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 

Пример ЦАР Alcatel-Lucent, 2011 год

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

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

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. 

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