Εξομάλυνση Διαλείψεων Πολυδιαδρομικής Διάδοσης με Χρήση Ευφυών Κεραιών Στέλιος Μυτιληναίος Διπλωματούχος Ηλεκτρολόγος Μηχανικός και Μηχανικός Υπολογιστών, ΕΜΠ Υπεύθυνος Ερευνητής: Στέλιος Χ.Α. Θωμόπουλος, Εργαστήριο Ολοκληρωμένων Συστημάτων <#>

Οργάνωση διατριβής 1. Ασύρματο μέσο διάδοσης και διαλείψεις μικρής κλίμακας. 2. Ευφυείς κεραίες – αριθμητικές μέθοδοι ανάλυσης κεραιών. 3. Γενετικοί αλγόριθμοι. 4. Σχεδιασθείσες ευφυείς κεραίες. 5. Προσομοίωση διαλείψεων μικρής κλίμακας και επίδοσης ευφυών κεραιών. 6. Υλοποίηση ευφυών κεραιών και υποσυστημάτων, αξιολόγηση. 7. Συμπεράσματα.

Ασύρματο μέσο διάδοσης Εξασθένηση διάδοσης. Η μέση εξασθένηση διάδοσης προκύπτει από τον νόμο διάδοσης του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου, καθώς και απώλειες λόγω διάθλασης, ανάκλασης κλπ. Αντιστοιχεί στην μέση εξασθένηση περιοχής. Διαλείψεις μεγάλης κλίμακας (σκίαση). Κυμάτωση της τοπικής μέσης ισχύος σε αποστάσεις πολύ μεγαλύτερες του μήκους κύματος, λόγω τυχαίων εμποδίων μεγάλων διαστάσεων ανάμεσα στον πομπό και τον δέκτη (κτίρια κλπ.). Αντιστοιχεί στην τοπική μέση ισχύ. Διαλείψεις μικρής κλίμακας. Ταχύτατη και ισχυρή κυμάτωση της λαμβανόμενης ισχύος εντός αποστάσεων της τάξης του μήκους κύματος, η οποία οφείλεται στην διανυσματική συμβολή ενός μεγάλου αριθμού αντιγράφων του εκπεμπόμενου σήματος λόγω πολυδιαδρομικής διάδοσης. Αντιστοιχεί στην στιγμιαία λαμβανόμενη ισχύ. Συνήθεις οι διαλείψεις της τάξης των 30-40dB. (1) (2) (3)

Συνδυασμένη επίδραση μέσης εξασθένησης, διαλείψεων μεγάλης και διαλείψεων μικρής κλίμακας Συνδυασμένη επίδραση μέσης εξασθένησης, διαλείψεων μεγάλης και διαλείψεων μικρής κλίμακας:

Δημοφιλείς κατανομές πυκνότητας πιθανότητας λαμβανόμενου σήματος Δημοφιλείς κατανομές πυκνότητας πιθανότητας λαμβανόμενου σήματος Κατανομή περιβάλλουσας Rayleigh: (1) Κατανομή περιβάλλουσας Rice: (2) Κατανομή περιβάλλουσας Nakagami: (3) Κατανομή περιβάλλουσας Suzuki: (4) Ρυθμός διάσχισης διαλείψεων Rayleigh: (5) Μέση διάρκεια διαλείψεων Rayleigh: (6)

Απόκριση χωρο-χρονομεταβλητού καναλιού Η απόκριση καναλιού γίνεται: (1) Μετασχηματισμός θέσης: (2) Συναρτήσεις απόκρισης-μεταφοράς χωρο-χρονομεταβλητού καναλιού: Συναρτήσεις απόκρισης-μεταφοράς χωρο-χρονομεταβλητού καναλιού.

Κατηγοριοποίηση διαλείψεων Διασπορά Doppler – Διαλείψεις επιλεκτικές ως προς τον χρόνο (γρήγορες/αργές): RMS διασπορά Doppler: Χρόνος συνοχής: Διασπορά καθυστέρησης – Διαλείψεις επιλεκτικές ως προς την συχνότητα: RMS διασπορά καθυστέρησης: Εύρος ζώνης συνοχής: (1) (2) (4) (3) Διασπορά γωνίας – Διαλείψεις επιλεκτικές ως προς την απόσταση: RMS διασπορά γωνίας: Απόσταση συνοχής: (5) (6)

Ασύρματο μέσο διάδοσης Ευφυείς κεραίες – αριθμητικές μέθοδοι ανάλυσης κεραιών

Ευφυείς κεραίες – Γενικά. Ευφυείς κεραίες = στοιχειοκεραίες με ηλεκτρονικά ελεγχόμενα χαρακτηριστικά ακτινοβολίας. Ευφυείς κεραίες μεταγωγής λοβού (switched-beam arrays, SBA). Ευφυείς κεραίες προσαρμοζόμενης φάσης (phased arrays). Πλήρως προσαρμοζόμενες ευφυείς κεραίες (fully adaptive arrays). Ευφυής κεραία μεταγωγής λοβού. Προσαρμοζόμενη ευφυής κεραία. Αναλογική και ψηφιακή διαμόρφωση διαγράμματος ακτινοβολίας.

Πλεονεκτήματα ευφυών κεραιών a. Αύξηση χωρητικότητας. b. Υψηλότεροι ρυθμοί μετάδοσης – περισσότεροι χρήστες. c. Βελτιστοποίηση της ισοστάθμισης του φορτίου ζήτησης (load balancing). d. Μείωση απόστασης επαναχρησιμοποίησης συχνότητας. e. Αντιμετώπιση του φαινομένου near-far και των συνεπειών των ψευδο-ορθογωνικών κωδικών διασποράς (συστήματα CDMA). f. Πολλαπλή πρόσβαση στο πεδίο του χώρου (SDMA). g. Εκτίμηση γωνίας άφιξης σήματος (DoA). h. Μείωση φαινομένου πολυδιαδρομικής διάδοσης (multipath fading).

Ανάλυση κεραιών - στοιχειοκεραιών 1. Υπολογισμός ρευματικών κατανομών στην επιφάνεια της κεραίας: Μέθοδος EMF (επί τούτου υλοποίηση), μέθοδος MoM (SuperNEC). 2. Υπολογισμός πεδίου γραμμικής κεραίας: 3. Υπολογισμός πεδίου στοιχειοκεραίας: Πεδίο γραμμικής κεραίας: Διάγραμμα ακτινοβολίας γραμμικής κεραίας: (1) (3) Μιγαδικό διάγραμμα ακτινοβολίας γραμμικής κεραίας: Συντελεστής στοιχείου: (2) (4) Διάγραμμα ακτινοβολίας στοιχειοκεραίας: Διάγραμμα ακτινοβολίας για «ίσα» στοιχεία: (7) (5) Συντελεστής στοιχειοκεραίας: (6) (8)

Ευφυείς κεραίες – αριθμητικές μέθοδοι ανάλυσης κεραιών Γενετικοί αλγόριθμοι

Γενετικοί αλγόριθμοι Γενετικοί αλγόριθμοι – μια εύρωστη κλάση στοχαστικών αλγορίθμων βελτιστοποίησης. Η σύγκλιση των γενετικών αλγορίθμων εξασφαλίζεται από το θεώρημα σχήματος. Πλεονεκτήματα στοχαστικών έναντι ντετερμινιστικών αλγορίθμων βελτιστοποίησης: a. Ανεπηρέαστοι από αρχικές συνθήκες - Μεγαλύτερες πιθανότητες εύρεσης του απόλυτου βέλτιστου (δεν «παγιδεύονται» σε τοπικά βέλτιστα). b. Δεν θέτουν περιορισμούς για τον χώρο λύσεων. c. Ευσταθείς. Μειονεκτήματα στοχαστικών αλγορίθμων βελτιστοποίησης: a. Ταχύτητα σύγκλισης. Οι γενετικοί αλγόριθμοι συνδυάζουν όλα τα πλεονεκτήματα των στοχαστικών μεθόδων, με μεγαλύτερη ταχύτητα σύγκλισης.

Αρχή λειτουργίας γενετικών αλγορίθμων Διάγραμμα ροής τυπικού γενετικού αλγόριθμου: 1. Κωδικοποίηση του χώρου λύσεων σε γονίδια. 2. Κατασκευή χρωμοσωμάτων από τα γονίδια. 3. Κατασκευή ενός αρχικού πληθυσμού τυχαίων χρωμοσωμάτων. 4. Υπολογισμός αντικειμενικής συνάρτησης για όλα τα μέλη του πληθυσμού. 5. Επιλογή, επιχιασμός και μετάλλαξη εώς ότου δημιουργηθούν αρκετά νέα χρωμοσώματα ώστε να αποτελούν μια νέα γενιά. 6. Αντικατάσταση παλιού πληθυσμού από την νέα γενιά και επανάληψη αλγορίθμου από το βήμα 4.

Εμπειρικοί κανόνες γενετικών αλγορίθμων Δυαδική κωδικοποίηση σε διακριτά προβλήματα, κωδικοποίηση κινητής υποδιαστολής σε συνεχή προβλήματα. Μέγεθος πληθυσμού 5-6 φορές μεγαλύτερο του αριθμού των bits στο χρωμόσωμα. Πιθανότητα επιχιασμού: 0.7-0.9. Πιθανότητα μετάλλαξης: <0.05.

Γενετικοί αλγόριθμοι Σχεδιασθείσες ευφυείς κεραίες Γενετικοί αλγόριθμοι Σχεδιασθείσες ευφυείς κεραίες

Σχεδιασθείσες ευφυείς κεραίες (συχνότητα λειτουργίας 2 Σχεδιασθείσες ευφυείς κεραίες (συχνότητα λειτουργίας 2.4GHz εκτός αν αναφέρεται διαφορετικά) Συνήθεις ομοιόμορφες γραμμικές και ομοιόμορφες κυκλικές στοιχειοκεραίες (4, 8, 16 στοιχείων). (εξαιρ.) Ανομοιόμορφες επίπεδες κεραίες (5, 6 στοιχείων). (μερικώς) Κεραίες διπλής ζώνης συχνοτήτων λειτουργίας με μεταβλητούς συντελεστές τροφοδοσίας. Κεραίες διπλής ζώνης συχνοτήτων λειτουργίας με σταθερούς συντελεστές τροφοδοσίας. Αντιμετώπιση αστοχίας στοιχείου με μεταβλητούς συντελεστές τροφοδοσίας. Παραμετρική σχεδίαση κεραίας βάσει πιθανότητας αστοχίας στοιχείου - σταθεροί συντελεστές τροφοδοσίας. Κεραίες διπλής ζώνης συχνοτήτων λειτουργίας, με ταυτόχρονη αντιμετώπιση αστοχίας στοιχείου, μεταβλητοί (εξαιρ.) και σταθεροί συντελεστές τροφοδοσίας (μερικώς). Αντιμετώπιση επιπτώσεων μη ιδανικών στοιχείων σε πρακτικές εφαρμογές. (εξαίρ.) Παρασιτική κεραία οριζόντιας πόλωσης με χρήση διακοπτών στο σώμα της κεραίας. (εξαίρ.)

Πρότυπη αντικειμενική συνάρτηση βελτιστοποίησης 1. Περιγραφή επιθυμητού διαγράμματος ακτινοβολίας με ένα διάνυσμα τριών σημείων: [γωνία σκόπευσης, εύρος ημίσειας ισχύος, ύψος πλευρικών λοβών] -> ευέλικτη μέθοδος. 2. Για κάθε χρωμόσωμα: υπολογισμός διαγρ. ακτινοβολίας και δειγματοληψία ανά 2.5°. 3. Σε κάθε δείγμα, υπολογισμός σφάλματος ανάμεσα στο πραγματικό και το επιθυμητό διάγραμμα – εξ. (1). 4. Υπολογισμός αθροιστικού σφάλματος – εξ. (2). 5. Υπολογισμός αντικειμενικής συνάρτησης – εξ. (3). 6. Αν είναι επιθυμητή η ταυτόχρονη βελτιστοποίηση δύο ή περισσότερων διαγραμμάτων, χρήση της εξ. (4), όπου χρησιμοποιείται κάποια κατάλληλη συνάρτηση των αθροιστικών σφαλμάτων, όπως ο αριθμητικός ή γεωμετρικός μέσος όρος κλπ. (1): , για τον κύριο λοβό , για πλευρικούς λοβούς, αν , για πλευρικούς λοβούς αν (2) (3) (4)

Επίπεδη κεραία 6 στοιχείων, αυθαίρετης τοπολογίας, 8 διαγραμμάτων κάλυψης οριζοντίου επιπέδου

8 διαγράμματα ακτινοβολίας κεραίας 6 στοιχείων, αυθαίρετης τοπολογίας: Επίπεδη κεραία 6 στοιχείων, αυθαίρετης τοπολογίας, 8 διαγραμμάτων κάλυψης οριζοντίου επιπέδου (συνέχεια) Διάγραμμα θέσεων στοιχείων κεραίας: 8 διαγράμματα ακτινοβολίας κεραίας 6 στοιχείων, αυθαίρετης τοπολογίας:

Επίπεδη κεραία 6 στοιχείων, αυθαίρετης τοπολογίας, 4 διαγραμμάτων κάλυψης 120° 4 διαγράμματα ακτινοβολίας κεραίας 6 στοιχείων αυθαίρετης τοπολογίας, κάλυψης 120° του οριζοντίου επιπέδου:

Κεραία διπλής ζώνης συχνοτήτων λειτουργίας (WiFi, WiMAX) με μεταβλητούς συντελεστές τροφοδοσίας Βελτιστοποίηση κυκλικής κεραίας 8 στοιχείων: a) Βελτιστοποίηση συντελεστών τροφοδοσίας στα 2.4GHZ και προσαρμογή στα 3.5GHz: φτωχά αποτελέσματα. b) Βελτιστοποίηση συντελεστών τροφοδοσίας στα 3.5GHZ και προσαρμογή στα 2.4GHz: ενθαρρυντικά αποτελέσματα. c) Ταυτόχρονη βελτιστοποίηση συντελεστών τροφοδοσίας στα 3.5GHz και στα 2.4GHz: παρόμοια αποτελέσματα με περίπτωση (b). Διαγράμματα ακτινοβολίας κυκλικής κεραίας 8 στοιχείων με μεταβλητούς συντελεστές τροφοδοσίας, στα 2.4GHz και στα 3.5GHz:

Κεραία διπλής ζώνης συχνοτήτων λειτουργίας με σταθερούς συντελεστές τροφοδοσίας Δυνατότητα λειτουργίας και στις δύο ζώνες συχνοτήτων, την ίδια στιγμή. Διαγράμματα ακτινοβολίας κυκλικής κεραίας 8 στοιχείων με σταθερούς συντελεστές στα 2.4GHz και στα 3.5GHz:

Αντιμετώπιση αστοχίας στοιχείου κεραίας χρησιμοποιώντας μεταβλητούς συντελεστές τροφοδοσίας Κυκλική κεραία 8 στοιχείων. Ομοιόμορφη κάλυψη οριζοντιου επιπέδου με διαγράμματα στις 22.5°, 67.5 °, 112.5 °, 157.5 °, 202.5 °, 247.5 °,292.5 °, και 337.5 °. Κανονική λειτουργία βελτιστοποίηση ενός διαγράμματος ακτινοβολίας. Λειτουργία υπό αστοχία ενός στοιχείου βελτιστοποίηση τεσσάρων διαγραμμάτων ακτινοβολίας (π.χ. αν χαλάσει το 1ο στοιχείο χρειάζεται βελτιστοποίηση για γωνίες σκόπευσης 22.5°, 67.5 °, 112.5 °, 157.5 °, λόγω συμμετρίας). Διάγραμμα ακτινοβολίας κυκλικής κεραίας 8 στοιχείων, όλα τα στοιχεία εν λειτουργία, a posteriori αντιμετώπιση αστοχίας, γωνία σκόπευσης στις 22.5°:

A posteriori αντιμετώπιση αστοχίας στοιχείου, διάγραμμα ακτινοβολίας με βλάβη, γωνία σκόπευσης στις 22.5° Διάγραμμα ακτινοβολίας κεραίας 8 στοιχείων με βλάβη, a posteriori προσαρμογή, γωνία σκόπευσης στις 22.5°: Σύγκριση διαγραμμάτων κεραίας 8 στοιχείων με βλάβη, a posteriori προσαρμογή, γωνίες σκόπευσης 22.5°, 67.5°, 112.5°, 157.5°:

A priori αντιμετώπιση αστοχίας στοιχείου, εποπτική σύγκριση Σύγκριση διαγραμμάτων κεραίας 8 στοιχείων με βλάβη, a priori προσαρμογή, γωνίες σκόπευσης 22.5°, 67.5°, 112.5°, 157.5°:

Παραμετρική σχεδίαση κεραίας βάσει πιθανότητας βλάβης, διατηρώντας σταθερούς συντελεστές τροφοδοσίας Σταθεροί συντελεστές τροφοδοσίας σημαίνουν αδιάκοπη λειτουργία, ενώ δεν υπάρχει ανάγκη τεχνικών ανίχνευσης και ταυτοποίησης του στοιχείου που παρουσίασε αστοχία. Λαμβάνεται υπόψιν η πιθανότητα αστοχίας, και όχι απλά μια αφηρημένη δυνατότητα που υπάρχει ένα στοιχείο να παρουσιάσει βλάβη. Α) Η πιθανότητα αστοχίας δεν λαμβάνεται υπόψιν: Β) Η πιθανότητα αστοχίας λαμβάνεται υπόψιν: Αθροιστικά λάθη: Αθροιστικό σφάλμα: Αθροιστικό σφάλμα, βέλτιστο αθροιστικό σφάλμα: Συνάρτηση κόστους: Αντικειμενική συνάρτηση: (4) (1) Συνάρτηση κόστους: Αντικειμενική συνάρτηση: (5) (2) Ισοδύναμη αντικειμενικη συνάρτηση: (3)

Αριθμητικά αποτελέσματα Διάγραμμα ακτινοβολίας, περίπτωση Α (ανεξαρτήτως πιθανότητας αστοχίας): Διαγράμματα ακτινοβολίας, περίπτωση Β (a) p=0.20 , (b) p=0.85:

Αριθμητικά αποτελέσματα (συνέχεια) Συναρτήσεις κόστους και αντικειμενικές συναρτήσεις, περίπτωση Α και Β. Συμπεριφορά των όρων της συνάρτησης κόστους στην περίπτωση Β, συναρτήσει του p.

Κεραία διπλής ζώνης συχνοτήτων με ταυτόχρονη αντιμετώπιση αστοχίας στοιχείου 1. Διπλή ζώνη συχνοτήτων λειτουργίας και αντιμετώπιση αστοχίας στοιχείου με μεταβλητούς συντελεστές τροφοδοσίας (εξαιρ.) 2. Διπλή ζώνη συχνοτήτων λειτουργίας και αντιμετώπιση αστοχίας στοιχείου με απόλυτα σταθερούς συντελεστές τροφοδοσίας. 3. Διπλή ζώνη συχνοτήτων λειτουργίας και αντιμετώπιση αστοχίας στοιχείου. Συντελεστές τροφοδοσίας σταθεροί σε διαφορετικές συχνότητες, αλλά προσαρμοζόμενοι σε περίπτωση βλάβης στοιχείου (εξαιρ.) Διαγράμματα στοιχειοκεραίας με απόλυτα σταθερούς συντελεστές τροφοδοσίας, κανονική λειτουργία:

Κεραία διπλής ζώνης συχνοτήτων με ταυτόχρονη αντιμετώπιση αστοχίας στοιχείου (συνέχεια) Διαγράμματα στοιχειοκεραίας, αστοχία στοιχείου #1, 2.4GHz: Διαγράμματα στοιχειοκεραίας, αστοχία στοιχείου #1, 3.5GHz:

Προσομοίωση διαλείψεων Σχεδιασθείσες ευφυείς κεραίες μικρής κλίμακας και επίδοσης ευφυών κεραιών Σχεδιασθείσες ευφυείς κεραίες

Προσομοίωση διαλείψεων μικρής κλίμακας και επίδοσης ευφυών κεραιών Προσομοίωση διαλείψεων μικρής κλίμακας και επίδοσης ευφυών κεραιών Αξιολόγηση ενός τηλεπικοινωνιακού συστήματος: 1. Εξισώσεις κλειστού τύπου (αρχικά στάδια σχεδίασης). 2. Προσομοίωση (ενδιάμεσα στάδια σχεδίασης). 3. Κατασκευή και μέτρηση πρωτοτύπου (τελικά στάδια σχεδίασης). Προσομοίωση ασύρματου μέσου διάδοσης: 1. Μοντέλα βάσει επί τόπου μετρήσεων Προκύπτουν από επί τόπου μετρήσεις του καναλιού. Μερικές φορές καταλήγουν σε στατιστικές κατανομές. 2. Στατιστικά - γεωμετρικά μοντέλα. Προκύπτουν από a priori επιλεγείσες κατανομές πιθανότητας για φυσικά μεγέθη του καναλιού, ή γεωμετρικές ιδιότητες του καναλιού αντίστοιχα. Οι γεωμετρικές ιδιότητες καταλήγουν σε στατιστικές κατανομές. 3. Ντετερμινιστικά μοντέλα. Προκύπτουν από ηλεκτρομαγνητική ανάλυση συγκεκριμένων χώρων. Μερικές φορές καταλήγουν σε στατιστικές κατανομές.

Ορισμένα δημοφιλή γεωμετρικά μοντέλα Το μοντέλο του Clarke: Το ελλειπτικό μοντέλο: Το ομοιόμορφο ελλειπτικό μοντέλο μονής ανάκλασης (Geometrically Based Single Bounce Elliptical Model – GBSBEM): Ισοδύναμο μοντέλο:

Ένα στατιστικό εργαλείο προσομοίωσης Διάγραμμα ροής αλγόριθμου στατιστικής προσομοίωσης: Μπλοκ διάγραμμα προσομοιωθέντος τηλεπικοινωνιακού συστήματος:

Αποτελέσματα στατιστικού εργαλείου προσομοίωσης για το κανάλι GBSBEM Διαγράμματα BER συστήματος BPSK με επίπεδες διαλείψεις GBSBEM: Διαγράμματα BER συστήματος BPSK με επίπεδες διαλείψεις Rayleigh:

Ένα ντετερμινιστικό εργαλείο προσομοίωσης Απλοποιημένο μοντέλο καναλιού διάδοσης εσωτερικού χώρου: Σύγκριση μεταξύ της εμπειρικής και θεωρητικών κατανομών για την rms διασπορά καθυστέρησης: Κρουστικές αποκρίσεις του απλοποιημένου καναλιού για διάφορες θέσεις του δέκτη:

Προσομοίωση επίδρασης ευφυούς κεραίας τύπου SPA στην επίδοση του καναλιού Σύγκριση λαμβανομένης ισχύος, SPA και κατευθυντική SPA με ενεργό το 5ο στοιχείο: Σύγκριση μέσου BER – SPA και κατευθυντικές κεραίες: Απλοποιημένο μοντέλο καναλιού διάδοσης εσωτερικού χώρου με κυκλική παρασιτική SPA: Σύγκριση λαμβανομένης ισχύος, SPA και ομοιοκατευθυντικό δίπολο στο κέντρο της SPA: Σύγκριση μέσου BER – SPA και ομοιοκατευθυντικές κεραίες: Προσομοίωση BER με γρήγορη αριθμητική μέθοδο, η οποία επαληθεύτηκε με Monte Carlo

Προσομοίωση διαλείψεων Υλοποίηση ευφυών κεραιών και υποσυστημάτων μικρής κλίμακας και επίδοσης ευφυών κεραιών Υλοποίηση ευφυών κεραιών και υποσυστημάτων

Υλοποίηση ευφυών κεραιών και υποσυστημάτων, αξιολόγηση επίδοσης σε πραγματικό περιβάλλον Αναλογικός RF στροφέας φάσης στα 2.4GHz. Βασικό δομικό στοιχείο προσαρμοζόμενων ευφυών κεραιών. Σχεδίαση βάσει διανυσματικής πρόσθεσης σημάτων. Ευφυής παρασιτική κεραία μεταγωγής λοβού (SPA) βασισμένη σε μια τεχνική σχεδίασης κεραιών παθητικών στοιχείων (ESPAR). Εναλλακτικές ευφυείς κεραίες, με μικρότερο κόστος και σχετικά χαμηλότερη επίδοση. Σχεδίαση βασισμένη σε μια τεχνική σχεδίασης ESPAR (παρασιτικές κεραίες με μεταβλητά φορτία στα παθητικά στοιχεία) και έναν γενετικό αλγόριθμο. Στόχος η κατασκευή μιας ολοκληρωμένης κεραίας ESPAR. Ευφυής κεραία μεταγωγής λοβού και ευφυής πλήρως προσαρμοζόμενη κεραία. Πλήρως προσαρμοζόμενη κεραία (πλάτος και φάση κάθε στοιχείου). Λειτουργία σαν SBA και προσαρμοζόμενη κεραία. Πλήρη ηλεκτρονικά κυκλώματα και κυκλώματα ελέγχου. Μέτρηση και αξιολόγηση σε πραγματικό περιβάλλον εσωτερικού χώρου.

Αναλογικός RF στροφέας φάσης στα 2.4GHz. Χρήση τόσο σε φασικές όσο και σε πλήρως προσαρμοζόμενες κεραίες. Αναλογικοί – ψηφιακοί, διάφορες τεχνικές σχεδίασης. RF αναλογικός στροφέας φάσης μέσω διανυσματικής άθροισης σημάτων. Σχηματική αναπαράσταση διαδρομής σήματος μέσα από τον προτεινόμενο στροφέα φάσης: Μπλοκ διάγραμμα λειτουργίας στροφέα φάσης:

Σχεδίαση και αποτελέσματα VGA Επιλογή τρανζίστορ Αποτελέσματα μετρήσεων VGA Διάταξη για τον έλεγχο των τρανζίστορ: Συντελεστές ανάκλασης εισόδου και εξόδου: Αποτελέσματα προσομοίωσης τρανζίστορ ATF-38143: Κέρδος και στροφή φάσης:

Αποτελέσματα μετρήσεων στροφέα φάσης Κυμάτωση κέρδους στροφέα φάσης: Layout στροφέα φάσης: Συνολική στροφή φάσης: Συντελεστές ανάκλασης στροφέα φάσης:

Ευφυής παρασιτική κεραία μεταγωγής λοβού (SPA) βασισμένη σε μια τεχνική σχεδίασης ESPAR Parasitic vs. Passive element. (παρασιτικό, βραχυκυκλωμένο vs. παθητικό) Switched Parasitic Array (SPA) vs. Electrically Steerable Passive Array Radiator (ESPAR). SPA, ESPAR ελκυστική επιλογή αντί για πλήρως προσαρμοζόμενες κεραίες. Μιγαδικό διάγραμμα ακτινοβολίας στοιχειοκεραίας: Συνδυασμός (2) και (3) δίνει: (1) (4) Τάσεις και ρεύματα στα στοιχεία μιας ESPAR: (2) Η εξίσωση (4) ξαναγράφεται ως: (5) (6) (7) Τάσεις και ρεύματα στα παθητικά στοιχεία και φορτία: (8) (3)

Αποτελέσματα προσομοίωσης βελτιστοποίησης ESPAR Βελτιστοποίηση μέσω γενετικού αλγορίθμου για γωνία σκόπευσης 45°: Διάταξη στοιχειοκεραίας: Διάγραμμα ακτινοβολίας για γωνία σκόπευσης 45°: Υπολογισμός αμοιβαίων αντιστάσεων συναρτήσει της απόστασης των στοιχείων:

Αποτελέσματα κατασκευής και μέτρησης SPA Διαγράμματα ακτινοβολίας υλοποιηθείσας κεραίας SPA (ακτίνα κύκλου 4.4cm): Αμοιβαίες αντιστάσεις στοιχείων IN2458-5RD-S που χρησιμοποιήθηκαν (πραγματικό μέρος): Σύγκριση θεωρητικού και μετρηθέντος διαγράμματος ακτινοβολίας κεραίας SPA για γωνία σκόπευσης 135°: Αμοιβαίες αντιστάσεις στοιχείων IN2458-5RD-S που χρησιμοποιήθηκαν (φανταστικό μέρος):

Ευφυής κεραία – μεταγωγής λοβού και πλήρως προσαρμοζόμενη Ευφυής κεραία – μεταγωγής λοβού και πλήρως προσαρμοζόμενη Κεραία λήψης 2.4GHz WLAN (κεραία μεταγωγής λοβού και πλήρως προσαρμοζόμενη). Ομοιόμορφη κυκλική τοπολογία, 4 στοιχεία, RF-IF κυκλώματα λήψης, ψηφιακό κύκλωμα ελέγχου. Βελτιστοποίηση μέσω γενετικών αλγορίθμων. Ανεξάρτητη μεταβολή πλάτους και φάσης + ψηφιακό κύκλωμα + χαρακτηρισμός ηλεκτρομαγνητικής σύζευξης στοιχείων = δυνατότητα οδήγησης κάθε επιθυμητού προσαρμοστικού αλγόριθμου Μπλοκ διάγραμμα λειτουργίας κυκλωμάτων κεραίας: Διάταξη πλήρως προσαρμοζόμενης κεραίας:

Προδιαγραφές και βελτιστοποίηση κεραίας Επιθυμητή η λειτουργία ως SBA και ως προσαρμοζόμενη κεραία. Επιλογή ως συμβιβαστική λύση. Βελτιστοποίηση ρευματικών συντελεστών SBA με χρήση γενετικού αλγορίθμου. Προσομοίωση διαγράμματος ακτινοβολίας κεραίας, γωνία σκόπευσης 45°:

Ηλεκτρονικά κυκλώματα κεραίας, RF στάδιο Layout σταδίου RF: Αποτελέσματα μετρήσεων για το ζωνοπερατό φίλτρο: Αποτελέσματα μετρήσεων για τον μείκτη: Αποτελέσματα μετρήσεων για τον LNA:

Ηλεκτρονικά κυκλώματα κεραίας, IF στάδιο Layout σταδίου IF: Αποτελέσματα μετρήσεων για τον VGA: Αποτελέσματα μετρήσεων για το βαθυπερατό φίλτρο:

Ηλεκτρονικά κυκλώματα κεραίας, υπόλοιπα κυκλώματα και ψηφιακό κύκλωμα ελέγχου Layout ψηφιακού κυκλώματος ελέγχου: Layout τετραπλού αθροιστή και διπλού διαιρέτη ισχύος : Layout ανιχνευτή ισχύος:

Διαγράμματα ακτινοβολίας κεραίας σε λειτουργία SBA Σύγκριση θεωρητικού και μετρηθέντος διαγράμματος ακτινοβολίας κεραίας, γωνία σκόπευσης 45°: Διαγράμματα ακτινοβολίας κεραίας:

Αλγόριθμος κεραίας για λειτουργία SBA

Αλγόριθμος κεραίας για προσαρμοζόμενη λειτουργία Διάγραμμα ροής προσαρμοστικού αλγορίθμου:

Αξιολόγηση κεραίας σε πραγματικό περιβάλλον Περιβάλλον και διαδρομή μετρήσεων: Στιγμιότυπο λαμβανομένης ισχύος, ομοιοκατευθυντικός και SBA δέκτης: Στιγμιότυπο λαμβανομένης ισχύος, SBA και προσαρμοζόμενος δέκτης:

Υλοποίηση ευφυών κεραιών και υποσυστημάτων Συμπεράσματα

Συμπεράσματα Συμβολή: Μελλοντική εργασία: Μελέτη ασύρματου μέσου διάδοσης, συναρτήσεις συσχέτισης καναλιού με χωρική εξάρτηση. Δημιουργία εργαλείου σχεδίασης κεραιών βασισμένου στους γενετικούς αλγορίθμους. Σχεδιασθείσες ευφυείς κεραίες: ανομοιόμορφες κεραίες, κεραίες με μη συμμετρικά διαγράμματα ακτινοβολίας, λειτουργία dual-band, αντιμετώπιση αστοχίας στοιχείου, συνδυασμός dual-band και αστοχίας, αντιμετώπιση επιπτώσεων πρακτικών στοιχείων, οριζόντια πολωμένη κεραία με διακόπτες. Εργαλεία προσομοίωσης ασύρματου μέσου διάδοσης: στατιστικό εργαλείο προσομοίωσης, ντετερμινιστικό εργαλείο προσομοίωσης, προσομοίωση επίδοσης ευφυών κεραιών. Υλοποίηση ευφυών κεραιών και υποσυστημάτων: RF στροφέας φάσης, παρασιτική κεραία μεταγωγής λοβού (SPA), πλήρως προσαρμοζόμενη και SBA κεραία. Αντιμετώπιση διαλείψεων πολυδιαδρομικής διάδοσης με χρήση της πλήρως προσαρμοζόμενης και SBA κεραίας. Μελλοντική εργασία: Χρήση SPA και προσαρμοζόμενης κεραίας για υλοποίηση εκτίμησης DoA. Κατασκευή δεύτερης προσαρμοζόμενης κεραίας, υλοποίηση συστήματος ΜΙΜΟ. Ολοκλήρωση SPA με ψηφιακό κύκλωμα ελέγχου. Κατασκευή κεραίας ESPAR αντί κεραίας SPA. Υλοποίηση προσομοιωτών σε επίπεδο δικτύου (system-level simulator) με χρήση δεδομένων από φυσικό επίπεδο ή επίπεδο σύνδεσης.

? Συμπεράσματα