Τεχνικές Έξυπνων Κεραιών

Abstract

Το παρόν σύγγραμμα αναλύει σε βάθος μια κατηγορία τεχνικών που εφαρμόζονται στις λεγόμενες «έξυπνες κεραίες». Οι έξυπνες κεραίες είναι μια κατηγορία συστοιχιών κεραιών (στοιχειοκεραιών), οι οποίες έχουν τη δυνατότητα να κατευθύνουν τη δέσμη ακτινοβολίας τους προς κάποιον επιθυμητό χρήστη, ενισχύοντας έτσι τη λήψη του σήματος που προέρχεται απ’ αυτόν, ενώ ταυτόχρονα καταστέλλουν τη λήψη οποιωνδήποτε ανεπιθύμητων σημάτων, τα οποία μπορεί να εκπέμπονται την ίδια χρονική στιγμή από άλλες κατευθύνσεις και συνεπώς θα μπορούσαν να παρεμβάλλουν στη λήψη του επιθυμητού σήματος. Αυτό σημαίνει ότι οι έξυπνες κεραίες έχουν τη δυνατότητα να παράγουν ένα δυναμικό διάγραμμα ακτινοβολίας, δηλαδή ένα διάγραμμα ακτινοβολίας συνεχώς μεταβαλλόμενο σε πραγματικό χρόνο, έτσι ώστε να βελτιστοποιεί τη λήψη του επιθυμητού σήματος και να καταστέλλει όλα τα σήματα παρεμβολής. Η δυσκολία στην υλοποίηση τέτοιων κεραιών έγκειται στο γεγονός ότι οι χρήστες, οι οποίοι εξυπηρετούνται από σύγχρονα δίκτυα ασύρματων επικοινωνιών (όπως ασύρματα δίκτυα 5ης ή και μεταγενέστερης γενιάς), κινούνται συνεχώς μέσα σε πραγματικό περιβάλλον, ενώ η ανάγκη ευρυζωνικής σύνδεσης ολοένα και μεγαλώνει. Συνεπώς, μια κεραία σταθμού βάσης ασύρματου δικτύου, που λαμβάνει ταυτόχρονα ένα πλήθος σημάτων από διάφορους χρήστες, θα πρέπει να μορφοποιεί κατάλληλα το διάγραμμα ακτινοβολίας της, έτσι ώστε σε κάθε χρονική στιγμή ο κύριος λοβός του διαγράμματος αυτού να στρέφεται προς το επιθυμητό σήμα, ενώ ταυτόχρονα να δημιουργούνται μηδενισμοί στο διάγραμμα προς αντίστοιχες κατευθύνσεις ανεπιθύμητων σημάτων. Αυτή η διαδικασία επαναλαμβάνεται συνεχώς σε πραγματικό χρόνο, καθώς οι χρήστες κινούνται μέσα στη γεωγραφική περιοχή εξυπηρέτησης. Το σύγγραμμα αυτό παρέχει (1) τη μαθηματική θεμελίωση και την ανάλυση των πιο δημοφιλών τεχνικών μορφοποίησης του διαγράμματος ακτινοβολίας έξυπνης στοιχειοκεραίας σύμφωνα με τις εκάστοτε απαιτήσεις, και (2) τη μαθηματική θεμελίωση και την ανάλυση των πιο δημοφιλών τεχνικών εκτίμησης κατευθύνσεων άφιξης των σημάτων που μπορεί να ληφθούν από μια τέτοια στοιχειοκεραία.

This book analyzes in depth a class of techniques applied to the so-called "smart antennas". Smart antennas are a class of antenna arrays, which have the ability to steer their radiation beam toward a desired user, thus enhancing the signal reception from this user, while suppressing the reception of any unwanted signals, which can be transmitted at the same time from other directions and therefore could interfere with the reception of the desired signal. This means that smart antennas have the ability to produce a dynamic radiation pattern, i.e., a radiation pattern constantly changing in real time, so as to optimize the reception of the desired signal and suppress all interference signals. The difficulty in implementing such antennas lies in the fact that users, who are served by modern wireless communication networks (such as 5G or beyond 5G wireless networks), are constantly moving in a real environment, while the need for broadband connection is growing. Therefore, a base station antenna, which receives a number of signals from several users at the same time, must properly shape its radiation pattern, so that at any given moment the main lobe is steered toward the desired signal, while at the same time radiation nulls are placed toward respective directions of arrival of unwanted signals. This process is constantly repeated in real time as users move within the geographical service area. Τhis book provides (1) the mathematical formulation and analysis of the most popular beamforming techniques applied to smart antenna arrays according to the requirements in force, and (2) the mathematical formulation and analysis of the most popular direction-of-arrival estimation techniques applied to signals received by a smart antenna array.