Цифровые антенные решетки

MForum.ru

Цифровые антенные решетки

29.03.2015, MForum.ru


Цифровые антенные решетки

Цифровая антенная решетка (ЦАР) - это упорядоченная совокупность антенных элементов, совмесное действие которых формирует диаграмму направленности решетки как по форме и направлению главного лепестка диаграммы направленности, так и по числу и уровням боковых лепестков.  Решетка может быть пассивной или активной антенная система с поэлементой обработкой сигналов. Сигналы от элементов антенны подвергаются аналого-цифровому преобразованию, с последующей обработкой. В зарубежных публикациях ЦАР обычно именуют smart - антеннами или digital antenna array. Можно говорить также о Adaptive Array Antennas (AAS). 

Можно упорядочивать антенные элементы вдоль линии (линейные ЦАР), на плоскости - (двумерные или плоскостные ЦАР), в трехмерном пространстве - на поверхностях определенной формы (цилиндр, конус, полусфера и т.п.). Чем сложнее система, тем больше возможностей она дает в плане управления диаграммой направленности. 

Суммирование сигналов, поступающих на разные элементы антенны, с учетом задержек распространения сигнала из-за многолучевости позволяет превратить эффект многолучевости из негативного фактора в позитивный, добиться выигрыша в соотноешнии сигнал / (помехи+шумы).  Адаптивная ЦАР автоматически изменяет свои параметры, подстраиваясь под информационную и помеховую обстановку в зоне действия решетки с тем, чтобы наилучшим образом удовлетворять требованиям используемого алгоритма обработки сигнала.  

 

Возможный внешний вид ЦАР 

 

Alcatel-Lucent_AAA

Пример ЦАР Alcatel-Lucent, 2011 год

 

Планарная антенна, 60 ГГц

Планарная антенна 32x32 (возможны и 64х64), 60 ГГц

 

Адаптивная антенная решетка, 48 элементов, для диапазона 2 ГГц

Адаптивная антенная решетка, 48 элементов, 2 ГГц, источник: Arraycomm. 

AAS Form Factor

2x9-beam Antenna

Источник

 

Для чего необходимы ААЦАР

По мере роста числа базовых станций в системах сотовой связи и мобильного ШПД, ужесточаются требования к помехозащищенности таких систем. Дело в том, что по мере роста уровня помех, связанного с ростом числа пользователей сетями сотовой связи (в том числе IoT-подключений), ухудшается отношение сигнал/помеха в системах сотовой связи. Это снижает потенциальную пропускную способность таких систем. Востребованы системы, которые позволяют снижать уровень активных помех. Кроме того, желательно наращивать число пользователей одной базовой станции, работающих одновременно на одной частоте, т.к. это позволяет снизить необходимое число базовых станций и, тем самым, позволяет снизить операционные затраты оператора, связанные с обустройством площадок и выплатой арендных платежей за эти площадки. 

Существующие методы увеличения числа пользователей в системе сотовой связи основаны на их разделении по положению в пространстве, времени работы, частоте и коду. В рамках уплотнения подбираются оптимальные параметры, минимизирующие уровень взаимных помех в системе. Использование ЦАР и цифрового формирования диаграммы направленности позволяет вести пространственную фильтрацию, добиваясь существенного улучшения параметров принимаемых сигналов. Цифровое диаграммообразование (ЦДО) обеспечивает точную селекцию сигналов по направлениям прихода, что позволяет увеличить число каналов связи и емкость сети. В системе  связи с адаптивной цифровой антенной решеткой (АЦАР) много пользователей могут работать на одном частотном канале за счет разницы в пространственном положении таких пользователей. Использование многоэлементных АЦАР с числом элементов, измеряемом десятками, появляется возможность формировать лучи диаграммы направленности индивидуально для каждого пользователя системы в реальном врмени. Также в реальном времени строится оптимальная стратегия приема/передачи - отсюда и название "интеллектуальные антенны" (smart antennas), используемое в дападной литературе. 

 

High Order MU-MIMO

 

Статус ААЦАР

2016 Несмотря на успешное применение активных адаптивных ЦАР с числом элементов порядка сотни, в сотовой связи такие антенны широкого применения пока что не нашли. Это принято объяснять высокой стоимостью элементой базы многоэлементных ААЦАР. По мере снижения цены решения, такие антенны могут заменить существующие, что позволит сократить число площадок базовых станций или существенно повысить плотность сетей сотовой связи при равных затратах. Следует отметить, что переход к LTE активизировал работы в направлении внедрения АЦАР в практику сотовой связи  и в ближайшие годы можно ожидать начало внедрения таких систем. Пока что чаще всего речь идет об антенных решетках со сравнительно небольшим числом элементов - от единиц до 1-2 десятков. Дальнейшее повышение эффективности ААЦАР можно ожидать по мере роста числа элементов в антенных решетках. 

Нулевые годы. Появились чипсеты (программируемые логические интегральные схемы ПЛИС), быстродействие которых позволяет создавать АЦП-ЦАП с достаточной разрядностью и быстродействием, позволяющим работать с принимаемым и излучаемым сигналом на несущей частоте. Это создало практическую возможность для внедрения ЦАР в практику сотовой связи. Появление систем 4G/LTE также способствовало повышению потребности в АЦАР, т.к. возможности решения проблемы производительности сетей безантенным методом уже были исчерпаны. 

Девяностые годы. В конце 90-х годов были проведены многочисленные исследования по применению ЦДО в области сотовой связи, до этого цифровое диаграммообразование применялось преимущественно в радиолокации и спутниковой связи. Несмотря на положительные результаты в тот период серийное использование АЦАР было экономически неоправданным. Прежде всего, не было чипсетов, способных работать на несущей частоте систем сотовой связи, а любые преобразования частот ухудшали получающиеся результаты. 

 

Новости

2023.06.29 В ЛЭТИ тестируют прототип смарт-антенны СВЧ для сетей 5G. Для сетей 5G миллиметрового диапазона нужны антенные устройства с поддержкой формирования луча, в идеале - несколько лучей. Именно такой разработкой занимается кафедра микрорадиоэлектроники и технологии радиоаппаратуры (МИТ) СПбГЭТУ «ЛЭТИ». Прототип антенны состоит из трех основных элементов. Первый – это подрешетка излучателей. Она подключается к многоканальному приемопередатчику, который соответственно, передает и принимает радиосигналы. В свою очередь они попадают на второй элемент – проходную антенную решетку, представляющую собой массив из 100 антенных элементов (в форме квадрата 10 на 10 ячеек), который формирует лучи в заданных направлениях. 


 

 

Литература по теме

  1. Попов В.И., Скуднов В.А., Васильев А.С., Антенны базовых станций в сотовых сетях мобильной связи. Современное состояние и перспективы развития. Рижский технический университет, Рига, Латвия / Евразийский Союз Ученых (ЕСУ) #11(20), 2015 / cyberleninka.ru 

  2. Ruey-Bing Hwang, Yi-Che Tsai, Cherng-Chyi Hsiao, "An adaptive multi-beam massive array architecture for 5G wireless," IEEE International Symposium on Antennas and Propagation, 19-24 July, 2015, Vancouver, BC, Canada 

  3. Петров В.П., Алгоритмы оценки пространственного спектра в адаптивных цифровых антенных решетках, Вестник СибГУТИ, 2014, #4.  PDF

  4. Seminar on smart antenna systems, Ashok Behura, 2014.10, PDF

  5. Antennas for cellular base stations - challenges, trends and constraints - by Jan Hesselbarth, University of Stuttgart, FP7 - Artisan meeting, Belfast, January 30, 2014., PDF 

  6. Smart Antennas in 4G. Karthick Ramachandran S., Department of Information Technology, SSN College of Engineering, Kalavakkam, Chennai, India ; Innovative Systems Design and Engineering  ISSN 2222-1727 (Paper) ISSN 2222-2871 (Online) Vol 3, No 2, 2012  / iiste.org 

  7. Баданис Константин А., Иоанидес Панайотис И. Введение в смарт-антенны. Москва: Техносфера, 2012 - 200 с., ISBN 978-5-94836-312-7 / Google 

  8. An Insight into the Use of Smart Antennas in Mobile Cellular Networks, Carmen B. Rodríguez-Estrello and Felipe A. Cruz Pérez ; Electric Engineering Department, CINVESTAV-IPN ;  Mexico, 2011.  PDF 

  9. Smart Antenna for Cellular Mobile Communication, RK Jain, Sumir Katiyar, NK Agrawal
    VSRD-IJEECE, Vol. 1 (9), 2011, 530-541 / PDF 

  10. MIMO and Smart Antennas for 3G and 4G Wireless Systems. Practical Aspects and Deployment Considerations, May 2010.  

  11. Плетнева И.Д., Алгоритмы адаптивной фильтрации для антенных решеток систем цифровой связи. Диссертация. 2009. Автореферат, PDF

  12. R.H.Roy, "An overview of smart antenna technology and its application on wireless communication systems", P{roc. IEEE conf. personal wireless comm., 2007, pp 234-238. 

  13. Чиркунова Ж.В. Многолучевая цифровая антенная решетка для системы адаптивного приема сигналов // 50-ая научная конференция МФТИ "Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук": М.Долгопрудный, 2007. - С.45-46.

  14. Чистюхин В.В., Лялин К.С., Чиркунова Ж.В., Орешкин В.И., Меркулов С.С. Исследование принципов построения цифровых антенных решеток для систем передачи данных с множественным доступом // Отчет о НИР, госрегистрация № 01200511441, М., МИЭТ, 2007. 95 с.

  15. Antennas and Propagation for Wireless Communication Systems, Simon R.Saunders, Alejandro Aragon / slideshare 

  16. Ahmed El Zooghby, Smart Antenna Engineering, 348 p, PDF

  17. Вишневский В.М., Ляхова А.И., Портной С.Л., Шахнович И.В., Широкополосные беспроводные сети передачи информации, Москва: Техносфера, 2005 / ZIP 

  18. Чиркунова Ж.В. Пространственная селекция помехи в ЦАР // 12-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Микроэлектроника и Информатика 2005": Тез. докл. - М., МИЭТ, 2005.-с.331. 

  19. Adaptive Antenna arrays: trends and applications / Sathish Chandran. ISBN 978-3-642-05775-5; 2004 / Google 

  20. Smart Antenna Systems for Mobile Communications, Final Report. Ivica Stevanovic, Anja Skrivervik and Juan R.Mosig, Jan.2003. p.91-94 / infoscience.epfl.ch 

  21. Ратынский М.В. Адаптация и сверхразрешение в антенных решетках. М.: Радио и связь, 2003, 200с. / Google 

  22. AJ. Paulraj, D Gesbert, Smart antennas for mobile communication, IEEE Antenna's and propagation magazine Vol.57 No 5, pp 1-14, June 2000. 

  23. Liberti, J.C., Rappaport T.S., Smart antennas for wireless communications: IS-95 and third generation CDMA applications (Prentice Hall communications engineering and emerging technologies series). Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall., 376 p, ISBN 9780137192878, 0137192878, 1999. / Google 

  24. Godara L.C. Application of antenna arrays to mobile communications. Proceedings of the IEEE, vol.85, No. 8, August 1997, pp. 1195–1245. 

  25. Godara L.C. Application of Antenna Arrays to Mobile Communications, Part I: Performance Improvement, Feasibility, and System Consideration, Proceedings of the IEEE, vol.85, No. 7, July 1997, pp. 1031–1060. PDF 

 


© Алексей Бойко, MForum.ru


Публикации по теме:

26.11. [Новости компаний] Интервью: Михаил Филимончик рассказал о новостях Центра инноваций 5G Ericsson в Москве / MForum.ru

15.11. [Новости компаний] Телеком: Чипсеты: UNISOC успешно испытал работу модуля 5G, работающего в мм диапазоне / MForum.ru

23.10. [Новости компаний] Пятое поколение: Qualcomm представил новые радиомодули для частот миллиметрового диапазона / MForum.ru

26.09. [Новости компаний]  Пятое поколение: 5G на базе решения Huawei - показ Билайн в Москве. Устройства / MForum.ru

22.05. [Новости компаний]  5G: Конспекты: Вопросы разработки и стандартизации систем 5G в МСЭ-R / MForum.ru

Обсуждение (открыть в отдельном окне)

29.06.2023 19:30 От: ABloud

[Цифровые антенны]

Ученые ЛЭТИ разработали «умную» СВЧ-антенну стандарта связи 5G

Действующий прототип устройства позволяет управлять характеристиками излучения с тем, чтобы в случае перемещения абонентов за пределы зоны действия сети скорректировать в их направлении радиосигнал для сохранения качества связи.

Постоянный рост объемов передачи информации с помощью беспроводных (мобильных) систем вызывает потребность в развитии телекоммуникационных технологий по всему миру. Этот фактор приводит к необходимости создавать новые более эффективные стандарты связи, которым соответствуют определенные диапазоны частот радиоволн. В частности, сегодня наиболее актуальным из них является пятое поколение мобильных систем связи – 5G, которое работает как в сверхвысокочастотном диапазоне (СВЧ), так и в диапазоне миллиметровых длин волн.

Однако для массового внедрения сетей стандарта 5G требуется обеспечить их соответствующей компонентной базой, недорогой в производстве и эксплуатации, а также способной работать в широком диапазоне частот (для стандарта 5G обсуждаются выделение частот в РФ – в двух диапазонах: 410 – 7125 МГц (FR1) и 24.250 – 52.6 ГГц (FR2)).

В текущих поколениях систем связи используются частоты, которые обеспечивают всестороннее покрытие радиосигналом на определенной территории. Проблемой, которая возникает в связи с переходом на стандарт 5G FR2 (диапазон миллиметровых длин волн), является тот факт, что сигнал значительно сильнее затухает в атмосфере. Поэтому для обеспечения определённой зоны высокоскоростной надежной связью в рамках стандарта 5G необходимо концентрировать энергию излучения в определенном направлении (там где находятся пользователи).

«Мы разработали прототип управляемой антенны 5G, которая в отличие от широко распространенных аналогов способна формировать несколько лучей и таким образом увеличить пропускную способность канала связи. Кроме того, электронное управление направлением лучей в зависимости от расположения приемных устройств обеспечивает наилучшее покрытие и качество связи». – Доцент кафедры микрорадиоэлектроники и технологии радиоаппаратуры (МИТ) СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Павел Анатольевич Туральчук

Прототип антенны состоит из трех основных элементов. Первый – это подрешетка излучателей. Она подключается к многоканальному приемопередатчику, который соответственно, передает и принимает радиосигналы. В свою очередь они попадают на второй элемент – проходную антенную решетку, представляющую собой массив из 100 антенных элементов (в форме квадрата 10 на 10 ячеек), который формирует сфокусированные лучи в заданных направлениях.

Управление направлением излучения осуществляется с помощью встроенных в антенную решетку полупроводниковых диодов, которые изменяют свои состояния в зависимости от приложенного управляющего сигнала. Набор управляющих сигналов задаётся с помощью специальной платы управления. Большинство элементов антенны собраны из отечественных или коммерчески доступных компонентов.

«В настоящее время инженерное сообщество рассматривает и реализует различные подходы к исполнению антенных систем в диапазоне FR2 стандарта 5G - от полностью цифровых, до аналоговых. Мы идём по пути гибридного решения, где управление лучами обеспечивается в аналоговой форме и в тоже время с использованием многоканальных цифровых приемопередатчиков для обеспечения пространственного разделения лучей. Такой подход позволяет получить выигрыш в энергоэффективности и стоимости решения по сравнению с полностью цифровым диаграммообразованием, а также расширенных функциональностей по сравнению с антенными без электронного управления (например, по сравнению с обычной “тарелкой”)», – поясняет Павел Анатольевич Туральчук.

Сейчас ученые приступают к проведению экспериментов по применению прототипа «умной» антенны. Разработки поддержаны грантом РНФ (№ 17-79-20374).

Проект по созданию антенны, адаптируемой к изменениям условий передачи данных, является частью работы ученых ЛЭТИ по созданию компонентов для телекоммуникационных систем стандарта 5G. Так, ранее исследователи разработали дешевую разборную антенну для обеспечения Арктических районов России спутниковой связью.


Новое сообщение:
Complete in 4 ms, lookup=1 ms, find=3 ms

Последние сообщения в форумах

Все форумы »



Поиск по сайту:

Подписка:

Подписаться
Отписаться


Новости

12.11. [Новинки] Анонсы: Red Magic 10 позирует на рендерах / MForum.ru

11.11. [Новинки] Анонсы: Huawei MatePad 11.5 (2024) представлен официально / MForum.ru

11.11. [Новинки] Слухи: Samsung выпустит Galaxy S25 Slim в 2025 апреле года / MForum.ru

08.11. [Новинки] Анонсы: Samsung W25 – эксклюзивный складной смартфон для китайского рынка / MForum.ru

08.11. [Новинки] Анонсы: Представлен Samsung W25 Flip. Galaxy Z Fold 6 становится золотым? / MForum.ru

07.11. [Новинки] Слухи: Появилась информация о чипсете Kirin 9100 / MForum.ru

07.11. [Новинки] Анонсы: Бюджетный смартфон Vivo Y19s представлен официально / MForum.ru

06.11. [Новинки] Слухи: Honor 300 с зарядкой 100 Вт замечен в базе 3С / MForum.ru

06.11. [Новинки] Анонсы: Представлен прочный Honor X9c с аккумулятором емкостью 6600 мАч и камерой 108 Мп / MForum.ru

05.11. [Новинки] Анонсы: Realme GT7 Pro — флагман с режимом подводной фотосъемки / MForum.ru

05.11. [Новинки] Слухи: Появились подробности о iQOO Neo 10 и Neo 10 Pro / MForum.ru

04.11. [Новинки] Анонсы: Представлены Nokia 108 4G (2024) и Nokia 125 4G (2024) / MForum.ru

04.11. [Новинки] Слухи: Redmi K80 замечен на «живом» фото / MForum.ru

01.11. [Новинки] Анонсы: iQOO 13 дебютирует с Snapdragon 8 Elite, кольцом камеры RGB и огромной батареей / MForum.ru

01.11. [Новинки] Анонсы: Представлен OnePlus 13 с Snapdragon 8 Elite, обновленными камерами и АКБ 6000 мАч / MForum.ru

01.11. [Новинки] Слухи: Asus ROG Phone 9 Pro будет поддерживать рекордную частоту обновления экрана / MForum.ru

31.10. [Новинки] Анонсы: Xiaomi 15 Pro получает Snapdragon 8 Elite, 5-кратный перископ и мощную батарею / MForum.ru

30.10. [Новинки] Анонсы: Xiaomi Pad 7 и Pad 7 Pro дебютируют с 11,2-дюймовым дисплеем 144 Гц разрешением 3.2K / MForum.ru

29.10. [Новинки] Анонсы: Tecno MegaPad 10 – бюджетный планшет с длительным временем автономной работы / MForum.ru

28.10. [Новинки] Анонсы: Poco C75 с ценой $109 представлен официально / MForum.ru