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Tecnologia de antena em comunicações móveis
2021-10-11 www.whwireless.com
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o antena é um componente indispensável da comunicação móvel e desempenha um papel muito importante, está localizado entre o transceptor e o espaço de propagação das ondas eletromagnéticas e atinge uma transferência de energia eficaz entre os dois. Ao projetar as características de radiação da antena, a distribuição espacial da energia eletromagnética pode ser controlada para melhorar a utilização de recursos e otimizar a qualidade da rede. Especialmente no desenvolvimento de 3G, a Antena Inteligente se tornou um ponto importante na recente pesquisa internacional de comunicação móvel.
A, antena móvel usando a tecnologia-chave
⒈ oscilador simétrico e conjunto de antenas
A forma de antena usada na atual comunicação móvel é principalmente antena de linha, isto é, o comprimento do corpo de radiação da antena l é muito maior do que seu diâmetro d antena de linha é baseada no oscilador simétrico. Quando o comprimento de onda determinado pela mudança de frequência da corrente de alta frequência através do fio é muito maior que o comprimento do fio, pode-se considerar que a amplitude e a fase da corrente no fio são iguais, apenas seu valor com tempo t para mudanças senoidais, este fio curto é chamado de elemento de corrente ou dipolo Hertziano, ele pode ser usado como uma antena independente ou se tornar uma unidade componente de antena complexa. O campo eletromagnético da antena complexa no espaço pode ser visto como o resultado da adição iterativa de campos eletromagnéticos gerados por muitos elementos atuais. A potência irradiada de um elemento de corrente é a média da energia eletromagnética irradiada para fora da esfera por unidade de tempo. A energia do campo irradiado não será mais devolvida à fonte de onda, então é uma perda de energia para a fonte. Apresentando o conceito de circuito, usamos a resistência equivalente para expressar essa parte da potência irradiada, então essa resistência é chamada de resistência de radiação, a resistência de radiação do elemento de corrente é:
RΣ = 80π2 (l / λ) 2 (l)
O diagrama direcional do elemento de corrente pode ser obtido integrando o cálculo. Quando l / λ <0,5, conforme l / λ aumenta, o mapa direcional torna-se nítido e tem apenas o flap principal, que é perpendicular ao eixo do oscilador; quando l / λ> 0,5, surge um retalho secundário e, à medida que l / λ aumenta, o retalho secundário original torna-se gradualmente o retalho principal, enquanto o retalho principal original torna-se o secundário; quando l / λ = 1, o retalho principal desaparece. Esta mudança na direcionalidade é causada principalmente pela mudança na distribuição de corrente no oscilador.
Vários osciladores simétricos combinados para formar o conjunto de antenas. De acordo com o arranjo do oscilador simétrico, o matriz de antena pode ser dividido em matriz linear, matriz plana e matriz tridimensional, etc., diferentes arranjos têm diferentes fatores de matriz. De acordo com o princípio da multiplicação direcional, usando o mesmo oscilador simétrico que o conjunto de antenas da antena unitária, desde que a posição de alinhamento ou fase de alimentação, você possa obter características direcionais diferentes. Comunicação móvel no antena omnidirecional de alto ganho da estação base é o oscilador para arranjo coaxial, compressão da superfície vertical da largura do feixe, e a energia da radiação concentrada na direção perpendicular ao oscilador, a fim de melhorar o ganho da antena.
o características direcionais da antena e ganho
As características direcionais da antena podem ser usadas para descrever o gráfico direcional, mas o número para expressar a concentração de energia eletromagnética da radiação da antena é frequentemente usado coeficiente direcional D. É definido como: na mesma potência de radiação, antena direcional em a direção máxima da radiação na área distante de um ponto de densidade de fluxo de potência (área da unidade através da potência do campo elétrico, é proporcional ao quadrado da intensidade do campo elétrico) e nenhuma antena direcional no ponto de densidade de fluxo de potência. densidade da relação.
E como a perda da própria antena é muito pequena, pode-se considerar que a potência de radiação da antena é pequena, pode ser considerada a potência de radiação mundial igual à potência de entrada, ou seja, a eficiência da antena η = 100%, então a antena ganho G = η - D = D, ou seja, o ganho da antena e o coeficiente direcional da antena no valor é igual.
Para melhorar o ganho da antena, no caso de manter as mesmas características de radiação no plano horizontal, contam principalmente com a redução da largura do flap de radiação do plano vertical. A alteração do comprimento do vibrador no ganho é muito limitada, o conjunto de antenas é atualmente o principal meio para atingir alto ganho. A matriz linear é a mais simples e prática matriz de antena omnidirecional , em linha com o eixo do vibrador no mesmo eixo, de acordo com uma certa distância de intervalo para organizar uma série de oscilador de radiação, pode estar no plano perpendicular ao eixo do campo de radiação intensificado. Porém, para obter os melhores resultados, o espaçamento entre os osciladores e a fase de alimentação deve ser devidamente selecionado. Como uma unidade de radiação, pode usar oscilador de meia onda ou no plano horizontal tem desempenho omnidirecional de outras fontes de radiação, como oscilador dobrado ou uma variedade de antenas coaxiais, etc. , requer que a unidade de radiação obtenha a mesma amplitude e alimentação de fase, alimentação e alimentação em série de dois tipos de alimentação. Outra antena omnidirecional de alto ganho é uma série de antenas direcionais são orientados em direções diferentes, formando uma aproximação da radiação omnidirecional. No entanto, quando a antena deve ser erguida na seção intermediária de uma grande torre, a direcionalidade do conjunto de antenas coaxiais será destruída devido à influência da reflexão da torre, quando o conjunto de antenas direcionais disposto razoavelmente em torno da torre pode Resolva esse problema. Mais importante, quando a multiplexação de frequência em sistema de comunicação celular, antena direcional pode reduzir melhor a mesma interferência de frequência vizinha e melhorar a taxa de multiplexação de frequência. Refletor de ângulo de 120o ou refletor de plano de 120o pode ser usado em células de setor de 120o, refletor de ângulo de 60o pode ser usado em célula de setor de 60o.
A antena omnidirecional é geralmente usada para rede sem número de usuário móvel ou área de densidade mais baixa do usuário, como subúrbio, áreas rurais, etc., seu valor direcional horizontal deve ser 360o, a largura do feixe de meia potência vertical de acordo com o ganho da antena pode ter 13o ou 6,5o. antena direcional é geralmente usado para área de maior densidade de usuário móvel, como urbano, estação, centro comercial, etc., sua largura de feixe de meia potência horizontal geralmente 65o, 90o, 105o, 120o, largura de feixe de meia potência vertical de acordo com o ganho da antena pode ter 34o, 16o ou 8o, etc.
O uso de tecnologia de diversidade para melhorar o ganho
Devido ao ambiente de propagação pobre, o sinal sem fio irá produzir desvanecimento de profundidade e deslocamento Doppler, etc., de modo que o nível de recepção até o nível de ruído térmico próximo, a fase também produz mudanças aleatórias ao longo do tempo, o que leva ao declínio da qualidade da comunicação. Nesse sentido, podemos usar a tecnologia de recepção de diversidade para mitigar o impacto do desbotamento, ganhar diversidade e melhorar a sensibilidade de recepção. A antena de diversidade possui diversidade espacial, diversidade direcional, diversidade de polarização e diversidade de componentes de campo. A diversidade espacial é o uso de várias antenas receptoras para atingir. Na extremidade de transmissão, usando um par de antenas para transmitir, e na extremidade de recepção, usando várias antenas para receber. A distância entre as antenas na extremidade receptora d ≥ λ / 2 (λ para o comprimento de onda de trabalho), para garantir que as características de decaimento do sinal de saída da antena receptora sejam independentes umas das outras, ou seja, quando o sinal de saída de um antena receptora é muito baixo, a saída de outras antenas receptoras não é necessariamente neste mesmo momento também aparecem fenômeno de baixa amplitude, pelo circuito de fusão correspondente para selecionar a amplitude do sinal, a melhor relação sinal-ruído de todo o caminho, para obter um a amplitude do sinal e a relação sinal-ruído são selecionadas pelo circuito de fusão correspondente para obter um sinal de saída de antena de recepção total. Isso reduz o efeito de enfraquecimento do canal e melhora a confiabilidade da transmissão. Esta técnica é usada em sistemas de comunicação móvel de divisão de frequência analógica (FDMA), sistemas de divisão de tempo digital (TDMA) e sistemas de divisão de código (CDMA).
A vantagem da recepção de diversidade espacial é o alto ganho de diversidade, mas a desvantagem é que um antena de recepção separada É necessário. A fim de superar esta desvantagem, nos últimos anos e a produção de antena direcional de polarização dupla. Na comunicação móvel, duas no mesmo lugar, a direção de polarização ortogonal entre si as antenas emitidas pelo sinal apresentam características de desvanecimento mutuamente não correlacionadas. O uso deste recurso, no mesmo local no transmissor na polarização vertical e na polarização horizontal dois pares de antenas transmissoras, no mesmo local no receptor na polarização vertical e na polarização horizontal dois pares de antenas receptoras, você pode obter dois características de desbotamento da estrada do componente de polarização Ex e Ey não relacionadas. a chamada antena de polarização dupla direcional é a polarização vertical e a polarização horizontal de dois pares de antenas receptoras integradas em uma entidade física, através da polarização da diversidade de recepção para alcançar o efeito de recepção de diversidade espacial, então a diversidade de polarização é realmente especial caso de diversidade espacial. A vantagem desse método é que ele requer apenas uma antena, que é compacta e economiza espaço. A desvantagem é que seu efeito de recepção de diversidade é inferior ao da diversidade espacial antenas de recepção e, como a potência de transmissão deve ser distribuída às duas antenas, isso causará uma perda de potência do sinal de 3dB.
O ganho de diversidade depende das características não correlacionadas das antenas da estação base e é obtido separando as posições da antena na direção horizontal ou vertical. A separação da localização espacial garante que as duas antenas receptoras recebam os sinais da estação móvel de caminhos diferentes, e também faz com que as duas antenas atendam aos requisitos de um certo grau de isolamento. Se antenas de polarização cruzada forem usadas, os mesmos requisitos de isolamento devem ser atendidos. Para a diversidade de polarização da antena de polarização dupla, a ortogonalidade da antena em duas fontes de radiação de polarização cruzada é o principal fator para determinar o ganho de diversidade do uplink do sinal sem fio. O ganho de diversidade depende se as duas fontes de radiação de polarização cruzada na antena de polarização dupla fornecem a mesma intensidade de campo de sinal na mesma área de cobertura. As duas fontes de polarização cruzada devem ter boas características ortogonais e manter boas características de rastreamento horizontal em todo o setor 120o e sobreposição de comutação, substituindo a cobertura alcançada pela antena de diversidade espacial. Mais cruzado antenas polarizadas têm boas características elétricas na direção da aba principal do diagrama de campo da antena, mas para a antena da estação base, também é necessário manter boas características de polarização cruzada na borda da célula e dentro da sobreposição de comutação. Para obter o efeito de cobertura, a antena deve ter uma alta resolução de polarização cruzada em toda a faixa do setor. Antena dupla polarizada em todo o setor das características ortogonais, ou seja, os dois diversidade recebem sinal da porta da antena não correlacionada, determinam o efeito de diversidade total da antena dupla polarizada. Para obter um bom sinal de características não correlacionadas na antena dual-polarizada das duas portas de recepção, o isolamento entre as duas portas geralmente requer mais de 30dB.
A antena de diversidade separa os sinais de multipercurso de modo que eles não sejam correlacionados uns com os outros e, em seguida, os sinais separados são combinados através da combinação de técnicas para obter o ganho máximo de relação sinal-ruído. Os métodos de mesclagem comumente usados são mesclagem seletiva, mesclagem de comutação, mesclagem de proporção máxima, mesclagem de ganho igual, etc., este artigo não será discutido em detalhes.
Em segundo lugar, tecnologia de antena inteligente
⒈ limitações da antena tradicional
Nos últimos anos, com o desenvolvimento contínuo das necessidades de comunicação, a tecnologia de antena inteligente tornou-se o foco das atenções, ajudando as operadoras de rede sem fio a atingir dois objetivos muito valiosos: melhorar a taxa de transmissão de dados mais alta e aumentar a capacidade da rede. Nas redes GPRS, EDGE e 3G, as operadoras estão começando a usar redes sem fio para oferecer serviços de pacote de dados a seus assinantes. Tal como acontece com os serviços de voz, os serviços de dados também requerem uma certa qualidade de sinal de rádio para atingir a taxa de transmissão necessária, que depende da relação portadora para interferência (C / I) da rede. Uma relação C / I baixa afetará seriamente a taxa de transmissão e a qualidade do serviço; nos estágios intermediários e finais do Rede GSM , a capacidade do sistema está aumentando, as células estão se dividindo e o consequente aumento na interferência está impedindo aumentos adicionais na capacidade do sistema, de modo que as antenas omnidirecionais e direcionais tradicionais não são mais suficientes. As antenas inteligentes usam tecnologia de processamento de sinal digital para gerar um feixe direcionado espacialmente, fornecendo a cada usuário um feixe direcional estreito para que o sinal seja transmitido e recebido em uma área direcional efetiva, fazendo uso total da potência de transmissão efetiva do sinal e reduzindo o poluição eletromagnética e interferência mútua causada pela emissão omnidirecional do sinal, melhorando assim a razão portadora-seca, e com uma razão portadora-seca melhorada, taxas de transmissão de dados mais altas e maior capacidade de rede.
A interferência é um fator importante no desempenho e limitações de capacidade dos sistemas celulares, causando crosstalk, perda de chamada ou degradação do sinal de chamada e distração do usuário e, o mais importante, limita a rigidez das frequências reutilizáveis operacionais e, portanto, a extensão da capacidade de transporte de tráfego pode ser extraído do espectro de RF fixo. A interferência pode vir de outro terminal móvel, outros locais de celular operando na mesma frequência ou energia de RF fora da banda vazando para o espectro alocado. Os tipos mais comuns de interferência celular são interferência de canal e interferência de canal adjacente. A interferência co-canal é causada por emissões de células não adjacentes usando a mesma frequência. Essa interferência é mais perceptível perto da fronteira celular, quando a separação física de células vizinhas usando a mesma frequência está em seu nível mais baixo. A interferência do canal adjacente é causada pelo vazamento de células vizinhas usando a mesma frequência para o canal do usuário. Isso ocorre em canais adjacentes onde o usuário está operando próximo ao receptor de assinante do telefone ou onde o sinal do usuário é significativamente mais fraco do que o do usuário do canal adjacente. Para o usuário, uma relação C / I mais alta significa menor interferência, menos chamadas perdidas e melhor qualidade de áudio; para o operador, um C / I mais alto permite distâncias de sinal mais longas e multiplexação de frequência mais estreita, aumentando, portanto, a capacidade de todo o sistema.
Peal Multibeam Smart Antenna
A antena inteligente é um conjunto de antenas, consiste em N unidades de antena, cada unidade de antena tem M conjuntos de pesadores, pode formar M diferentes direções do feixe, o número de usuários M pode ser maior que o número de unidades de antena N. De acordo com a forma do mapa de direção da antena usado, a antena inteligente pode ser dividida em 2 categorias: antena multifeixe e matriz de antena adaptável.
Antenas multifeixe use vários feixes paralelos para cobrir toda a área do usuário, com cada feixe apontando em uma direção fixa e a largura do feixe variando com o número de elementos na matriz. Conforme o usuário se move pela célula, a estação base seleciona um feixe diferente de acordo para tornar o sinal recebido o mais forte. No entanto, como seus feixes não são direcionados arbitrariamente, eles só podem ser parcialmente combinados com o ambiente de transmissão atual. Quando o usuário não está no centro do feixe fixo, mas na borda do feixe, e o sinal de interferência está no centro do feixe, o efeito de recepção é o pior, então a antena multifeixe não consegue obter o melhor recepção de sinal. No entanto, em comparação com o arranjo de antenas adaptáveis, tem as vantagens de uma estrutura simples, não há necessidade de julgar a direção de chegada dos sinais do usuário e o tempo de resposta rápido. Mais importante, o mesmo feixe do uplink também pode ser usado para o downlink, proporcionando ganho no downlink também. No entanto, devido à distorção do setor, como a diferença nos mapas direcionais entre os feixes, o ganho obtido por uma antena multifeixe não é uniformemente distribuído em relação ao ângulo. Às vezes, pode chegar a 2dB de diferença entre os feixes e também há a possibilidade de travarem no feixe errado devido a multipercurso ou interferência, pois não podem suprimir sinais de interferência que estão no mesmo feixe do sinal útil. As antenas multifeixe, também conhecidas como antenas de comutação de feixe, podem, na verdade, ser vistas como uma técnica entre antenas direcionais setoriais e antenas totalmente adaptáveis. Antena multifeixe vale estudar o seguinte conteúdo: como dividir o espaço aéreo, ou seja, determinar o problema do feixe, incluindo o número e a forma; implementação de rastreamento de feixe, principalmente se refere à implementação de algoritmos de busca rápida, etc .; comutação de feixe e relação teórica de formação de feixe adaptativa, etc.
Matriz de Antena Adaptável
Adaptive Antenna Array (Adaptive Antenna Array), inicialmente usado em radar, sonar, militar, usado principalmente para completar a filtragem espacial e posicionamento, como o radar phased array é um array de antenas adaptativas relativamente simples. A antena adaptável é um conjunto de antenas que ajusta continuamente seu próprio mapa direcional por meio de controle de feedback. Seu mapa direcional é semelhante ao de uma ameba, que não tem forma fixa e muda com o sinal e a interferência. Geralmente use 4 ~ 16 estrutura de elemento de matriz de antena, espaçamento de elemento de matriz de 1/2 comprimento de onda, espaçamento é muito grande, cada grau de correlação de sinal recebido é reduzido, o espaçamento é muito pequeno formará subflap desnecessário no mapa direcional. A antena inteligente usa tecnologia de processamento de sinal digital (DSP) para identificar a direção de chegada do sinal do usuário e formar o feixe principal nesta direção para fornecer um canal espacial. Como a antena adaptativa pode formar mapas direcionais de antena diferentes e pode ser atualizada com design de software para completar o algoritmo adaptativo e ajustar o mapa direcional de forma adaptativa, pode aumentar a flexibilidade do sistema sem alterar a configuração de hardware do sistema, por isso também é conhecido como antena de software. A desvantagem do arranjo de antenas adaptáveis é que o algoritmo é mais complexo e a resposta dinâmica é mais lenta.
O núcleo de antena adaptativa pesquisa é o algoritmo adaptativo, muitos algoritmos bem conhecidos têm sido propostos, em geral, existem duas categorias de algoritmos não cegos e algoritmos cegos. Algoritmo não cego é o algoritmo que precisa usar o sinal de referência (sequência de frequência guia ou canal de frequência guia), neste momento o receptor sabe o que é enviado, o processamento do algoritmo determina primeiro a resposta do canal e, em seguida, de acordo com certos critérios, como o critério de zero forçado ideal (Zero Forcing) para determinar o valor de ponderação, ou diretamente de acordo com certos critérios para determinar ou ajustar gradualmente o valor de ponderação, a fim de tornar a saída da antena inteligente e a correlação máxima de entrada conhecida os mais comumente usados os critérios de correlação são MMSE (Minimum Mean Square Error), LMS (Least Mean Square) e LS (Least Squares). Algoritmos cegos não requerem o transmissor para transmitir um sinal de frequência conhecido, o algoritmo de feedback de decisão (Feedback de decisão) é um tipo especial de algoritmo cego, o receptor estima o sinal enviado e o usa como um sinal de referência para o processamento acima, mas deve-se notar que o sinal de decisão e o sinal real transmitido entre um pequeno erro. Algoritmos cegos geralmente fazem uso de recursos inerentes ao próprio sinal modulado, independente dos bits específicos de informação transportados, e são comumente baseados em vários algoritmos baseados em gradiente usando diferentes quantidades de restrições. Os algoritmos não cegos são geralmente menos sujeitos a erros e convergem mais rápido do que os algoritmos cegos, mas requerem uma certa quantidade de recursos do sistema desperdiçados. O canal de serviço da multiplexação por divisão de tempo.
Deve-se observar que a antena inteligente usa o feixe fugitivo para o sinal de uplink de cada usuário, mas quando o usuário não está transmitindo, apenas no estado de recepção, e está se movendo na área de cobertura da estação base (estado ocioso), a base estação é impossível saber a localização do usuário, só pode usar o feixe omnidirecional para transmitir (como síncrono, broadcast, paging e outros canais físicos no sistema), ou seja, a estação base deve ser capaz de fornecer omnidirecional e direcional do feixe fugitivo. Isso requer uma potência de transmissão muito maior para canais omnidirecionais, o que deve ser levado em consideração ao projetar o sistema.
Exemplos de canto de antena inteligente formulários
Algumas antenas inteligentes já estão em uso comercial, como o sistema de antena inteligente SpotLight GSM da Metaware nos Estados Unidos, que tem sido usado com bons resultados pela Shanghai Unicom, substituindo um 120 ° antena setorial com quatro 30 ° antenas. O sistema depende de um algoritmo patenteado de seleção de feixe ideal para converter os feixes de transmissão e recepção. A energia RF é transmitida a jusante em um 30 ° feixe em cada intervalo de tempo em vez de 120 ° setor, então a interferência co-canal é significativamente reduzida em células vizinhas. Da mesma forma, o feixe aberto para receber interferência co-canal é efetivamente reduzido de 120 ° a 30 °. Isso reduz efetivamente a interferência co-canal por um fator de 4 para o 30 ° antena comparada a uma única 120 ° antena de setor , que é teoricamente equivalente a uma melhoria de 6dB C / I. Esse ganho resulta em uma melhoria tanto no uplink (aparelho-estação base) quanto no downlink (estação base-telefone móvel) do canal de comunicação.
são melhorados. No lado do uplink, a proporção de portadora para células secas com sistemas de antenas inteligentes é aumentada, enquanto no lado de downlink, a proporção de portadora para células secas na mesma faixa de frequência que já eram visíveis é aumentada. O SpotLight GSM realiza a conversão do feixe sem comunicação adicional com a estação base, de modo que a instalação do sistema SpotLight GSM não aumenta a carga de comunicação na estação base. Na verdade, a carga do processador da estação base é reduzida devido a menos chamadas de teste inválidas e rediscagem devido à interferência ou cobertura ruim. Além disso, verificou-se que nas células onde a Antena Inteligente foi usada, não apenas a capacidade e a qualidade da rede nas células melhoraram efetivamente, mas a potência média recebida e transmitida dos telefones celulares nas células diminuiu em 2-3dB, especialmente a potência de transmissão dos telefones móveis, que caiu para 54% do nível original, e a porcentagem de telefones móveis transmitindo com potência total diminuiu de 22% para 8%. os holofotes GSM Inteligente Ao reduzir a potência de transmissão e recepção de telefones celulares, a antena reduz a radiação de ondas eletromagnéticas de telefones celulares para o corpo humano e, ao melhorar a capacidade e a qualidade da rede, reduz o número de novas estações base estabelecidas no célula e, portanto, é conhecido como a "antena verde".
Terceiro, a conclusão
Como uma parte importante da comunicação móvel, a antena desempenha um grande papel na melhoria do desempenho e da qualidade da rede. A tecnologia de antena está se desenvolvendo rapidamente, a tecnologia de diversidade de antena é um meio importante para melhorar o ganho do sistema, o modo de diversidade tem diversidade de espaço e diversidade de polarização, etc .; para a conveniência de engenharia e manutenção, há uma inclinação ajustável eletricamente antena angular ; a fim de garantir que o mapa de direção mundial não seja deformado e distorcido, o desenvolvimento de antena embutida de ângulo de inclinação. Especialmente nos últimos anos, a antena inteligente representa a direção do desenvolvimento da tecnologia de antena de comunicação móvel, tem mostrado grandes vantagens na aplicação prática, mas mais pesquisas e melhorias são necessárias para acelerar a velocidade de resposta da atribuição e comutação do feixe.
