPRS χρησιμοποιεί την ίδια ασύρματη διεπαφή που χρησιμοποιεί το GSM για την τηλεφωνία, με αναβαθμίσεις στο υλικό και στο λογισμικό του BSS και εισάγει νέο δίκτυο κορμού με στοιχεία δικτύου ειδικά για μετάδοση πακέτων. Τα στοιχεία αυτά είναι ο κόμβος Serving GPRS Support Node (SGSN), ο κόμβος Gateway GPRS Support Node (GGSN) και τέλος η μονάδα Packet Control Unit (PCU) η οποία ενσωματώνεται στο BSS. Η δομή του GPRS δικτύου με τα νέα στοιχεία τα οποία προστίθενται στην υπάρχουσα αρχιτεκτονική του GSM φαίνονται στο παρακάτω σχήμα: 62

63 Κεφάλαιο 3 Θεωρία Κινητής Τηλεφωνίας GSM-EDGE Σχήμα 3.4.1: Αρχιτεκτονική δικτύου GPRS. Η τρίτη και τελευταία τεχνολογία η οποία ανήκει στην γενιά 2.5G, και η οποία βελτιώνει σημαντικά τους ρυθμούς μετάδοσης του GSM είναι το EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution). H τεχνολογία EDGE μπορεί να εφαρμοστεί τόσο στο HSCSD όσο και στο GPRS, βελτιώνοντας την ρυθμαπόδοση (throughput) ανά χρονοσχισμή. Η βελτίωση του HSCSD ονομάζεται ECSD (Enhanced Circuit-S witched Data) και αντίστοιχα για το GPRS ονομάστηκε EGPRS (Enhanced General Packet Radio Service). Το EDGE αποτελεί προσθήκη στο ήδη υπάρχον δίκτυο του GPRS και δεν μπορεί να λειτουργήσει αυτόνομα.. Τα τεχνικά χαρακτηριστικά του συστήματος EDGE είναι ίδια με αυτά των συστημάτων GSM/GPRS. Η μόνη αλλαγή που απαιτείται σε ένα GPRS δίκτυο για την εισαγωγή του EDGE, αφορά την ραδιοεπαφή. Ο νέος τύπος διαμόρφωσης που εισάγεται και οι νέες κωδικοποιήσεις επιτρέπουν την αποδοτικότερη μετάδοση δεδομένων σε ποικίλες συνθήκες διάδοσης. Η βελτίωση που οδηγεί σε τριπλασιασμό του ρυθμού μετάδοσης, είναι η εισαγωγή της διαμόρφωσης 8PSK, σε συνδυασμό με την ήδη υπάρχουσα GMSK που χρησιμοποιείται στο GSM/GPRS. Οι διαφορές μεταξύ των συστημάτων EDGE και GPRS απεικονίζονται στον παρακάτω πίνακα: GPRS EDGE Διαμόρφωση GMSK 8PSK/GMSK Ρυθμός μετάδοσης συμβόλων 270Ksym/s 270Ksym/s Ρυθμός μετάδοσης διαμορφωμένων bits 270Kbps 810Kbps Μέγιστος ρυθμός μετάδοσης δεδομένων/χρονοσχισμή 21.4Kbps 59.2Kbps Μέγιστος ρυθμός μετάδοσης δεδομένων/πλαίσιο 172Kbps 473.6Kbps Πίνακας 3.4.2: Διαφορές μεταξύ GPRS και GSM-EDGE. Το EDGE αποτελεί την τεχνολογία που έρχεται να γεφυρώσει με τον πιο αποδοτικό τρόπο την απόσταση που χωρίζει τις υπηρεσίες των δικτύων GSM, με τα δίκτυα 3G. Είναι σχεδιασμένο ώστε να παρέχει εξελιγμένες υπηρεσίες σε 63

64 Κεφάλαιο 3 Θεωρία Κινητής Τηλεφωνίας σημεία που η κάλυψη WCDMA δεν έχει ακόμα επεκταθεί, λόγω της νέας εγκατάστασης σταθμών βάσης που απαιτεί το τελευταίο. Το γεγονός αυτό οφείλεται στο πλεονέκτημα ότι το EDGE μπορεί να λειτουργήσει στην ήδη υπάρχουσα δομή του δικτύου GSM, με ελάχιστες μόνο αναβαθμίσεις στις υφιστάμενες κεραίες αλλά και στα κέντρα διαχείρισης του δικτύου. 3.5 WCDMA Το Πρότυπο IMT-2000 Στην σημερινή εποχή της πληροφορίας, και με την ραγδαία εξέλιξη των υπολογιστών, και του διαδικτύου, τα δίκτυα κινητών επικοινωνιών δεν θα μπορούσαν να μείνουν πίσω στις εξελίξεις των καιρών. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα την σταδιακή μετάβαση στα συστήματα κινητών επικοινωνιών τρίτης γενιάς (3G) τα οποία είναι σχεδιασμένα κυρίως για εφαρμογές πολυμέσων.με την εφαρμογή των δικτύων αυτών η επικοινωνία μεταξύ των συνδρομητών του δικτύου εμπλουτίζεται με την μετάδοση εικόνων υψηλής ευκρίνειας, βίντεο, καθώς και η πρόσβαση σε υπηρεσίες σε ιδιωτικά η δημόσια δίκτυα γίνεται με υψηλότερους ρυθμούς μετάδοσης. Η αρχή για την δημιουργία των συστημάτων 3ης Γενιάς ξεκίνησε το 1985 υπό την αιγίδα της Διεθνής Ένωση Τηλεπικοινωνιών (International Telecommunication Union- ITU). Το 1992 η ITU προσπάθησε να γίνει πιο σαφής σε σχέση με αυτά τα όνειρα και έτσι εξέδωσε ένα πρόγραμμα δράσης, το οποίο ονομάστηκε International Mobile Telecommunications-2000 (IMT- 2000). Ο αριθμός 2000 σήμαινε τρία πράγματα: (1) το έτος στο οποίο υποτίθεται ότι το σύστημα θα έμπαινε σε λειτουργία, (2) τη συχνότητα την οποία θα λειτουργούσε (σε MHz) (συγκεκριμένα MHz για uplink και MHz για downlink) και (3) το εύρος ζώνης που θα έπρεπε να έχει η υπηρεσία (σε khz). Στα πλαίσια των προδιαγραφών του IMT-2000, διάφορες τεχνικές ραδιοπρόσβασης αναπτύχθηκαν βασιζόμενες είτε στο CDMA είτε στο FDMA όπως θα δούμε παρακάτω. Ο αρχικός στόχος για τα συστήματα τρίτης γενιάς ήταν η ανάπτυξη ενός και μόνο παγκόσμιου προτύπου. Τα τρίτης γενιάς συστήματα είναι κοντά στο να το πετύχουν αυτό καθώς το ίδιο σύστημα (WCDMA) χρησιμοποιείται στην Ευρώπη και στην Ασία (Κορέα και Ιαπωνία) χρησιμοποιώντας τις συχνότητες που οριοθέτησε η ΙΤ U κοντά στα 2GHz. Όμως στην Αμερική το φάσμα ήταν ήδη κατειλημμένο από συστήματα δεύτερης γενιάς και δεν υπήρχε διαθέσιμο φάσμα για την ανάπτυξη του προτύπου IMT Παρόλαυτα, το WCDMA είναι δυνατόν να αναπτυχθεί στις υπάρχουσες συχνότητες στην Βόρεια Αμερική. Επιπλέον, οι συχνότητες που προβλέπει το ΙΜΤ-2000 δεν είναι διαθέσιμες σε χώρες που ακολουθούν την κατανομή συχνοτήτων σύμφωνα με το πρότυπο δεύτερης γενιάς PCS (Personal Communication Systems), το οποίο λειτουργεί εν μέρει στο φάσμα που προβλέπει το IMT Επιπλέον του WCDMA υπάρχουν και άλλες τεχνικές οι οποίες μπορούν να υποστηρίξουν υπηρεσίες τρίτης γενιάς όπως το cdma-2000 και το EDGE. Το EDGE μπορεί να υποστηρίξει ρυθμούς δεδομένων μέχρι και 384Kbps χρησιμοποιώντας ένα GSM φέρον με συχνότητα 200kHz. Τέλος το cdma-2000 μπορεί να χρησιμοποιηθεί σαν μια αναβάθμιση του ήδη υπάρχοντος συστήματος δεύτερης γενιά IS-95 (Interim Standard-95) το οποίο λειτουργεί κυρίως στην Αμερική. Οι βασικοί στόχοι του ΙΜΤ 2000 ήταν Μεγάλη ομοιότητα στη σχεδίαση. 64

65 Κεφάλαιο 3 Θεωρία Κινητής Τηλεφωνίας Η συμβατότητα υπηρεσιών. Η υψηλή ποιότητα υπηρεσιών. Το μικρό μέγεθος των τερματικών. Η δυνατότητα περιαγωγής. Η υποστήριξη εφαρμογών πολυμέσων. Μετάδοση φωνής υψηλής ποιότητας. Δυνατότητα πρόσβασης στο διαδίκτυο (περιήγηση στον ιστό, ακόμα και σε σελίδες με ήχο και βίντεο) Δέκτης RAKE Σε ένα κανάλι όπου υπάρχουν φαινόμενα πολλαπλής όδευσης (multipath), όταν το μεταδιδόμενο σήμα προσπίπτει σε διάφορου είδους εμπόδια δημιουργείται το φαινόμενο της ανάκλασης. Στον δέκτη λοιπόν δεν καταφθάνει το αρχικό σήμα αλλά αρκετές συνιστώσες του αρχικού σήματος με διαφορετική χρονική καθυστέρηση το καθένα. Αυτού του είδους τα σήματα μπορούν να ληφθούν με επιτυχία, με τη χρήση ενός δέκτη RAKE. Ο δέκτης RAKE αποτελείται από συσχετιστές (correlators), όπου ο καθένας από αυτούς λαμβάνει μια συνιστώσα του αρχικού σήματος που έχει προέλθει από πολυδιαδρομική διάδοση. Αφού ο κάθε συσχετιστής συμπιέσει την συνιστώσα του αρχικού σήματος με την χρήση του κατάλληλου κώδικα εξάπλωσης, τότε όλες οι συνιστώσες από κάθε συσχετιστή συνδυάζονται μεταξύ τους για να δώσουν το αρχικό σήμα. Από τη στιγμή που οι συνιστώσες του αρχικού σήματος εξασθενούν ανεξάρτητα η μία από την άλλη, αυτή η μέθοδος βελτιώνει τη συνολική ποιότητα και αποδοτικότητα του σήματος η οποία συλλέγεται στο δέκτη. Ο δέκτης RAKE συλλέγει διάφορες εκδοχές του αρχικού σήματος και τις ενώνει σε ένα τελικό σήμα το οποίο αναπαριστά το σήμα εκπομπής. Αν από το δέκτη RAKE συλλεχθεί ένα και μόνο σήμα, είναι πολύ πιθανό αυτό να είναι πολύ αδύναμο για να μπορέσει να μας δώσει την αρχική μορφή του εκπεμπόμενου σήματος. Αν όμως ληφθούν πολλαπλές εκδοχές του αρχικού σήματος, οι πιθανότητες για την σωστή ανάκτηση του, αυξάνονται σημαντικά 3.6 TD-SCDMA Η ανάπτυξη του προτύπου αυτού ξεκίνησε από την CATT (China Academy of Telecommunication Technology) και την Siemens και βρίσκει ευρεία εφαρμογή κυρίως στην Κίνα. Τον Ιούνιο του 1998 η Κίνα το πρότεινε στην ITU σαν πρότυπο για τρίτης γενιάς συστήματα. Τελικά υιοθετήθηκαν μαζί με το WCDMA και το cdma2000 ως διεθνή πρότυπα τον Μάιο του Τον Μάρτιο του 2001 ο οργανισμός 3GPP το συμπεριέλαβε ως πρότυπο τρίτης γενιάς και η ανάπτυξή του συνεχίζεται μέσω του οργασμού αυτού. Τον Οκτώβριο του 2002, η Κίνα κατένειμε το φάσμα για τις υπηρεσίες τρίτης γενιάς. Συνολικά 155 MHz διατέθηκαν για τα συστήματα TDD (TD- SCDMA) όπως φαίνεται και στο παρακάτω σχήμα: 65

66 Κεφάλαιο 3 Θεωρία Κινητής Τηλεφωνίας Σχήμα 3.6.1: Κατανομή φάσματος για το σύστημα TD-SCDMA στην Κίνα Μια από τις μεγαλύτερες προκλήσεις που έπρεπε να αντιμετωπίσουν τα συστήματα 3G, είναι η διαχείριση τόσο συμμετρικών υπηρεσιών (μετάδοση φωνής και βίντεο), όσο και ασύμμετρων (πρόσβαση στο διαδίκτυο). Για την αντιμετώπιση αυτής της απαίτησης το πρότυπο TD-SCDMA αναπτύσσει διάφορες εξελιγμένες τεχνικές (πολλαπλή ανίχνευση, έξυπνες κεραίες, συγχρονισμό των κινητών σταθμών με το σταθμό βάσης) την πιο ενδιαφέρουσα από τις οποίες (που μας ενδιαφέρει και ιδιαίτερα) θα αναλύσουμε παρακάτω Συστήματα Έξυπνων Κεραιών στο TD-SCDMA Για την βελτίωση της ανθεκτικότητας του συστήματος εναντίον των παρεμβολών οι σταθμοί βάσης του TD-SCDMA είναι εξοπλισμένοι με έξυπνες κεραίες οι οποίες χρησιμοποιούν τεχνικές διαμόρφωσης της δέσμης της κεραίας. Με την χρήση ομοιοκατευθυντικών κεραιών, η εκπεμπόμενη ισχύς διανέμεται σε όλη την περιοχή κάλυψης της κυψέλης. Σαν αποτέλεσμα αυτού δημιουργείται διακυψελική παρεμβολή μεταξύ κυψελών οι οποίες χρησιμοποιούν την ίδια συχνότητα. Αντιθέτως οι έξυπνες κεραίες οι οποίες εκπέμπουν και λαμβάνουν απευθείας από και προς τον κινητό σταθμό, βελτιώνουν την ευαισθησία του σταθμού βάσης, αυξάνουν την ισχύ που δέχεται ο κινητός σταθμός και ελαχιστοποιούν τις ενδοκυψελικές και διακυψελικές παρεμβολές. Η απευθείας μετάδοση μεταξύ σταθμού βάσης και κινητού σταθμού επιτυγχάνεται με την χρήση οχτώ κεραιών σε κυκλική διάταξη με προγραμματιζόμενη ηλεκτρονική φάση. Η ανίχνευση των τερματικών γίνεται με την μέτρηση των σημάτων που καταφθάνουν στον σταθμό βάσης σε διαστήματα των 5ms, και 200 φορές το δευτερόλεπτο (200Hz). Με αυτόν τον τρόπο βελτιώνεται ο CIR και στις δύο κατευθύνσεις κατά 8db, δηλαδή και η διακυψελική παρεμβολή μειώνεται κατά 8db. Αυτό οδηγεί σε βελτιστοποίηση του φάσματος καθώς επίσης και στην μείωση της εκπεμπόμενης ισχύος από τα κινητά τερματικά. Επιπλέον ο αριθμός των σταθμών βάσης οι οποίοι απαιτούνται σε πυκνοκατοικημένες περιοχές μπορεί να μειωθεί. Σε αγροτικές περιοχές οι οποίες είναι αραιοκατοικημένες η ραδιοκάλυψη μπορεί να αυξηθεί με αποτέλεσμα και σε αυτήν την περίπτωση να χρειάζονται λιγότεροι σταθμοί βάσης. 66

67 Κεφάλαιο 3 Θεωρία Κινητής Τηλεφωνίας Σχήμα : Λειτουργία ευφυής κεραίας. Η περαιτέρω μείωση των διακυψελικών παρεμβολών επιτυγχάνεται με την δυναμική κατανομή διαύλων (Dynamic Channel Allocation-DCA). Το σύστημα TD-SCDMA εκμεταλλεύεται όλες τις τεχνικές πολλαπλής πρόσβασης. Κάνοντας σωστή χρήση αυτών των τεχνικών το TD-SCDMA χρησιμοποιεί με βέλτιστο και ευέλικτο τρόπο τους διαθέσιμους πόρους ανάλογα με το σενάριο των παρεμβολών. Οι τέσσερις ακόλουθοι μέθοδοι DCA χρησιμοποιούνται: DCA στο πεδίο του χρόνου (λειτουργία TDMA) Το φορτίο κατανέμεται δυναμικά στις χρονοσχισμές οι οποίες επηρεάζονται λιγότερο από τις παρεμβολές. DCA στο πεδίο της συχνότητας (λειτουργία FDMA) Το φορτίο κατανέμεται δυναμικά στο φέρον το οποίο επηρεάζεται λιγότερο από τις παρεμβολές (σε εύρος ζώνης 5MHz αναπτύσσονται τρία φέροντα TD- SCDMA με συχνότητα 1.6MHz) DCA στο πεδίο του χώρου (λειτουργία SDMA) Οι προσαρμοζόμενες ευφυείς κεραίες επιλέγουν την ευνοϊκότερη κατεύθυνση αποσύνδεσης για κάθε χρήστη, έτσι ώστε να μπορούν κατόπιν να συνδεθούν γρηγορότερα με γειτονικά τερματικά DCA στο πεδίο του κώδικα (λειτουργία CDMA) Το φορτίο κατανέμεται δυναμικά στον κώδικα με την μικρότερη παρεμβολή (σε κάθε χρονοσχισμή συνυπάρχουν 16 κώδικες χρηστών) 3.7 LTE Το σύστημα LTE (Long Term Evolution), το οποίο είναι ευρέως διαδεδομένο και ως 4G ή δίκτυα B3G (Beyond 3G) ή τέλος ως All-IP ασύρματα δίκτυα, σχεδιάστηκε εξαρχής με στόχο την εξέλιξη της τεχνολογίας ραδιοπρόσβασης (radio access) έτσι ώστε όλες οι υπηρεσίες να στηρίζονται στη μεταγωγή πακέτων (packet switched) και όχι στη μεταγωγή κυκλώματος (circuit switched), όπως τα προυπάρχοντα κινητά δίκτυα. Όσο αφορά στην αρχιτεκτονική του δικτύου, ο όρος LTE αντιπροσωπεύει την εξέλιξη της ραδιοπρόσβασης και καλείται Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Network (E- UTRAN), ενώ η εξέλιξη των συστατικών στοιχείων του δικτύου που δεν αποτελούν τη ραδιο-διεπαφή (non-radio aspects) καλύπτονται από τον όρο 67

68 Κεφάλαιο 3 Θεωρία Κινητής Τηλεφωνίας System Architecture Evolution (SAE) ο οποίος περιλαμβάνει και το Evolved Packet Core (EPC) δίκτυο. Οι δύο αυτοί όροι (LTE και SAE) συνθέτουν το Evolved Packet System (EPS). Χαρακτηριστικά του δικτύου όπως η επίπεδη αρχιτεκτονική (flat architecture) καθώς και η χρήση της μεταγωγής πακέτων και του IP πρωτοκόλλου (Internet Protocol) για την επικοινωνία, συμβάλλουν καθοριστικά στην επίτευξη των στόχων που έχουν τεθεί. Οι πιο χαρακτηριστικοί από τους οποίους είναι η βελτίωση της ρυθμαπόδοσης και η μείωση της καθυστέρησης σε επίπεδο χρήστη, η καλύτερη αντιμετώπιση της κινητικότητας και η υποστήριξη handover ακόμα και σε άλλες σταθερής γραμμής ή ασύρματες τεχνολογίες πρόσβασης. Επίσης, εξέχουσα σημασία στην εκπλήρωση των απαιτήσεων του δικτύου κατέχουν οι τεχνολογίες που χρησιμοποιούνται σε φυσικό επίπεδο. Η Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) και η Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) συμβάλλουν στην ελαχιστοποίηση της πολυπλοκότητας του συστήματος και του εξοπλισμού των χρηστών (User Equipment), επιτρέπουν ευέλικτη ανάπτυξη του ραδιοφάσματος σε υπάρχοντα ή νέα φάσματα συχνοτήτων και τέλος καθιστούν δυνατή τη συνύπαρξη του με άλλες 3GPP Radio Access Technologies (RATs). Στο σημείο αυτό πρέπει να αναφερθεί ότι τα «αντίπαλα» πρότυπα για το LTE είναι το Mobile WiMAX και το Ulta-Mobile Broadband (UMB). Το ερευνητικό πεδίο που σχετίζεται με το πρότυπο LTE ήδη γνωρίζει έντονη δραστηριότητα και αναμένεται να επηρεάσει την αγορά σταδιακά Στόχοι του LTE Η τεχνολογία LTE εστιάζει αποκλειστικά στη βελτιστοποίηση της μετάδοσης δεδομένων με μεταγωγή πακέτων, όπως είναι οι πολυμεσικές εφαρμογές. Επίσης, θέτει πολύ υψηλούς και φιλόδοξους στόχους προκείμενου να ξεπεράσει τα όρια των 14,4 Mbps και 5.8 Mbps που επιτυγχάνονται στο HSDPA και HSUPA αντίστοιχα. Οι βασικότερες απαιτήσεις που πρέπει να ικανοποιεί το πρότυπο LTE αναφέρονται στη συνέχεια: Εύρος Ζώνης: Κλιμακωτή χρήση φάσματος εύρους ζώνης της τάξης των 5, 10, 15 και 20 MHz. Επίσης, μπορεί να γίνει και χρήση εύρους ζώνης μικρότερου των 5 MHz (1.5 MHz και 2.5 MHz) για επιπλέον ευελιξία. Ρυθμοί Μετάδοσης: Επίτευξη μέγιστων ρυθμών μετάδοσης της τάξης των 100 Mbps στον κατερχόμενο και 50 Mbps στον ανερχόμενο σύνδεσμο για εύρος ζώνης ίσο με 20 MHz. Mode Λειτουργίας: Λειτουργία της τεχνολογίας LTE τόσο σε FDD όσο και TDD mode. Ρυθμαπόδοση: Επίτευξη 3-4 φορές μεγαλύτερης μέσης ρυθμαπόδοσης χρήστη ανά MHz στον κατερχόμενο σύνδεσμο και αντίστοιχα 2-3 φορές μεγαλύτερης για τον ανερχόμενο σύνδεσμο συγκριτικά με τις εκδόσεις 6 και 7 του προτύπου 3GPP (HSDPA και HSUPA). Αποδοτικότητα φάσματος: Επίτευξη 2-3 φορές μεγαλύτερης αποδοτικότητας φάσματος σε σχέση με την έκδοση 6 του προτύπου 3GPP (HSDPA). Καθυστέρηση: Σημαντική μείωση του χρόνου Round-Trip Time (RTT) από 68

69 Κεφάλαιο 3 Θεωρία Κινητής Τηλεφωνίας το χρήστη έως το σταθμό βάσης στα 5 ms - 10 ms. Κινητικότητα: Δυνατότητα βέλτιστης λειτουργίας του συστήματος για χαμηλές ταχύτητες κίνησης των χρηστών (0-15 χμ/ώρα) καθώς και δυνατότητα υποστήριξης χρηστών που κινούνται σε πολύ υψηλές ταχύτητες. Διαλειτουργικότητα: Δυνατότητα ταυτόχρονης λειτουργίας με μη-3gpp πρότυπα επικοινωνιών καθώς και με τα υπάρχοντα UTRAN/GSM/EDGE Radio Access Network (GERAN) συστήματα κινητών επικοινωνιών. Επίσης, υποστήριξη δυνατότητας handover από και προς τα συστήματα αυτά. Ποιότητα Υπηρεσίας: Υποστήριξη από άκρο σε άκρο ποιότητας υπηρεσίας QoS, για την υποστήριξη απαιτητικών υπηρεσιών σε Quality of Service (QoS) όπως είναι οι VoIP εφαρμογές Πολλαπλές Κεραίες Μία ακόμη τεχνολογία που υπόσχεται ακόμη μεγαλύτερους ρυθμούς μετάδοσης δεδομένων, αυξημένη κάλυψη δικτύου και αυξημένη χωρητικότητα στην τεχνολογία LTE είναι αυτή των πολλαπλών κεραιών. Η χρήση τους επιτρέπει την εκμετάλευση του πεδίου του χώρου (spatial domain), έχοντας σαν αποτέλεσμα η απόδοση φάσματος να αυξάνει γραμμικά με την αύξηση των κεραιών εκπομπής και λήψης. Η τεχνολογία πολλαπλών κεραιών μπορεί να χρησιμοποιηθεί με διάφορους τρόπους, ανάλογα με το πλήθος των κεραιών που υπάρχουν στον πομπό και στο δέκτη (SIMO,MISO,MIMO), ή ανάλογα τον τρόπο σύνδεσης του συστήματος κεραιών με τον UE (Single-User για p-t-p και Multi-User για p-t-m). Όλοι αυτοί στηρίζονται σε τρεις βασικές αρχές οι οποίες παρουσιάζονται στην και είναι οι ακόλουθες: Diversity gain. Χρήση της ποικιλομορφίας στο χώρο που παρέχεται απο τις πολλαπλές κεραίες, έτσι ώστε να βελτιωθεί η ανθεκτικότητα της μετάδοσης ενάντια στην εξασθένιση από τις πολλαπλές διαδρομές (multipath fading). Array gain. Συγκέντρωση της ενέργιας σε μία ή περισσότερες κατευθύνσεις (επιτρέπει την ταυτόχρονη εξυπηρέτηση πολλαπλών χρηστών που βρίσκονται σε διαφορεκά σημεία MU-MIMO). Spatial Multiplexing gain. Μετάδοση πολλαπλών ροών (signal stream) σε ένα χρήστη σε πολλαπλά επίπεδα χώρου που έχουν δημιουργηθεί από τις διαθέσιμες κεραίες. Πιο ενδιαφέρουσα είναι η περίπτωση της μετάδοσης πολλαπλής εισόδουπολλαπλής εξόδου (Multiple Input- Multiple Output) στην οποία ωστόσο συχνά περικλείονται και οι SIMO και MISO σαν ειδικές περιπτώσεις. Συγκεκριμένα, η τεχνολογία MIMO συνίσταται στην ύπαρξη πολλαπλών κεραιών (κεραιοσυστημάτων) τόσο στον πομπό- σταθμό βάσης όσο και στο δέκτη-ue. Σε πρώτη φάση υποστηρίζεται η ύπαρξη MIMO κεραιοσυστημάτων 2x2 (δύο κεραίες στο σταθμό βάσης και δύο κεραίες στη συσκευή του χρήστη) για την επίτευξη υψηλής απόδοσης, ενώ είναι δυνατό να γίνει χρήση 69

70 κεφάλαιο 4 Έξυπνη Τεχνολογία Σε αυτό το κεφάλαιο θα εμβαθύνουμε θεωρητικά και δούμε τις αρχές λειτουργίας των έξυπνων συστημάτων. Ιδιαίτερα θα δοθεί μεγάλη έμφαση στους αλγόριθμους που απαρτίζουν τον πυρήνα αυτών των συστηματων. Η θεωρία πίσω από τις έξυπνες κεραίες δεν είναι καινούρια. Η τεχνική είχε για πολλά χρόνια χρησιμοποιηθεί στον ηλεκτρονικό πόλεμο (EWF) σαν αντίμετρο στην ηλεκτρονική παρεμβολή. Σε στρατιωτικά συστήματα ραντάρ παρόμοιες τεχνικές χρησιμοποιούνταν ήδη από τον 2 ο Παγκόσμιο Πόλεμο. Υπάρχουν σε γενικές γραμμές διάφοροι τρόποι με τους οποίους μια προσαρμοστικά διευθετήσιμη ακτίνα κεραιών μπορεί να παραχθεί, παραδείγματος χάριν με μηχανικά οδηγούμενες κεραίες. 4.1 ΑΡΧΕΣ ΕΞΥΠΝΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ Με τον όρο έξυπνη κεραία, δεν χαρακτηρίζουμε την ίδια τη κεραία, αλλά το πλήρες σύστημα κεραιών, συμπεριλαμβανομένης και της επεξεργασίας σήματος. Η μονάδα ελέγχου καλείται νοημοσύνη της έξυπνης κεραίας και πραγματοποιείται χρησιμοποιώντας έναν ψηφιακό επεξεργαστή σήματος (Digital Signal Processor, DSP). Ο επεξεργαστής ελέγχει παραμέτρους τροφοδοσίας της κεραίας, βασισμένες σε διάφορες εισόδους, έτσι ώστε να βελτιστοποιήσει τη σύνδεση. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν διάφορα κριτήρια βελτιστοποίησης. Αυτό δείχνει ότι η έξυπνη κεραία είναι περισσότερο από μια απλή κεραία. Είναι μια ολοκληρωμένη έννοια πομποδέκτη 70

71 Κεφάλαιο 4 Έξυπνη Τεχνολογία Η χρησιμοποίηση των έξυπνων κεραιών αποσκοπεί στο να μπορεί ο σταθμός βάσης να εντοπίζει τον επιθυμητό χρήστη, να τον απομονώνει, από τους άλλους, καταστέλλοντας σε μεγάλο βαθμό τις παρεμβολές. Με αυτό τον τρόπο παρέχονται καλύτερες υπηρεσίες στον επιθυμητό χρήστη. Η εφαρμογή των έξυπνων κεραιών μπορεί να δώσει πολλές λύσεις, όταν έχουμε χρησιμοποίηση τεχνικών πολλαπλής πρόσβασης, όπου διαφορετικοί χρήστες μοιράζονται το ίδιο μέσο μετάδοσης Επεξεργασία Σήματος Η μονάδα επεξεργασίας σήματος, βασιζόμενη στο ληφθέν σήμα, υπολογίζει τα μιγαδικά βάρη w 1-w N με τα οποία το ληφθέν, από το καθένα από τα στοιχεία της κεραίας, σήμα πολλαπλασιάζεται. Αυτά τα βάρη θα αποφασίσουν για το διάγραμμα κεραίας στην διεύθυνση της άνω ζεύξης. Τα βάρη μπορούν να βελτιστοποιηθούν με δύο κύρια κριτήρια: με μεγιστοποίηση του ληφθέντος, από τον επιθυμητό χρήστη, σήματος (π.χ. Switched Lobe ή Phased Array, βλέπε αντίστοιχη παράγραφο) ή με μεγιστοποίηση του SIR καταπιέζοντας το σήμα που προέρχεται από τις παρεμβάλουσες πηγές (π.χ. Adaptive Array). Θεωρητικά με Μ στοιχεία κεραίας μπορούν να μηδενιστούν Μ-1 παρεμβολές, αλλά λόγω του προβλήματος της διάδοσης πολλαπλών διαδρομών ο αριθμός αυτός είναι συνήθως μικρότερος. Η μέθοδος για τον υπολογισμό των βαρών διαφέρει ανάλογα με τον τύπο του κριτηρίου βελτιστοποίησης. Όταν χρησιμοποιείται Switched Lobe (SL), o δέκτης θα ελέγξει όλα τα προκαθορισμένα διανύσματα βάρους (που αντιστοιχούν στους λοβούς) και θα επιλέξει αυτό που δίνει το ισχυρότερο επίπεδο λαμβανόμενου σήματος. Αν χρησιμοποιείται η Phased Array (PA) προσέγγιση, η οποία περιλαμβάνει την κατεύθυνση μιας ακτίνας μέγιστου κέρδους προς το ισχυρότερο σήμα, τότε πρώτα υπολογίζεται η διεύθυνση άφιξης (Direction-of-Arrival, DoA) και στη συνέχεια υπολογίζονται τα βάρη με ομοιόμορφο, με την επιθυμητή γωνία στρέψης, πλάτος και φάση Σχηματισμός Λοβών Ο πραγματικός υπολογισμός του βάρους του λαμβανόμενου, από τα καθένα από τα στοιχεία της συστοιχίας, σήματος πραγματοποιείται στη μονάδα σχηματισμού λοβών. Στην πιο προηγμένη περίπτωση αυτή η μονάδα είναι μία ενσωμάτωση του ισοσταθμιστή καναλιού/δέκτη RAKE και της έξυπνης κεραίας. Σ αυτή την περίπτωση χρειάζονται ΝxD βάρη, όπου D είναι ο αριθμός των περιόδων συμβόλων (βάθος) στον ισοσταθμιστή ή ο αριθμός των άκρων (fingers) στον δέκτη RAKE. Αυτό ονομάζεται spatio-temporal filter, επειδή αφαιρεί τα μη επιθυμητά συστατικά του σήματος και διατηρεί τα επιθυμητά τόσο στην περιοχή του χώρου όσο και σ αυτή του χρόνου. Τέτοια μονάδα φαίνεται σχηματικά στην ακόλουθη εικόνα. Σε αυτό το παράδειγμα ο αριθμός των βαρών είναι Νx3 πράγμα το οποίο δείχνει ότι το βάθος του ισοσταθμιστή είναι 3. Ο χρόνος μεταξύ των λήψεων κάθε στοιχείου κεραίας είναι Τ. Σε έναν δέκτη RAKE η χρονική καθυστέρηση μεταξύ των λήψεων δεν είναι ομοιόμορφη. Όταν ο σχηματισμός λοβού γίνεται ψηφιακά (μετά από Α/D) τότε οι μονάδες σχηματισμού λοβών και επεξεργασίες σήματος είναι συνήθως ενσωματωμένες στην ίδια μονάδα, που τότε ονομάζεται DSP. O διαχωρισμός στο σχήμα έγινε 71

72 Κεφάλαιο 4 Έξυπνη Τεχνολογία για να διευκρινιστεί αυτή η λειτουργία. Είναι επίσης πιθανή η πραγματοποίηση της λειτουργίας σχηματισμού λοβών στο υλικό σε ραδιοσυχνότητητα (RF) ή σε μεσαία συχνότητα (ΙF). 4.2 ΠΡΟΣΕΓΓΙΣΕΙΣ ΕΞΥΠΝΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ Όταν χρησιμοποιούμε στους σταθμούς βάσης ομοιοκατευθυντικές κεραίες για την εκπομπή σημάτων μόνο ένα μικρό μέρος της ενέργειας που εκπέμπουμε φτάνει στον επιθυμητό χρήστη, ενώ την ίδια στιγμή η υπόλοιπη ενέργεια θα πάει χαμένη και πιθανότατα θα προκαλέσει παρεμβολές σε άλλους χρήστες του δικτύου. Γίνεται λοιπόν εύκολα κατανοητό, ότι οι ζεύξεις με συμβατικές κεραίες είναι ανεπαρκείς, τόσο από πλευράς εκπεμπόμενης ισχύος, όσο και από πλευράς χωρητικότητας του δικτύου. Τα συστήματα έξυπνων κεραιών έχουν ακριβώς ως στόχο να ελαττώσουν την εκπεμπόμενη ισχύ προς κάθε κατεύθυνση και να προσδώσουν στη ζεύξη κατευθυντικότητα, ώστε να φτάσει στον επιθυμητό χρήστη η μέγιστη δυνατή ισχύς και στους υπόλοιπους χρήστες οι ελάχιστες δυνατές παρεμβολές. Θα παρουσιαστούν στην συνέχεια οι διαφορετικές δομές δεκτών, για την κατασκευή έξυπνων κεραιών και θα αναλυθούν τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα που χαρακτηρίζουν αυτές τις κατασκευές Switched Beam 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 της κεραίας την παρούσα χρονική στιγμή εκφράζεται μέσω του διανύσματος Μ συνιστωσών X Μ, 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 X Μ και ένα σήμα αναφοράς. Σχήμα 4.2.1: Switched Beam υλοποίηση H προσέγγιση του προβλήματος με έξυπνες κεραίες μεταγωγής λοβών μπορεί να αποτελέσει το πρώτο βήμα για τη λύση του προβλήματος με πιο εξελιγμένες 72

73 Κεφάλαιο 4 Έξυπνη Τεχνολογία τεχνικές. Η μέθοδος αυτή χρησιμοποιεί έναν αριθμό από σταθερούς λοβούς ακτινοβολίας, στραμμένους σε διαφορετικές διευθύνσεις. Στην πιο απλή του μορφή ο αλγόριθμος αυτός επιλέγει για κάθε χρήστη της κυψέλης το λοβό που μεγιστοποιεί την ισχύ του λαμβανόμενου σήματος του χρήστη. 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. Η ιδέα της μεταγωγής λοβών γίνεται φανερή και από το σχήμα της επόμενης σελίδας. Σε αυτό έχουμε την περίπτωση ενός τομέα στον οποίο έχουμε τοποθετήσει μια έξυπνη κεραία με τρεις σταθερούς λοβούς ακτινοβολίας. Κάθε λοβός έχει εύρος 40 0 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 Η ταχύτητα δεν αποτελεί πρόβλημα για την υλοποίηση SB 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. Το βασικό πρόβλημα της μεθόδου αυτής εντοπίζεται, όταν η παρεμβολή είναι ισχυρότερη από το επιθυμητό 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 Phased Αrray 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 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 ιδωθεί σαν μια γενίκευση της έννοιας switched lobe. Σε αυτή την περίπτωση μεγιστοποιείται η λαμβανόμενη ισχύς Adaptive Αrrays 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). 73

74 Κεφάλαιο 4 Έξυπνη Τεχνολογία Σχήμα 4.2.3: Adaptive Array 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 της κεραίας την παρούσα χρονική στιγμή εκφράζεται μέσω του διανύσματος Μ συνιστωσών X Μ, 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 X Μ και ένα σήμα αναφοράς. 4.3 ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΙ DOA Το έξυπνο σύστημα εκτίμησης μιας κεραίας της κατεύθυνσης άφιξης του σήματος, χρησιμοποιεί τεχνικές όπως η MUSIC (Multiple Signal Ταξινόμηση), την εκτίμηση των παραμέτρων του σήματος μέσω τεχνικών περιστροφής invariance (ESPRIT) αλγόριθμοι, Matrix Pencil μεθόδων ή ενός από τα παράγωγά τους. Αφορούν την εξεύρεση χώρου φάσμα της κεραίας / Β συστοιχία αισθητήρων, καθώς και τον υπολογισμό του DOA από τις κορυφές του εν λόγω φάσματος. Αυτοί οι υπολογισμοί είναι υψηλής έντασης υπολογισμών. Οι προσαρμοστικές συστοιχίες αισθητήρων επεξεργασίας σήματος, που είναι γνωστές επίσης ως έξυπνες κεραίες, χρησιμοποιούνται ευρέως στα τρίτης γενιάς (3G) συστήματα εξαιτίας της ικανότητάς τους να 74