سیستم آنتن های هوشمند

امروزه کوشش های پیگیرانه ای در جهت استفاده هرچه بیشتر از امواج به جای سیم ها در دنیای کامپیوتر در حال انجام است که برخی از آنها به نتیجه مطلوب رسیده ولی برخی هنوز در مراحل آزمایشی و تحقیقاتی قرار دارند. ارتباطات ماهواره ای از طریق آنتن های عادی دریافت و ارسال (send & receive) یکی از نمونه های برجسته و بسیار کارا در این زمینه است که استفاده موفقیت آمیز از آن اکنون معمول گشته است. با این حال تکنیک های پیشرفته تری نیز در راه هستند که از آن جمله است بکارگیری آنتن های هوشمند در گستره ارتباطات مخابراتی و به خصوص انتقال داده ها. اما آنتن هوشمند چیست و چه کاربردی دارد و گذشته از آن، آیا به راستی «آنتن» می تواند «هوشمند»باشد؟

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. درمی یابید که می توانید محل وی را (یا چند نفر را) بدون دیدنشان در اتاق تشخیص دهید. مهمترین علت آن عبارت است از آنکه: صدای شخصی را که صحبت می کند از طریق دو گوشتان، که سنسورهای صدای شما محسوب می شوند، می شنوید. صدا در دو زمان مختلف به گوش 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 محل شخص صحبت کننده را پیدا نماید. مغز شما همچنین توان سیگنال صدای دریافتی از دو گوش را با هم جمع می کند. بنابراین صدا را در جهت مربوطه بلندتر از صداهای دیگر دریافت خواهید کرد. سیستم های آنتن تطبیقی هم همین کار را انجام می دهند، که در آن به جای گوش از آنتن استفاده شده است. ولی فرق این دو در آن است که آنتن ها، دستگاه هایی دوطرفه هستند و می توانند سیگنالی را در همان جهت که سیگنال اول دریافت کرده اند بفرستند. بنابراین با استفاده از «چند» آنتن می توان سیگنال را «چند» بار قوی تر دریافت و ارسال کرد.
نکته بعدی اینکه اگر چند نفر با هم صحبت کنند، مغز شما می تواند تداخل را حذف کرده و در یک زمان خاص روی یک مکالمه خاص تمرکز کند. سیستم های ارائه تطبیقی پیشرفته هم می توانند بین سیگنال مورد نظر و سیگنال های ناخواسته تفاوت قائل شوند.
اکنون به تعریف آنتن هوشمند نزدیک می شویم: یک سیستم 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.

نقش آنتن در یک سیستم مخابراتی

آنتن در سیستم های مخابراتی بیشتر از تمام بخش های دیگر از معرض دید دور مانده است. آنتن دریچه ای است که انرژی فرکانسی رادیویی را از فرستنده به دنیای خارج و از دنیای خارج به گیرنده کوپل می کند. روشی که طی آن انرژی به فضای اطراف توزیع و از آن دریافت می شود اثری بسیار جدی روی استفاده موثر از طیف، برقراری شبکه های جدید و کیفیت سرویس ایجاد شده از این شبکه ها دارد. به طور کلی دو نوع آنتن داریم: آنتن همه جهتی و آنتن یک جهتی.

سیستم آنتن هوشمند

در حقیقت، آنتن ها هوشمند نیستند بلکه سیستم آنتن ها هوشمند هستند. عموماً هنگامی که این سیستم ها در کنار یک ایستگاه پایه قرار می گیرند، آنتن هوشمند از یک ارائه آنتنی با قابلیت پردازش سیگنال دیجیتال برای ارسال و دریافت سیگنال به صورت حساس و تطبیقی استفاده می کند. به عبارت دیگر، چنین سیستمی می تواند به صورت اتوماتیک جهت الگو تشعشعی را در پاسخ به محیط سیگنال تغییر دهد. این مسئله به طرز شگفت انگیزی مشخصه سیستم بی سیم را بهبود می بخشد.

اهداف و مزایای یک سیستم آنتن هوشمند

دو هدف سیستم آنتن هوشمند، افزایش کیفیت سیگنال سیستم های رادیویی و افزایش ظرفیت از طریق افزایش استفاده مجدد از فرکانس صورت می گیرد. گین سیگنال، ورودی چند آنتن با هم ترکیب می شود تا توان موجود برای برقراری سطح پوشش مورد نظر بهینه شود.

کاربرد تکنولوژی آنتن هوشمند

تکنولوژی آنتن هوشمند می تواند به نحو موثری عملکرد سیستم بی سیم را بهبود بخشد و از نظر اقتصادی نیز بسیار به صرفه است. این تکنولوژی کاربران کامپیوترها، سیستم های سلولی و شبکه های حلقه محلی بی سیم را قادر می سازد که کیفیت سیگنال، ظرفیت سیستم و پوشش را بسیار بالا ببرند. کاربران معمولاً در زمان های مختلف، به درصدهای مختلفی از کیفیت، ظرفیت و پوشش نیاز دارند. در اصل سیستم هایی که از نظر ساختار به راحتی قابل تغییر باشند، در دراز مدت بهترین و به صرفه ترین راه حل ها محسوب می شوند.

علت هوشمندی این نوع آنتن ها

در مکان هایی که تعداد کاربر، تداخل و پیچیدگی انتشار زیاد می شود، به سیستم های آنتن هوشمند نیاز خواهد بود. هوشمندی سیستم ها به امکانات آنها برای پردازش سیگنال دیجیتال برمی گردد. مانند اکثر پیشرفت های مدرنی که در صنایع الکترونیک امروزی صورت گرفته است، فرمت دیجیتال از جهت دقت و انعطاف پذیری کارکرد چند مزیت دارد. سیستم های آنتن هوشمند سیگنال های آنالوگ (نظیر صوت) را گرفته و به سیگنال های دیجیتال تبدیل و برای ارسال مدوله می کنند و در سمت دیگر دوباره آن را به سیگنال آنالوگ تبدیل می نمایند. در سیستم های آنتن هوشمند این قابلیت پردازش سیگنال با تکنیک های پیشرفته (الگوریتم ها) ترکیب شده و برای اداره وضعیت های پیچیده استفاده می شوند.

آنتن‌های هوشمند از گذشته‌های دور

به طور معمول، کلمه آنتن به یک وسیله مکانیکی اطلاق می‌شود که امواج الکترومغناطیسی را به جریان الکتریکی و بالعکس تبدیل می‌کند و ما آن را بیشتر به عنوان یک تشعشع‌کننده می‌شناسیم. اما در مبحث آنتن‌های هوشمند، کلمه آنتن مفهوم جامع‌تری دارد و شامل یک فرستنده و گیرنده کامل است.

مراحل رسیدن به آنتن‌های هوشمند فعلی را می‌توان به صورت زیر بیان کرد:

• نوع اول( adaptive null steering smart antenna)
• نوع دوم( phased array smart antenna)
• نوع سوم( switched beam smart antenna)

لزوم استفاده از آنتن‌های هوشمند

از آنجاییکه برای طراحی شبکه‌های امروزی، تمام تلاش‌ها روی بهینه‌سازی روش‌های مدولاسیون، کدینگ و استانداردها متمرکز بوده‌است، به تکنولوژی‌های مرتبط با آنتن توجه کمتری شده‌است؛ در حالیکه برای رفع نیاز‌های شبکه‌های سلولی آینده باید آنها را تا حد ممکن هوشمند طراحی کرد. در همین راستا، عمده توجهات روی فیلتر کردن فضا متمرکز شده است. فیلتر کردن در حوزه فضا، بین کاربرهایی که از یک کانال رادیویی مشترک استفاده می‌کنند، تمایز ایجاد می‌کند و در نتیجه می‌توان از فضا به عنوان یک روش دستیابی (access) در ترکیب با روش‌های دستیابی کنونی نظیر FDMA، TDMA و CDMA استفاده کرد. ذکر این نکته لازم است که در اینجا منظور از کانال، فرکانس کاریر، شیار زمانی و کد است. در واقع آنتن هوشمند می‌تواند کاربرهایی را که فرکانس، شیار زمانی و کد آنها یکی است، از هم تشخیص دهد.

طبقه‌بندی آنتن هوشمند

بسته به اینکه آنتن‌های هوشمند بیم خود را چگونه تولید می‌کنند، می‌توان آنها را به سه دسته تقسیم کرد. این تقسیم‌بندی در واقع یک سطح هوشمندی به این آنتن‌ها تخصیص می‌دهد:

1. switching beam or switching lobe smart antenna) SBA)
2. tracking beam or dynamically phased array smart antenna TBA
3. optimum combining or adaptive array smart antenna

فواید استفاده از آنتن‌های هوشمند

افزایش ظرفیت: در نواحی پرجمعیت، تداخل عامل مهم محدودکننده ظرفیت است. آنتن‌های هوشمند به طور همزمان با افزایش سطح سیگنال مفید دریافتی و کاهش اثر تداخل، SIR را افزایش می‌دهند.

درسیستم‌های ‏CDMA ، تداخل عامل مهمی در محدودکردن ظرفیت محسوب می‌شود. علت این امر، عدم دقت در تعامد کدها است. بدین‌ترتیب پیش‌بینی می‌شود که بهبود ظرفیت در سیستم CDMA ‌ خیلی بیشتر از سایر روش‌های دستیابی باشد. نتایج تجربی برای سیستم CDMA‌ افزایش ظرفیتی از مرتبه 5 و برای سیستم TDMA‌ افزایش ظرفیتی از مرتبه 3 را نشان می‌دهند.

هزینه‌ها و معایب استفاده از آنتن‌های هوشمند

پیچیدگی تجهیزات فرستنده و گیرنده: با توجه به مباحث قبلی، تجهیزات به‌کاررفته در یک آنتن هوشمند خیلی پیچیده‌تر از آنتن‌های فعلی است. علاوه‌بر این، الگوریتم‌های تشکیل بیم نیاز به محاسبات پیچیده دارند. به این معنی که BS ‌های آنتن‌های هوشمند نیاز به پردازنده‌های قدرتمند و سریع دارند. در نتیجه، هزینه آنها خیلی بیشتر از BS ‌های آنتن‌های امروزی است.

آنتن هاى همه جهتى

از روزهاى اولى که ارتباط بدون سیم شروع شد، از آنتن همه جهتى استفاده مى شد که این آنتن در همه جهات سیگنال را به خوبى دریافت و منتشر مى کند. الگوى این آنتن همه جهتى شبیه به قطرات آب است که پس از برخورد یک جسم به آب، از سطح آب خارج مى شوند. در این نوع آنتن به علت این که اطلاعاتى از محل قرار گرفتن کاربرها در دست نیست، سیگنال پراکنده مى شود و تنها درصد کوچکى از سیگنال به هر کاربر مى رسد.

آنتن هاى یک جهتى

یک تک آنتن نیز مى تواند طورى ساخته شود که در جهات مورد نظر دریافت و ارسال مشخصى داشته باشد. با رشد روزافزون سایت هاى فرستنده، امروزه بسیارى از سایت ها بخش هاى مشخصى را به عنوان سلول براى خود انتخاب مى کنند. یک ناحیه با شعاع ۳۶۰ درجه به ۳ زیر ناحیه ۱۲۰ درجه تقسیم و هر یک توسط یک روش انتشارى پوشش داده مى شود.

علت هوشمندى این نوع آنتن ها

در مکان هایى که تعداد کاربر، تداخل و پیچیدگى انتشار زیاد مى شود، به سیستم هاى آنتن هوشمند نیاز خواهد بود. هوشمندى سیستم ها به امکانات آنها براى پردازش سیگنال دیجیتال برمى گردد. مانند اکثر پیشرفت هاى مدرنى که در صنایع الکترونیک امروزى صورت گرفته است، فرمت دیجیتال از جهت دقت و انعطاف پذیرى کارکرد چند مزیت دارد. سیستم هاى آنتن هوشمند سیگنال هاى آنالوگ (نظیر صوت) را گرفته و به سیگنال هاى دیجیتال تبدیل و براى ارسال مدوله مى کنند و در سمت دیگر دوباره آن را به سیگنال آنالوگ تبدیل مى نمایند. در سیستم هاى آنتن هوشمند این قابلیت پردازش سیگنال با تکنیک هاى پیشرفته (الگوریتم ها) ترکیب شده و براى اداره وضعیت هاى پیچیده استفاده مى شوند.

شبکه محلی بی سیم

یک شبکه محلی بی سیم (Wireless Local Area Network – WLAN) میباشد که به کامپیوترها و ایستگاههای کاری (Workstations) اجازه میدهد که با یکدیگر از طریق بکارگیری پخش رادیویی بعنوان وسیلهء انتقال، ارتباط برقرار نمایند. LAN بی سیم میتواند به یک LAN با سیم موجود بعنوان یک گستره متصل گردد، یا میتواند بعنوان پایهء یک شبکهء جدید شکل گیرد. در حالیکه با محیطهای هم در داخل ساختمان و هم در بیرون ساختمان قابل انطباق میباشد، LAN های بی سیم خصوصا” برای مکانهای داخل ساختمان نظیر ساختمانهای دفتری، مکانهای تولید و ساخت، بیمارستانها و دانشگاهها مناسب می باشند.

سیستم های ماهواره ای

سیستمهای ماهواره ای یک راه منحصر بفرد را جهت متصل نمودن شبکه های ارتباطاتی با بکارگیری وسایل نقلیه فضایی در مدار بالای زمین فراهم می نمایند. ماهواره به سادگی به عنوان یک وسیله نقل و انتقال برای ارتباطات، بسیار شبیه کابلها، فیبرهای نوری یا سیستمهای ریز موج (مایکروویو) که مسیر بین 2 ارتباط برقرار کننده (Communicators) می باشند، عمل می نمایند. شبیه به کابل هایی که ارتباطات راه دور را فراهم می آورند، یک ماهواره شبیه یک تکرار کننده (Repeater) عمل نموده که اطمینان دهد که سیگنال، ارتباطات صوتی یا تصویری که انتقال می دهد هرچه که امکان داشته باشد، نزدیکتر به منبع سیگنال باقی مانده است. تکرارکننده ها در ماهواره ها سیگنال ضعیفی را که دریافت میکنند گرفته و آنرا قبل از اینکه به دریافت کننده عبور دهند، ترمیم می نمایند.