Телефонная станция с более поздними антеннами, установленными выше для защиты от затухания сигнала
Разнесение антенн , также известное как пространственное разнесение или пространственное разнесение , представляет собой одну из нескольких схем беспроводного разнесения , которая использует две или более антенн для улучшения качества и надежности беспроводной связи. Часто, особенно в городских и внутренних условиях, между передатчиком и приемником нет прямой видимости (LOS). Вместо этого сигнал отражается по нескольким путям, прежде чем будет окончательно принят. Каждый из этих отскоков может вносить фазовые сдвиги, временные задержки, затухания и искажения, которые могут разрушительно мешать друг другу в апертуре приемной антенны.
Разнесение антенн особенно эффективно для смягчения этих многолучевых ситуаций. Это происходит потому, что несколько антенн предлагают приемнику несколько наблюдений одного и того же сигнала. Каждая антенна будет испытывать различную среду помех. Таким образом, если одна антенна испытывает глубокое замирание , то, вероятно, другая имеет достаточный сигнал. В совокупности такая система может обеспечить надежную связь. Хотя это в первую очередь наблюдается в приемных системах ( разнесенный прием ), аналоговый сигнал также оказался ценным для передающих систем ( разнесенная передача ).
По сути, схема разнесения антенн требует дополнительного оборудования и интеграции по сравнению с системой с одной антенной, но из-за общности путей прохождения сигнала можно совместно использовать изрядное количество схем. Кроме того, при наличии нескольких сигналов к приемнику предъявляются более высокие требования по обработке, что может привести к более жестким требованиям к конструкции. Однако обычно надежность сигнала имеет первостепенное значение, и использование нескольких антенн является эффективным способом уменьшения количества выпадений и потерянных соединений.
Антенные методы
Разнесение антенн может быть реализовано несколькими способами. В зависимости от среды и ожидаемых помех, проектировщики могут использовать один или несколько из этих методов для улучшения качества сигнала. Фактически, для дальнейшего повышения надежности часто используются несколько методов.
Пространственное разнесение использует несколько антенн, обычно с одинаковыми характеристиками, которые физически отделены друг от друга. В зависимости от ожидаемого падения входящего сигнала, иногда достаточно расстояния порядка длины волны. В других случаях требуются гораздо большие расстояния. Например, сотовая связь или секторизация — это схема пространственного разнесения, которая может иметь антенны или базовые станции на расстоянии многих миль друг от друга. Это особенно выгодно для индустрии мобильной связи , поскольку позволяет нескольким пользователям совместно использовать ограниченный спектр связи и избегать помех в одном канале.
Диверсификация диаграммы направленности состоит из двух или более совместно расположенных антенн с различными диаграммами направленности . Этот тип диверсификации использует направленные антенны , которые обычно физически разделены некоторым (часто коротким) расстоянием. В совокупности они способны различать большую часть углового пространства и могут обеспечить более высокий коэффициент усиления по сравнению с одним всенаправленным излучателем.
Поляризационное разнесение объединяет пары антенн с ортогональными поляризациями (т. е. горизонтальная/вертикальная, ± наклонная 45°, левосторонняя/правосторонняя круговая поляризация и т. д.). Отраженные сигналы могут претерпевать изменения поляризации в зависимости от среды, через которую они проходят. Разница поляризации в 90° приведет к коэффициенту затухания до 34 дБ в силе сигнала. Объединяя две дополнительные поляризации, эта схема может защитить систему от несоответствий поляризации, которые в противном случае привели бы к затуханию сигнала. Кроме того, такое разнесение оказалось ценным на базовых станциях радиосвязи и мобильной связи, поскольку оно менее восприимчиво к почти случайным ориентациям передающих антенн. [1]
Разнесение передачи/приема использует две отдельные, совмещенные антенны для функций передачи и приема. Такая конфигурация устраняет необходимость в дуплексере и может защитить чувствительные компоненты приемника от высокой мощности, используемой при передаче.
Адаптивные решетки могут быть одной антенной с активными элементами или массивом подобных антенн с возможностью изменения их комбинированной диаграммы направленности при сохранении различных условий. Активные электронно-сканируемые решетки ( AESA ) манипулируют фазовращателями и аттенюаторами на лицевой стороне каждого излучающего участка, чтобы обеспечить почти мгновенную возможность сканирования, а также управление диаграммой направленности и поляризацией. Это особенно полезно для радиолокационных приложений, поскольку дает одной антенне возможность переключаться между несколькими различными режимами, такими как поиск, отслеживание, картографирование и глушение контрмер.
Методы обработки
Все вышеперечисленные методы требуют некоторой постобработки для восстановления желаемого сообщения. Среди этих методов:
Переключение: В коммутационном приемнике сигнал только с одной антенны подается на приемник до тех пор, пока качество этого сигнала остается выше некоторого предписанного порога. Если и когда сигнал ухудшается, включается другая антенна. Переключение является самым простым и наименее энергозатратным из методов обработки разнесения антенн, но могут возникать периоды замирания и рассинхронизации, пока качество одной антенны ухудшается и устанавливается связь с другой антенной.
Выбор: Как и при переключении, обработка выбора представляет приемнику только один сигнал антенны в любой момент времени. Однако выбранная антенна основана на наилучшем отношении сигнал/шум (SNR) среди полученных сигналов. Это требует проведения предварительного измерения и установления соединений между всеми антеннами (по крайней мере, во время измерения SNR), что приводит к более высоким требованиям к мощности. Фактический процесс выбора может происходить между полученными пакетами информации. Это гарантирует, что соединение с одной антенной будет поддерживаться как можно дольше. Затем переключение может происходить на основе пакета за пакетом, если это необходимо.
Объединение: При объединении все антенны постоянно поддерживают установленные соединения. Затем сигналы объединяются и подаются на приемник. В зависимости от сложности системы сигналы могут быть добавлены напрямую (объединение с равным усилением) или взвешены и добавлены когерентно ( объединение с максимальным отношением ). Такая система обеспечивает наибольшую устойчивость к замиранию, но поскольку все приемные пути должны оставаться включенными, она также потребляет больше всего энергии.
Динамическое управление: динамически управляемые приемники способны выбирать из вышеперечисленных схем обработки в зависимости от ситуации. Хотя они намного сложнее, они оптимизируют компромисс между мощностью и производительностью. Переходы между режимами и/или антенными соединениями сигнализируются изменением воспринимаемого качества связи. В ситуациях с низким замиранием приемник может не использовать разнесение и использовать сигнал, представленный одной антенной. По мере ухудшения условий приемник может переходить на более надежные, но энергоемкие режимы, описанные выше.
Приложения
Широко известное практическое применение разнесенного приема — беспроводные микрофоны и аналогичные электронные устройства, такие как беспроводные гитарные системы. Беспроводной микрофон с неразнесенным приемником (приемник, имеющий только одну антенну) подвержен случайным выпадениям, затуханиям, шуму или другим помехам , особенно если передатчик (беспроводной микрофон) находится в движении. Беспроводной микрофон или звуковая система, использующая разнесенный прием, переключится на другую антенну в течение микросекунд, если одна антенна испытывает шум, обеспечивая улучшенное качество сигнала с меньшим количеством выпадений и шума. В идеале в полученном сигнале не будет никаких выпадений или шума.
Другое распространенное применение — сетевое оборудование Wi-Fi и беспроводные телефоны для компенсации многолучевых помех . Базовая станция переключает прием на одну из двух антенн в зависимости от того, какая в данный момент принимает более сильный сигнал. Для достижения наилучших результатов антенны обычно размещаются на расстоянии одной длины волны друг от друга. Для микроволновых диапазонов, где длины волн составляют менее 100 см, это часто можно сделать с помощью двух антенн, прикрепленных к одному и тому же оборудованию. Для более низких частот и более длинных волн антенны должны находиться на расстоянии нескольких метров друг от друга, что делает это гораздо менее разумным.
Вышки мобильной связи также часто используют преимущества разнесения - каждая сторона (сектор) вышки часто имеет две антенны; одна передающая и принимающая, а другая - только принимающая. Для осуществления разнесенного приема используются два приемника.
Сотовые антенны на опоре линии электропередач, показаны две антенны на сектор
Diversity Coding — это методы пространственного кодирования для системы MIMO в беспроводных каналах. Беспроводные каналы сильно страдают от явлений замирания, что приводит к ненадежности декодирования данных. По сути, Diversity coding отправляет несколько копий через несколько передающих антенн, чтобы повысить надежность приема данных. Если одна из них не может принять сигнал, другие используются для декодирования данных. MIMO обеспечивает пространственное разнесение и пространственное мультиплексирование.
^ Сиамак Гадими (2 апреля 2019 г.), Дифференциальная кросс-поляризованная беспроводная связь , Научные исследования
J. Moon и Y. Kim. «Разнесение антенн укрепляет беспроводные локальные сети». Communication Systems Design, страницы 15–22, январь 2003 г.
SM Lindenmeier, LM Reiter, DE Barie и JF Hopf. «Разнесение антенн для улучшения BER при приеме мобильного цифрового радио, особенно в районах с густой листвой». Международная конференция ITG по антеннам, ISBN 978-3-00-021643-5 , страницы 45–48. 30 марта 2007 г.
«Адаптивные решетки и конфигурации разнесенных антенн для портативных беспроводных коммуникационных терминалов», Карл Дитрих-младший, 15 февраля 2000 г.
«Учебное пособие по адаптивным антеннам: спектральная эффективность и пространственная обработка» Марка Голдберга. Управление инженерии и технологий Федеральной комиссии по связи США. 7 сентября 2001 г.
«Объектно-ориентированный подход на основе MATLAB к моделированию многолучевого замирания в канале» Белая книга CD Iskander. Февраль 2008 г.
