کاربرد آنتن های هوشمند در شبکه مخابرات سلولی

هدف از تهیه این مقاله، بررســی کاربرد آنتن های هوشمند در شــبکه مخابرات سلولی می­باشــد. در این مقاله پس از معرفی آنتن و بررســی نقش آن در سیستم های مخابراتی، به روش های دسترسی چندگانه در شبکه مخابرات سلولی پرداخته شــده است. در ادامه موضوع آنتن هوشمند مورد واکاوی قرار گرفته و پیرامون پیشــینه آنتن های هوشمند، کاربــرد تکنولــوژی آنتن های هوشــمند و انــواع آنتن های هوشمند سخن گفته شده است.

امروزه کوشش های پیگیران های در جهت استفاده هرچه بیشتر از امواج به جای سیم ها در دنیای ارتباطات در حال انجام است. این کار دارای چندین مزیت است: اول اینکه استفاده از روش های ارتباطی بی سیم به جای روش های ســیمی، ما را از اســتفاده از حجم انبوهی از سیم بی نیاز می کند.

ویژگی دیگر که مهم تر نیز به نظر می‌رسد این است که امکان جابجایی، یعنی برقراری ارتباط به‌صورت سیار را به کاربران می‌دهد. یعنی کاربر می‌تواند در حال جابجایی یا در هر محلی که در پوشش آنتن سرویس موردنظر قرار می‌گیرد از آن سرویس استفاده کند.

برخــی از این تلاش‌ها به نتیجه مطلوب رســیده ولی برخی هنوز در مراحــل آزمایشــی و تحقیقاتی قــرار دارند. ارتباطات ماهواره‌ای از طریق آنتن‌های دریافت و ارســال یکی از نمونه های برجسته و بسیار کارامد در این زمینه اســت که اســتفاده از آن اکنون معمول گشته اســت. سرویس هایی نظیر شبکه تلفن همراه، شبکه محلی بی سیم، وایمکس، بلوتوث و ســرویس های مشــابه نیز از این دست هستند. با این حال تکنیک های پیشرفته تری نیز در راه هستند که این بار جزء دیگری از شبکه ارتباط بی سیم را هدف قرارداده اند و آن هدف چیزی جز آنتن ها نیستند. پیشرفت های تکنولوژی موجب شده تا بتوانیم با اســتفاده از تکنیک های ســخت افزاری و نرم افزاری، انواعی از آنتن را طراحی کنیم که دارای عملکردی بهتر نسبت به گذشته باشد. در ادامه با هزارسو همراه باشید.

نقش آنتن در یک سیستم مخابراتی

آنتن یکی از مهم ترین اجزاء در سیستم های مخابراتی بی سیم به شمار می رود، که شاید از تمام بخش های دیگر این سیستم ها از معرض دید دور مانده است. آنتن دریچه ای است که انرژی الکترومغناطیسی را از طریق امواج رادیویی از فرستنده به کانال و از کانال به گیرنده کوپل می کند. روشــی که طی آن انرژی الکترومغناطیسی به فضای اطراف منتشر و از آن دریافت می شود، اثری بسیار جدی روی استفاده مؤثر از طیف فرکانسی ،ایجاد شبکه های جدید و کیفیت سرویس ارائه شده توسط شبکه ها دارد.

همه آنتن ها مثل هم نیســتند و انواع بسیار متنوعی از آنتن ها وجود دارد. یکی از راه های دسته بندی آنتن ها، توجه به الگوی تابش آنهاست.

هر آنتن با توجه به نوع طراحی دارای الگوی تابش خاصی اســت که آنتن را برای استفاده در یک مورد خاص بهینه می کند.

به طور کلی دو نوع آنتن داریم:

آنتن همه جهتی و آنتن با زاویه تابش محدود.

    آنتن های همه جهتی

از روزهای اولی که ارتباط بی ســیم شــروع شد، از آنتن همه جهتی استفاده می شد. این آنتن، سیگنال را در همه جهات به خوبی دریافت و منتشــر می کند. این آنتن ها بیشــتر برای پخش سراسری مناسب است، همانند برنامه های رادیویی یا تلویزیونی.

در مــورد کم بودن توان دریافتی توســط کاربران، روش های انتشــار همه جهتی سعی می کنند این مشکل را با زیاد کردن توان تشعشعی ســیگنال های ارســالی رفع نمایند. این در حالی است که در صورت وجــود چند کاربر (یا چند منبع تداخل) نیز مشــکلات زیادی ایجاد می شــود چرا که ســیگنال ها ممکن اســت برای کاربران دیگر ایجاد مزاحمت کند. به عنوان مثال در یک سیســتم سلولی، کاربری که در ســلول مجاور قرار دارد، ممکن اســت به علت تداخل فرکانسی دچار اشکال درتشخیص سیگنال شود.

آنتن های با زاویه تابش محدود

یک آنتن می تواند طوری ســاخته شود که در جهات خاصی دریافت یا ارســال داشته باشد. با رشد روزافزون ایستگاه های رادیویی، امروزه بسیاری از ایستگاه ها محدوده های مشخصی را روی سطح زمین برای خود انتخاب می کنند.

تکنیک های به اشتراک گذاری منابع

محدودیت اساســی در ارتباطات ســیار، تقاضای همزمان چند کاربربرای دسترســی به ایســتگاه پایه و در پی آن برقــراری اولین لینک ارتباطی می باشد. راه حلی که برای توزیع منابع محدود ایستگاه پایه پیشنهاد می شود، توزیع منابع روی کاربران مختلف بااستفاده از روش به اشتراک گذاری آنهاست.

ایــن موضوع در عبارت فنی دسترســی چندگانه گفته می شــود. به عبارت دیگر دسترسی چندگانه به اشتراک گذاری یک یا چند منبع از منابع چهارگانه فرکانس، زمان، کد و فضا، بین کاربران ســیاری است که به صــورت تصادفی در مکانی قرار می گیرند یا در هر زمانی قصد می کنند از سیستم استفاده کنند.

به اشــتراک گذاری می تواند با تقســیم یکی از چهار منبع زیر انجام شود:

١- فرکانــس یــا پهنای باند (دسترســی چندگانه از طریق تقســیم فرکانس)

٢- زمان (دسترسی چندگانه از طریق تقسیم بندی زمان)

٣- کد (دسترسی چندگانه از طریق اختصاص کد)

۴- فضا (دسترسی چند گانه از طریق تقسیم بندی فضا)

آنتن هوشمند

آنتن هوشــمند، نوعی از آنتن است که برای برقراری ارتباط با کاربر، انتشــار امواج را به صــورت جهتدار انجام می دهــد. یعنی بر خلاف آنتن هــای همــه جهتی یا آنتــن با زاویــه تابش محــدود، می تواند باریک های ازامواج الکترومغناطیسی را طوری منتشر کند که با صرف کمترین توان ارسالی، یک دریافت مناسب و کارامد در گیرنده حاصل شود. همچنین این موضوع که آنتن بتواند موقعیت کاربر را نسبت به خودش تشخیص دهد بسیار حیاتی است.

آنتن هوشمند از چند المان با قابلیت پردازش سیگنال استفاده می کند تا تشعشع و یا دریافت را در پاسخ به محیطی که سیگنال در آن وجود دارد بهینه نماید.

پیشینه آنتن های هوشمند

آنتن ها سال ها در جنگ های الکترونیک استفاده می شده است، اولین استفاده عملی از آن به جنگ جهانی دوم (1940) بر می گردد.

در صنایع نظامی نیاز است که یک هدف را که با سرعت زیاد حرکت می کنند. از آنجا که ثابت زمانی گردش مکانیکی آنتن می کند، ردیاب نمی تواند با ثابت زمانی زیاد آن، به علت اینرسی زیاد آن خیلی زیاد است، نمی تواند با ثابت زمانی مدارات الکترونیکی گیرنده و فرستنده آنتن منطبق شود و به همین دلیل، سرعت ردیابی به شدت کند می شود.

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

آغاز تحقیقات گسترده برای استفاده تجاری از آنتن های هوشمند، به سال 1994 بر می گردد.

سیستم آنتن هوشمند

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

محل وی را (یا چند نفر را) در اتاق تشخیص دهید، بدون این که آنها را ببینید. مهمترین علت این است که صدای شخصی را که صحبت می کند از طریق دو گوشتان، که سنسورهای صدای شما محسوب می شوند، میشنوید.

صدا در دو زمان مختلف به گوشی شما می رسد.

مغز شما که یک پردازشگر سیگنال حرفه ای است، محاسبات زیادی را انجام می دهد تا همبستگی اطلاعات را با هم پیدا کرده و محلی شاخص صحبت کننده را پیدا کند اما شما همچنین توان سیگنال صدای دریافتی از دو گوشی را با هم جمع می­کند. بنابراین صدا را در جهت مربوطه بلندتر از صداهای دیگر خواهید شنید.

این مثال برداشتی از یکی از سیستم های آنتن هوشمند بود. سیستم­های آنتن تطبیقی هم همین کار را انجام می دهند، که در آن به جای گوشی از آنتن استفاده شده است. ولی فرق این دو در آن است که آنتنها، دستگاه هایی دوطرفه هستند و می توانند سیگنالی را در همان جهت که سیگنال اول دریافت کردهاند بفرستند. بنابراین با استفاده از چند آنتن می توان سیگنال را چند بار قوی تر دریافت و ارسال کرد.

نکته بعدی این که اگر چند تقر با هم صحبت کنند، مغز شما میتواند تداخلی را حذف کرده و در یک زمان خاصی روی یک مکالمه خاصی تمرکز کند. سیستمهای پردازشی تطبیقی پیشرفته هم می توانند بین سیگنال مورد نظر و سیگنالهای ناخواسته تفاوت قائل شوند.

در حقیقت، آنتنها هوشمند تیستند بلکه سیستم پردازشی این آنتنها هوشمند هستند. عموما هنگامی که این سیستمها در کنار یک ایستگاه پایه قرار میگیرند، آنتن هوشمند از یک ارائه آنتنی با قابلیت پردازشی تطبیقی دیجیتالی برای ارسال و دریافت سیگنالی استفاده می کند. به عبارت دیگر، چنین سیستمی می تواند به صورت اتوماتیک جهت الگو تشعشعی را در پاسخ به محیط سیگنالی تغییر د خــل. در واقع یک آنتن هوشمند می تواند الگوی تابشی خود را در پاسخ به سیگنال دریافتی اصلاح کند. این مسئله به طرز شگفت انگیزی مشخصه سیستم بی سیم را بهبود می بخشد.

کاربرد تکنولوژی آنتن هوشمند

تکنولوژی آنتن هوشمند می تواند به تحو موثری عملکرد سیستم بی سیم را بهبود بخشید و از نظر اقتصادی تیز بسیار به صرفه است. این تکنولوژی، کاربران کامپیوترها، سیستمهای سلولی و شبکههای محلی بیسیم را قادر می سازد که کیفیت سیگنال، ظرفیت سیستم و پوششی را بسیار بالا ببرند. کاربران معمولا در زمانهای مختلف، به درصدهای مختلفی از کیفیت، ظرفیت و پوششی تیاز دارند. در اصلی سیستمهایی که از نظر ساختار به راحتی قابل تغییر باشند، در دراز مدت بهترین و به صرفه ترین راه حل ها محسوب می شوند.

سیستمهای آنتن هوشمند با اندکی تغییر، در تمام استانداردها و پروتکلهای بی سیم قابل اعمال هستند. قابلیت انعطاف آنتن هوشمند تطبیقی، اجازه خلق محصولات و خدمات بسیار سطح بالایی را می دهد. آنتن های تطبیقی هوشمند به هیچ نوع مدولاسیون یا پروتکل برقراری ارتباط هوایی محدود نیستند. این سیستم ها با تمام روش های مدولاسیون فعلی سازگار هستند. احتمالا طیف بســیار وسیعی از سیستم های ارتباطی بدون سیم از مزایای پردازش مکانی برخوردار می شوند، مثًلا سیستم های سلولی با قابلیت تحرک بالا، سیســتم های ســلولی با قابلیت تحرک کــم، کاربردهای محلی بدون ســیم، مخابرات ماهوراه ای و شــبکه های محلی بدون سیم و به ویژه اینترنت بی ســیم برای کامپیوترهای قابل حمل. باور بسیاری بر این اســت که پردازش مکانی، جای تمــام روش های موجود برای سیستم های بی سیم را خواهد گرفت.

اهداف یک سیستم آنتن هوشمند

دو هدف اصلی سیســتم آنتن هوشــمند، افزایش کیفیت ســیگنال سیســتم های رادیویــی و افزایش ظرفیت از طریق افزایش اســتفاده مجدد از فرکانس صورت می گیرد. بهره ســیگنال ورودی چند آنتن با هم ترکیب می شــود تا توان موجود برای برقراری ســطح پوشش مورد نظر بهینه شود.

متمرکــز کردن انرژی فرســتاده شــده به ســمت ســلول، محدوده ســرویس دهی و پوشــش ایســتگاه پایه راافزایــش می دهد. مصرف تــوان کمتر، مصرف باتری را کمتر کــرده و تلفن همراه را کوچک تر و ســبک تر می کنند. مقاومت در برابر تداخل و نســبت سیگنال به تداخل را افزایش می دهند. هزینه کمتر برای تقویت کننده، مصرف توان کمتر و قابلیت اطمینان بیشتری را ایجاد خواهد کرد.

علت هوشمندی این نوع آنتن ها

در مــکا ن هایی که تعداد کاربر، تداخل و پیچیدگی انتشــار زیاد می شــود، به سیســتم های آنتن هوشــمند نیاز خواهد بود. هوشمندی سیستم ها به امکانات آنها برای پردازش سیگنال دیجیتال برمی گردد.

مانند اکثر پیشــرفت های مدرنی که در صنایــع الکترونیک امروزی صورت گرفته اســت، فرمت دیجیتال از جهت دقت و انعطاف پذیری کارکرد چند مزیت دارد. سیســتم های آنتن هوشمند سیگنال های آنالوگ (نظیــر صوت) را گرفته و به ســیگنال های دیجیتال تبدیل و برای ارسال مدوله می کنند و در سمت دیگر دوباره آن را به سیگنال آنالوگ تبدیل می نمایند. در سیســتم های آنتن هوشمند این قابلیت پردازش سیگنال با تکنیک های پیشرفته (الگوریتم ها) ترکیب شده و برای اداره وضعیت های پیچیده استفاده می شوند.

روش های جهت دهی به الگوی تابش

جهت دهی تطبیق پذیر

این روش یک روش شکل دهی به پرتو های تابش شده برای سیگنال های باند باریک اســت وقتی که ما به دنبال راه ساده ای برای جبران تأخیر دریافت ســیگنال از یک منبع به آرایه های مختلف یک آنتن هستیم. به طوری کلی برای استفاده از آرایه آنتن ها یک راه این است که میانگین ســیگنال­هایی را که به عناصر مختلف آنتن می رسد در نظر بگیریم. اما این کار فقط زمانی ممکن اســت که تأخیر رســیدن ســیگنال به عناصر مختلف آنتن با هم برابر باشــد. پس در ابتدا باید تأخیــر بین دریافت دو ســیگنال را جبران و ســپس آن ها را با هم جمع کرد.

آنتن های آرایه فازی

در این روش که به نوعی تعمیم روش قبلی اســت، با در نظر گرفتن جهت بازگشت ســیگنال می توان کاربر را در محدوده سلول توسط یــک بیم ردیابی کرد. این روش باعث بهبود توان ســیگنال دریافتی می شود.

در یــک آنتن آرایه فــازی، در تغذیه هر آرایه از یک شــیفت دهنده فاز اســتفاده می شــود در نتیجه بین هر دو آرایه یــک اختلاف فاز بــه وجود می آید که میــزان چرخش بیم آنتــن را تعیین می کند.

بــا در نظر گرفتن اختلاف فاز بین دو ســیگنال دریافتی از دو آرای i مجاور،می توان جهت مشترک را تخمین زد.

آنتن با بیم سوئچ شونده

در این روش، آنتن هوشــمند تعداد محدودی بیــم در اختیار دارد و بســته به موقعیت مشــترک، بیمی را انتخاب می کند که بیشترین مقدار نســبت ســیگنال به نویز را داشــته باشــد. بدین ترتیب، توان ســیگنال دریافتی افزایش می یابد. این آنتن به ســادگی قابل پیاده ســازی بوده و هم اکنون تلاش های زیادی جهت اســتفاده از آن در نسل دوم و سوم شبکه­های مخابراتی در حال انجام است.

استفاده از آنتن های هوشمند نوع اول و دوم در صنایع مخابراتی بسیار پر هزینه اســت و برای پیاده سازی آن در شبکه های سلولی امروزی، باید تغییرات گســترده ای در ساختار این شبکه ها ایجاد گردد. علاوه بر این، به علت زیاد بودن تعداد کاربران و نیز اثرات تضعیف مختلف، بهره آنها بسیار محدود اســت.

ولی اســتفاده از آنتن­های هوشــمند نوع ســوم، به تغییرات گسترده در شبکه سیار سلولی حاضر نیاز ندارد. همچنین، با استفاده از الگوریتم های مناســب می توان بهره آنهــا را تا حد مطلوب بهبود بخشید.    و از نظر اقتصادی نیز

مزایا و معایب آنتن های هوشمند

مزایا

• افزایش ظرفیت
• افزیش محدوه تحت پوشش
• افزایش عمر باتری
• آرایه سروی سهای جدید
• افزایش امنیت مکالمات
• کاهش انتشار

معایب

• پیچیدگی تجهیزات فرستنده و گیرنده
• پیچیدگی مدیریت منابع رادیویی
• بزرگی اندازه فیزیکی

نتیجه گیری

در ایــن مقاله مطالبی پیرامون آنتن­های هوشــمند، نحوه کار آنها و کاربرد آنها در شبکه مخابرات سلولی بیان گردید.

نظریه آنتن­های هوشمند، نظریه جدیدی نیست، هرچند که امکانات فناورانه مورد نیاز برای کاربردی نمودن و فراگیر کردن استفاده از آن، در سال های اخیر فراهم شده است.

ضمــن اینکه این فناوری نیز همانند ســایر فناوری هــا دارای مزایا و معایب مخصوص به خود است و لزوماً نمی توان آن را به عنوان روشی که منسوخ کننده فناور یهای فعلی است در نظر گرفت. بلکه می­توان آن را روشی دانست که در برخی از موارد، استفاده از آن می­تواند مفید تر از سایر روش ها باشد.