معرفی تکنولوژی آنتن‌های هوشمند در شبکه‌های بدون سیم (استفاده بهینه از باند فرکانسی)

تكنولوژی آنتن‌های هوشمند، مرحلة جدیدی از نبرد همه‌جانبه با این مشکل جدی و استفادة بهینه از باند فركانسی و افزایش ظرفیت در شبكه‌های مخابراتی است. در نوشتار حاضر، به معرفی این تکنولوژی خواهیم پرداخت:
آنتن‌های هوشمند از گذشته‌های دور
به طور معمول، كلمة آنتن به یك وسیلة مكانیكی اطلاق می‌شود كه امواج الكترومغناطیسی را به جریان الكتریكی و بالعكس تبدیل می‌كند و ما آن را بیشتر به عنوان یک تشعشع‌کننده می‌شناسیم. اما در مبحث آنتن‌های هوشمند، كلمة آنتن مفهوم جامع‌تری دارد و شامل یك فرستنده و گیرندة كامل است. تئوری آنتن‌های هوشمند یا تطبیقی، موضوع جدیدی نیست و از این آنتن‌ها سال‌ها در جنگ‌های الكترونیك استفاده می‌شده است؛ اولین استفادة عملی از آن به جنگ جهانی دوم (۱۹۴۰) بر می‌گردد. در صنایع نظامی نیاز است كه یك هدف را كه با سرعت زیاد حركت می‌کند، ردیابی كنند. از آنجا كه ثابت زمانی گردش مكانیكی آنتن به علت اینرسی زیاد آن، خیلی زیاد است، نمی‌تواند با ثابت زمانی مدارات الكترونیكی گیرنده و فرستندة آنتن منطبق شود و به همین دلیل، سرعت ردیابی به شدت کند می‌شود. در نتیجه، این ایده مطرح شد كه فضا را با چرخش الكترونیكی راستای دید آنتن جاروب كنند. مراحل رسیدن به آنتن‌های هوشمند فعلی را می‌توان به صورت زیر بیان كرد:
نوع اول) adaptive null steering smart antenna
نوع دوم) phased array smart antenna
نوع سوم) switched beam smart antenna
استفاده از آنتن‌های هوشمند نوع اول و دوم در صنایع مخابراتی بسیار پر‌هزینه است و برای پیاده‌سازی آن در شبكه‌های سلولی امروزی، باید تغییرات گسترده‌ای در ساختار این شبکه‌ها ایجاد گردد. علاوه بر این، به علت زیاد بودن تعداد كاربران و نیز اثرات تضعیف مختلف، بهرة آنها بسیار محدود است. ولی استفاده از آنتن‌های هوشمند نوع سوم، به تغییرات گسترده در شبكة سیار سلولی حاضر نیاز ندارد. همچنین، با استفاده از الگوریتم‌های مناسب می‌توان بهرة آنها را تا حد مطلوب بهبود بخشید. در ساده‌ترین بیان، آنتن هوشمند آنتنی است كه پترن (pattern) آن ثابت نبوده و آن را با شرایط فعلی رادیویی (موقعیت مشترك) تطبیق می‌دهد.
لزوم استفاده از آنتن‌های هوشمند
از آنجاییکه برای طراحی شبكه‌های امروزی، تمام تلاش‌ها روی بهینه‌سازی روش‌های مدولاسیون، كدینگ و استانداردها متمركز بوده‌است، به تكنولوژی‌های مرتبط با آنتن توجه كمتری شده‌است؛ در حالیکه برای رفع نیاز‌های شبكه‌های سلولی آینده باید آنها را تا حد ممكن هوشمند طراحی كرد. در همین راستا، عمدة توجهات روی فیلتر كردن فضا متمركز شده است. فیلتر كردن در حوزة فضا، بین كاربرهایی كه از یك كانال رادیویی مشترك استفاده می‌كنند، تمایز ایجاد می‌کند و در نتیجه می‌توان از فضا به عنوان یك روش دستیابی (access) در تركیب با روش‌های دستیابی كنونی نظیر FDMA، TDMA و CDMA استفاده كرد. ذكر این نكته لازم است كه در اینجا منظور از كانال، فركانس كاریر، شیار زمانی و كد است. در واقع آنتن هوشمند می‌تواند كاربرهایی را كه فركانس، شیار زمانی و كد آنها یكی است، از هم تشخیص دهد. آغاز تحقیقات گسترده برای استفادة تجاری از آنتن‌های هوشمند، به سال ۱۹۹۴ بر می‌گردد. این مساله ممكن است این سوال را مطرح سازد كه چرا با این همه تأخیر به فكر استفاده از آنتن‌های هوشمند افتاده‌ایم و نه مثلاً بیست سال پیش؟ در پاسخ به این پرسش باید به دو نکته توجه کرد:
۱– در حال حاضر نیاز شدیدی به افزایش ظرفیت در شبكه‌های مخابراتی وجود دارد؛ در حالیكه در گذشته چنین نبوده است.
۲- امروزه پردازنده‌هایی با سرعت‌های فوق‌العاده بالا و قیمت مناسب ارائه شده‌است؛ در حالیكه در گذشته از این امكان برخوردار نبودیم.
طبقه‌بندی آنتن هوشمند
بسته به اینكه آنتن‌های هوشمند بیم خود را چگونه تولید می‌كنند، می‌توان آنها را به سه دسته تقسیم كرد. این تقسیم‌بندی در واقع یك سطح هوشمندی به این آنتن‌ها تخصیص می‌دهد:
۱- switching beam or switching lobe smart antenna )SBA)
در این روش، آنتن هوشمند تعداد محدودی بیم در اختیار دارد و بسته به موقعیت مشترك، بیمی را انتخاب می‌كند كه بیشترین مقدار "نسبت سیگنال به نویز ( SNR )" را داشته باشد. بدین‌ترتیب، توان سیگنال دریافتی افزایش می‌یابد. این آنتن به سادگی قابل پیاده‌سازی بوده و هم‌اكنون تلاش‌های زیادی جهت استفاده از آن در نسل دوم و سوم شبكه‌های مخابراتی در حال انجام است.
۲- tracking beam or dynamically phased array smart antenna )TBA)
در این روش که به نوعی تعمیم روش قبلی است، با در نظر گرفتن "جهت سیگنال دریافتی از مشترك (DoA) " می‌توان مشترك را در محدودة سلول توسط یك بیم ردیابی كرد. این روش باعث بهبود توان سیگنال دریافتی می‌شود. در یك آنتن آرایه‌فازی، در تغذیة هر آرایه از یك شیفت‌دهندة فاز استفاده می‌شود؛ در نتیجه بین هر دو آرایه یك اختلاف فاز به وجود می‌آید كه میزان چرخش بیم آنتن را تعیین می‌كند. با در نظر گرفتن اختلاف فاز بین دو سیگنال دریافتی از دو آرایة مجاور، می‌توان جهت مشترك را تخمین زد.
۳ - optimum combining or adaptive array smart antenna
در این روش از همان الگوریتم DoA برای دریافت سیگنال‌های تداخلی استفاده می‌شود. اما در گیرنده با ضرب كردن این سیگنال‌ها در توابع وزن مناسب، می‌توان بیم آنتن را طوری جهت داد كه حداكثر سیگنال دریافت شود. در واقع در این روش، "نسبت سیگنال به مجموع تداخل و نویز (SINR‌) " بهینه می‌شود. در هركدام از روش‌های بالا، سیگنال دریافتی از هر المان آرایه در یك بردار وزن ضرب می‌شود. آنچه كه این روش‌ها را از هم متمایز می‌كند، چگونگی محاسبة این بردار وزن و نیز معیارهای لازم برای محاسبة آن است. وقتی كه آنتن هوشمند به یكی از روش‌های فوق به كار گرفته شد، می‌توان یك طبقه‌بندی دیگر نیز بسته به نوع كاربرد برای آن در نظر گرفت:
۱ - high sensitivity reciever )HSR)
در این الگو، آنتن هوشمند فقط در حالت uplink به‌كار می‌رود. بنابراین می‌توان با افزایش بهره، حساسیت آن را افزایش داد. این مفهوم، چیزی غیر از همان مفهوم diversity كه در شبكه‌های مخابراتی پیاده‌سازی شده‌است، نیست.۲- spatial filtering for interference reduction )SFIR)
در این الگو، از آنتن هوشمند در هر دو جهت uplink و downlink استفاده می‌شود. در این حالت بهرة آنتن در هر دو جهت افزایش می‌یابد. بدین‌ترتیب، به نوعی فضا را فیلتر می‌كنند.
۳- spatial division multiple access )SDMA)
این روش، آخرین گام در تكامل آنتن‌های هوشمند است. به‌طوریکه با استفاده از آن می‌توان با كاربرهای زیادی كه از یك كانال مخابراتی مشترك در یك سلول استفاده می‌كنند به طور همزمان ارتباط برقرار كرد. تنها عامل جداكنندة این كاربرها زاویة فضایی است. این روش باعث افزایش ظرفیت روش‌های دستیابی قبلی می‌شود. استفاده از SDMA در سیستم‌های نسل دوم که مبتنی بر TDMA ‌ هستند تا حدی مشكل است ولی پیش‌بینی می‌شود كه در آیندة نزدیک، SDMA یك جزء اساسی در سیستم‌های مخابراتی نسل سوم مبتنی بر CDMA باشد.
فواید استفاده از آنتن‌های هوشمند
افزایش ظرفیت: در نواحی پرجمعیت، تداخل عامل مهم محدودكنندة ظرفیت است. آنتن‌های هوشمند به طور همزمان با افزایش سطح سیگنال مفید دریافتی و كاهش اثر تداخل، SIR را افزایش می‌دهند.درسیستم‌های ‏CDMA ، تداخل عامل مهمی در محدودكردن ظرفیت محسوب می‌شود. علت این امر، عدم دقت در تعامد كدها است. بدین‌ترتیب پیش‌بینی می‌شود كه بهبود ظرفیت در سیستم CDMA ‌ خیلی بیشتر از سایر روش‌های دستیابی باشد. نتایج تجربی برای سیستم CDMA‌ افزایش ظرفیتی از مرتبة ۵ و برای سیستم TDMA‌ افزایش ظرفیتی از مرتبة ۳ را نشان می‌دهند. افزیش محدوة تحت پوشش: در نواحیی كه توزیع جمعیت پراكنده باشد، با توجه به اینكه می‌توان پَتِرن آنتن را سمت‌گراتر كرد، با استفاده از سیستم‌های هوشمند می‌توان آنتن‌ها را خیلی دورتر نسبت به هم قرار داد که این امر به معنی افزایش محدودة تحت پوشش شبكة بدون سیم است.
افزایش عمر باتری: با توجه به اینكه در سیستم SDMA‌ پَتِرن آنتن سمت‌گراتر می‌شود، توان ارسالی به گوشی افزایش می‌یابد و این مساله باعث افزایش عمر باتری می‌شود.
ارایة سرویس‌های جدید: با استفاده از آنتن‌های هوشمند، اطلاعات مفیدی دربارة موقعیت مكانی مشتركان در اختیار خواهیم داشت. از این اطلاعات می توان جهت ارایة سرویس‌های جدید به مشتركین بهره جست. افزایش امنیت مکالمات: از آنجا که برای استراق سمع یك ارتباط باید مشترك مزاحم دقیقاً در همان زاویة فضایی كه آنتن BS ، مشترك مورد نظر را می‌بیند قرار داشته باشد، استراق سمع هنگام استفاده از آنتن‌های هوشمند بسیار مشكل است. كاهش انتشار multi-path : با استفاده از یك بیم باریك در BS ‌ برای ارتباط با مشترك، انتشار multi-path در BS كاهش می‌یابد. البته این كاهش انتشار خیلی چشمگیر نیست.
هزینه‌ها و معایب استفاده از آنتن‌های هوشمند
پیچیدگی تجهیزات فرستنده و گیرنده: با توجه به مباحث قبلی، تجهیزات به‌كاررفته در یك آنتن هوشمند خیلی پیچیده‌تر از آنتن‌های فعلی است. علاوه‌بر این، الگوریتم‌های تشكیل بیم نیاز به محاسبات پیچیده دارند. به این معنی كه BS ‌های آنتن‌های هوشمند نیاز به پردازنده‌های قدرتمند و سریع دارند. در نتیجه، هزینة آنها خیلی بیشتر از BS ‌های آنتن‌های امروزی است. پیچیدگی مدیریت منابع رادیویی: علیرغم آنكه آنتن هوشمند یك تكنولوژی رادیویی است، ولی استفاده از آن تقاضاهای جدیدی را از مدیریت شبكه، مدیریت حركت و مدیریت منابع (عملیاتی كه عمدتاً در لایة سوم و اندكی در لایة چهارم صورت می‌گیرند) درخواست می‌كند كه این مساله حجم پردازشی را كه مدیریت شبكه باید انجام دهد به‌شدت افزایش می‌دهد. در نتیجه، مدیریت منابع رادیویی پیچیده‌تر می‌شود. هنگامی كه باید تماس جدیدی برقرار شود و یا تماس فعلی از یك سلول به سلول دیگر handover شود، BS مورد نظر هیچگونه اطلاعاتی از موقعیت فضایی و زاویه‌ای موبایل مورد نظر ندارد. در این وضع، ابزارهایی جهت یافتن موقعیت موبایل لازم است. این عمل می‌تواند بدین طریق صورت گیرد که در BS ‌ یك بیم به طور دائم فضا را جاروب كند تا ببیند كه آیا مشترك دیگری برای برقراری تماس، درخواست داده است یا نه. این بیم را اصطلاحا tracking beam می‌نامند. روش دومی نیز با استفاده از یك سیستم موقعیت‌یابی خارجی نظیر GPS وجود دارد. در حالتی‌كه عمل handover لازم باشد، علاوه‌بر روش‌های فوق، روش سومی نیز وجود دارد. بدین‌ترتیب كه برای حدس زدن سلولی كه موبایل قصد رفتن به آن را دارد از اطلاعات زاویه‌ای و فضایی موبایل استفاده كنیم. همانطوریكه كه گفتیم، در سیستم SDMA ، كاربرهای مختلف در درون یك سلول از یك كانال مخابراتی مشترك استفاده می‌كنند و تنها زاویة فضایی‌شان باهم فرق دارد. حال اگر بین این كاربرها تصادم زاویه‌ای رخ دهد، برای اینكه ارتباط ادامه داشته باشد یكی از آنها باید بلافاصله به كانال دیگری فرستاده شود. این بدین معنی است كه در این سیستم، علاوه بر آن handover ی كه در سیستم‌های قبلی نظیر CDMA و TDMA داشتیم به یك intracell handover هم نیاز داریم. بزرگی اندازة فیزیكی: برای اینكه آنتن هوشمند بهرة مطلوب را داشته باشد، نیاز به آنتن آرایه‌ای با المان‌های زیاد داریم. طبق آزمایش‌های صورت گرفته، آرایه‌هایی با ۶ الی ۱۰ المان برای محیط‌های outdoor پیشنهاد می‌شود. فاصلة این المان‌ها از هم حدود ۴/۰ الی ۶/۰ طول‌موج است. با این توصیف، یك آنتن آرایه‌ای مشتمل بر ۸ المان در فركانس MHz ۹۰۰ ، حدود m ۲/۱ و در فركانس GHz ۲ ، حدود cm ۶۰ طول دارد. با توجه به تمایل عمومی برای استفاده از BS ‌هایی با ابعاد كوچك كه غیر قابل رویت باشند، این ابعاد خیلی مناسب نمی‌باشند.

منبع : شبکه تحلیلگران تکنولوژی ایران