Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Байланыстың сенімділігін арттыру үшін артық әдіс
Redundancy method to improve communications reliability
Антенналық әртүрлілік, сондай-ақ кеңістіктік әртүрлілік деп аталатын, сымсыз байланыстың сапасы мен сенімділігін жақсарту үшін екі немесе одан көп антенналарды пайдаланатын бірнеше сымсыз әртүрлілік схемаларының бірі болып табылады. Көбінесе, әсіресе қалалық және үй ішіндегі жағдайларда, хабар таратушы мен қабылдаушы арасында тікелей көру сызығы (LOS) болмайды. Оның орнына сигнал, соңғы қабылдануға дейін бірнеше жолмен шағылысады. Бұл шағылыстардың әрқайсысы фазалық өзгерістерге, уақыт кешігулеріне, сигналдың әлсіреуіне және бұрмалауларға әкелуі мүмкін, бұл қабылдау антеннасының апертурасында бір-бірімен араласып, сигналды нашарлатуы мүмкін. Антенналық әртүрлілік осы көп жолды жағдайларды жеңілдетуде ерекше тиімді. Себебі бірнеше антенналар қабылдағышқа бір сигналдың бірнеше бақылауын ұсынады. Әр антенна әртүрлі кедергілерге тап болады. Осылайша, егер бір антеннаның сигналы күрт әлсіресе, екіншісінде жеткілікті сигнал болуы мүмкін. Мұндай жүйе жиынтығында берік байланыс қамтамасыз ете алады. Бұл көбінесе қабылдау жүйелерінде (әртүрлілік қабылдау) кездеседі, бірақ тарату жүйелерінде де (тарату әртүрлілігі) пайдалы болып табылады. Антенналық әртүрлілік схемасы бір антенналық жүйеге қарағанда қосымша аппараттық құралдар мен интеграцияны талап етеді, бірақ сигнал жолдарының ортақтығына байланысты схеманың бір бөлігін бөлісуге болады. Сонымен қатар, бірнеше сигналмен қабылдағышта өңдеуге қойылатын талаптар артады, бұл жобалау талаптарын күрделендіруі мүмкін. Бірақ, әдетте, сигналдың сенімділігі басты назарда болады және бірнеше антенналарды пайдалану – сигналдың үзілуі мен байланыстың жоғалтылуын азайтудың тиімді тәсілі.
Antenna diversity, also known as space diversity or spatial diversity, is any one of several wireless diversity schemes that uses two or more antennas to improve the quality and reliability of a wireless link. Often, especially in urban and indoor environments, there is no clear line of sight (LOS) between transmitter and receiver. Instead the signal is reflected along multiple paths before finally being received. Each of these bounces can introduce phase shifts, time delays, attenuations, and distortions that can destructively interfere with one another at the aperture of the receiving antenna. Antenna diversity is especially effective at mitigating these multipath situations. This is because multiple antennas offer a receiver several observations of the same signal. Each antenna will experience a different interference environment. Thus, if one antenna is experiencing a deep fade, it is likely that another has a sufficient signal. Collectively such a system can provide a robust link. While this is primarily seen in receiving systems (diversity reception), the analog has also proven valuable for transmitting systems (transmit diversity) as well. Inherently an antenna diversity scheme requires additional hardware and integration versus a single antenna system but due to the commonality of the signal paths a fair amount of circuitry can be shared. Also with the multiple signals there is a greater processing demand placed on the receiver, which can lead to tighter design requirements. Typically, however, signal reliability is paramount and using multiple antennas is an effective way to decrease the number of drop outs and lost connections.
Антенналық техника
Антенналық әртүрлілік бірнеше тәсілмен іске асырылуы мүмкін. Ортаның ерекшеліктеріне және күтілетін кедергілерге байланысты, дизайнерлер сигнал сапасын жақсарту үшін осы тәсілдердің бірін немесе бірнешеуін қолдана алады. Шындығында, сенімділікті арттыру үшін бірнеше тәсіл жиі қолданылады. Кеңістіктік әртүрлілік әдетте бір-бірінен физикалық тұрғыдан бөлінген, бірдей сипаттамалары бар бірнеше антенналарды пайдаланады. Келіп түсетін сигналдың күтілетін инциденциясына байланысты, кейде толқын ұзындығына тең кеңістік жеткілікті болады. Ал кейде одан да үлкен қашықтықтар қажет. Мысалы, жасушалық немесе секторлық схема – бұл кеңістіктік әртүрлілік схемасы, онда антенналар немесе базалық станциялар шақырымдармен өлшенетін қашықтықта орналасуы мүмкін. Бұл, әсіресе, ұялы байланыс индустриясы үшін пайдалы, себебі ол бірнеше пайдаланушыларға шектеулі байланыс спектрін бөлісуге және бір арнадағы кедергілерді болдырмауға мүмкіндік береді. Нұсқалық әртүрлілік әртүрлі сәулелену үлгілері бар екі немесе одан көп антеннадан тұрады. Бұл түрдегі әртүрлілік көбінесе физикалық жағынан бір-бірінен (көбінесе қысқа) қашықтықпен бөлінген бағытталған антенналарды пайдаланады. Олар бұрыштық кеңістіктің үлкен бөлігін ажырата алады және бір ғана толық бағытталған сәуле шығарушыға қарағанда жоғары күш беруге қабілетті. Поляризациялық әртүрлілік антенналардың жұптарын ортогональды поляризациялармен (мысалы, көлденең/тік, ±45° көлбеу, сол/оң шеңберлік поляризация және т.б.) біріктіреді. Сигналдар орта арқылы өтетін кезде поляризациясы өзгеруі мүмкін. Поляризацияның 90° айырмашылығы сигнал күшінің 34 дБ-ға дейін әлсіреуіне әкелуі мүмкін. Екі толықтыратын поляризацияны жұптастыру арқылы, бұл схема жүйені поляризациялық қателіктерден қорғайды, олар сигналдың әлсіреуіне себеп болар еді. Сонымен қатар, мұндай әртүрлілік радио және ұялы байланыс базалық станцияларында өте құнды болып табылады, өйткені ол таратушы антенналардың кездейсоқ бағытталғандығына аз сезімтал. Тарату/қабылдау әртүрлілігі тарату және қабылдау функциялары үшін екі бөлек, бірге орналасқан антенналарды пайдаланады. Мұндай конфигурация дуплекстің қажеттілігін жояды және таратуда қолданылатын жоғары қуаттан сезімтал қабылдағыш компоненттерін қорғай алады. Адаптивті массивтер белсенді элементтері бар бір ғана антенна немесе әртүрлі жағдайларда олардың біріктірілген сәулелену үлгісін өзгерте алатын ұқсас антенналар массиві болуы мүмкін. Активті электронды сканерленген массивтер (AESA) әрбір сәулелену орнының бетінде фазалық ауыстырғыштар мен әлсіретушілерді манипуляциялайды, бұл дерлік жылдам сканерлеу қабілетін, сондай-ақ үлгі мен поляризацияны басқаруды қамтамасыз етеді. Бұл, әсіресе, радарлық қолданбалар үшін пайдалы, өйткені ол бір антеннаға іздеу, қадағалау, карта жасау және қарсы шаралар сияқты бірнеше түрлі режимдерді ауыстыру мүмкіндігін береді.
Antenna diversity can be realized in several ways. Depending on the environment and the expected interference, designers can employ one or more of these methods to improve signal quality. In fact multiple methods are frequently used to further increase reliability. Spatial diversity employs multiple antennas, usually with the same characteristics, that are physically separated from one another. Depending upon the expected incidence of the incoming signal, sometimes a space on the order of a wavelength is sufficient. Other times much larger distances are needed. Cellularization or sectorization, for example, is a spatial diversity scheme that can have antennas or base stations miles apart. This is especially beneficial for the mobile communication industry since it allows multiple users to share a limited communication spectrum and avoid co channel interference. Pattern diversity consists of two or more co located antennas with different radiation patterns. This type of diversity makes use of directional antennas that are usually physically separated by some (often short) distance. Collectively they are capable of discriminating a large portion of angle space and can provide a higher gain versus a single omnidirectional radiator. Polarization diversity combines pairs of antennas with orthogonal polarizations (i. e. horizontal/vertical, ± slant 45°, Left hand/Right hand circular polarization etc.). Reflected signals can undergo polarization changes depending on the medium through which they are traveling. A polarization difference of 90° will result in an attenuation factor of up to 34 dB in signal strength. By pairing two complementary polarizations, this scheme can immunize a system from polarization mismatches that would otherwise cause signal fade. Additionally, such diversity has proven valuable at radio and mobile communication base stations since it is less susceptible to the near random orientations of transmitting antennas. Transmit/Receive diversity uses two separate, colocated antennas for transmit and receive functions. Such a configuration eliminates the need for a duplexer and can protect sensitive receiver components from the high power used in transmit. Adaptive arrays can be a single antenna with active elements or an array of similar antennas with ability to change their combined radiation pattern as different conditions persist. Active electronically scanned arrays (AESAs) manipulate phase shifters and attenuators at the face of each radiating site to provide a near instantaneous scan ability as well as pattern and polarization control. This is especially beneficial for radar applications since it affords a single antenna the ability to switch among several different modes such as searching, tracking, mapping and jamming countermeasures.
Өңдеу әдістері
Жоғарыда аталған әдістердің барлығы қажетті хабарламаны қалпына келтіру үшін кейіннен өңдеуді қажет етеді. Осы әдістердің ішінде:
All of the above techniques require some sort of post processing to recover the desired message. Among these techniques are:
Коммутациялау: Коммутациялық қабылдағышта, сигнал тек бір антеннадан қабылдағышқа, оның сапасы белгілі бір шекті деңгейден жоғары болғанша беріледі. Егер сигнал нашарласа, басқа антенна қосылады. Коммутациялау – антеннаның әртүрлілігін өңдеудің ең оңай және ең аз қуатты тұтынуы, бірақ бір антеннаның сапасы төмендеп, басқа антенна байланысы орнатылған кезде, үзілістер мен синхрондылықтың жоғалуы мүмкін. Таңдау: Коммутациялау сияқты, таңдау өңдеуі де кез келген уақытта қабылдағышқа тек бір антеннаның сигналын ұсынады. Бірақ антеннаның таңдалуы, алынған сигналдардың арасындағы ең жақсы сигнал-шу қатынасына (SNR) негізделеді. Бұл үшін алдын ала өлшеу жүргізілуі және барлық антенналардың (кем дегенде SNR өлшеу кезінде) байланыстары орнатылуы керек, бұл жоғары қуат талап етеді. Нақты таңдау процесі алынған ақпарат пакеттерінің арасында жүргізілуі мүмкін. Бұл мүмкіндігінше бір антенна байланысын сақтап тұруға көмектеседі. Қажет болған жағдайда, пакеттен пакетке ауысу жүзеге асырылуы мүмкін. Біріктіру: Біріктіру кезінде барлық антенналар әрдайым байланысты сақтайды. Сигналдар біріктіріліп, қабылдағышқа беріледі. Жүйенің күрделілігіне байланысты, сигналдар тікелей қосылуы мүмкін (тең паймен біріктіру) немесе салмақтап, үйлесімді қосылуы мүмкін (максималды қатынаспен біріктіру). Мұндай жүйе ең жоғары төзімділікті қамтамасыз етеді, бірақ барлық қабылдау жолдары энергиямен қамтамасыз етілуі керек болғандықтан, ол ең көп қуатты тұтынады. Динамикалық басқару: Динамикалық басқарумен басқарылатын қабылдағыштар, жағдай туғанда жоғарыда аталған өңдеу схемаларынан таңдау жасауға қабілетті. Олар күрделірек болғанымен, қуат пен өнімділіктің арақатынасын оңтайландырады. Режимдер мен/немесе антенна байланыстары арасындағы ауысулар, байланыстың сапасының өзгеруімен белгіленеді. Төменгі кедергі жағдайында, қабылдағыш әртүрлілікті пайдаланбай, бір антеннадан берілетін сигналды қолдана алады. Жағдай нашарлаған сайын, қабылдағыш жоғарыда сипатталған сенімді, бірақ қуатты режимдерге көше алады.
Switching: In a switching receiver, the signal from only one antenna is fed to the receiver for as long as the quality of that signal remains above some prescribed threshold. If and when the signal degrades, another antenna is switched in. Switching is the easiest and least power consuming of the antenna diversity processing techniques but periods of fading and desynchronization may occur while the quality of one antenna degrades and another antenna link is established. Selecting: As with switching, selection processing presents only one antenna's signal to the receiver at any given time. The antenna chosen, however, is based on the best signal to noise ratio (SNR) among the received signals. This requires that a pre measurement take place and that all antennas have established connections (at least during the SNR measurement) leading to a higher power requirement. The actual selection process can take place in between received packets of information. This ensures that a single antenna connection is maintained as much as possible. Switching can then take place on a packet by packet basis if necessary. Combining: In combining, all antennas maintain established connections at all times. The signals are then combined and presented to the receiver. Depending on the sophistication of the system, the signals can be added directly (equal gain combining) or weighted and added coherently (maximal ratio combining). Such a system provides the greatest resistance to fading but since all the receive paths must remain energized, it also consumes the most power. Dynamic Control: Dynamically controlled receivers are capable of choosing from the above processing schemes for whenever the situation arises. While much more complex, they optimize the power vs. performance trade off. Transitions between modes and/or antenna connections are signaled by a change in the perceived quality of the link. In situations of low fading, the receiver can employ no diversity and use the signal presented by a single antenna. As conditions degrade, the receiver can then assume the more highly reliable but power hungry modes described above.
Қолданбалар
Әртүрлілікті қабылдаутың кеңінен танымал қолданысы сымсыз микрофондарда және сымсыз гитара жүйелері сияқты ұқсас электрондық құрылғыларда кездеседі. Бір антеннасы ғана бар (диверсификациясыз) қабылдағышы бар сымсыз микрофон кездейсоқ сигналдың үзілуіне, әлсіреуіне, шуға немесе басқа да бөгеттерге ұшырауы мүмкін, әсіресе егер таратушы (сымсыз микрофон) қозғалса. Диверсификациялық қабылдауды қолданатын сымсыз микрофон немесе дыбыс жүйесі, егер бір антенна шуды анықтаса, бір микросекунд ішінде екінші антеннаға ауысып, сигналдың сапасын жақсартады, сигналдың үзілуін және шуды азайтады. Идеал жағдайда, алынған сигналда ешқандай үзіліс немесе шу болмайды. Тағы бір кең таралған қолданысы – Wi-Fi желілік құрылғылары мен сымсыз телефондарда көп жолды бөгеттерді жою үшін қолданылады. Базалық станция, қазіргі уақытта қай антенна күштірек сигнал алатынына байланысты, қабылдауды екі антеннаның біріне ауыстырады. Ең жақсы нәтиже алу үшін антенналар әдетте бір толқын ұзындығы қашықтықта орналастырылады. Микротолқынды жиіліктерде, толқын ұзындығы 100 см-ден кем болғанда, мұны көбінесе бір аппаратқа бекітілген екі антеннамен жасауға болады. Төмен жиіліктер мен ұзын толқын ұзындықтары үшін антенналар бір-бірінен бірнеше метр қашықтықта болуы керек, бұл оны іске асыруды қиындатады. Ұялы телефон мұнаралары да әртүрліліктің артықшылықтарын пайдаланады – мұнараның әр жағында (секторда) екі антенна болады; біреуі тарату және қабылдау үшін, ал екіншісі – қабылдау үшін ғана. Диверсификациялық қабылдауды жүзеге асыру үшін екі қабылдағыш қолданылады. Тарату және қабылдау кезінде бірнеше антенналарды пайдалану көп кіріс-көп шығыс (MIMO) жүйесін құрайды. Байланыстың екі шетінде әртүрлілік техникаларын қолдану кеңістік-уақытты кодтау деп аталады.
A well known practical application of diversity reception is in wireless microphones, and in similar electronic devices such as wireless guitar systems. A wireless microphone with a non diversity receiver (a receiver having only one antenna) is prone to random drop outs, fades, noise, or other interference, especially if the transmitter (the wireless microphone) is in motion. A wireless microphone or sound system using diversity reception will switch to the other antenna within microseconds if one antenna experiences noise, providing an improved quality signal with fewer drop outs and noise. Ideally, no drop outs or noise will occur in the received signal. Another common usage is in Wi Fi networking gear and cordless telephones to compensate for multipath interference. The base station will switch reception to one of two antennas depending on which is currently receiving a stronger signal. For best results, the antennas are usually placed one wavelength apart. For microwave bands, where the wavelengths are under 100 cm, this can often be done with two antennas attached to the same hardware. For lower frequencies and longer wavelengths, the antennas must be several meters apart, making it much less reasonable. Mobile phone towers also often take advantage of diversity each face (sector) of a tower will often have two antennas; one is transmitting and receiving, while the other is a receive only antenna. Two receivers are used to perform diversity reception. The use of multiple antennas at both transmit and receive results in a multiple input multiple output (MIMO) system. The use of diversity techniques at both ends of the link is termed space–time coding.
MIMO үшін антеннаның әртүрлілігі
Әртүрлілік кодтау – сымсыз арналардағы MIMO жүйесі үшін қолданылатын кеңістіктік кодтау техникалары. Сымсыз арналар жоғары деңгейде әлсіреу құбылысынан зардап шегеді, бұл деректерді декодтаудың сенімсіздігіне әкеледі. Негізінен, әртүрлілік кодтау деректерді қабылдаудың сенімділігін арттыру үшін бірнеше тарату антенналары арқылы бірнеше көшірмелерді жібереді. Егер олардың біреуі жетпесе, деректерді декодтау үшін қалғандары қолданылады. MIMO кеңістіктік әртүрлілікке және кеңістіктік мультиплекстеуге қол жеткізеді.
Diversity Coding is the spatial coding techniques for a MIMO system in wireless channels. Wireless channels severely suffer from fading phenomena, which causes unreliability in data decoding. Fundamentally, diversity coding sends multiple copies through multiple transmit antennas, so as to improve the reliability of the data reception. If one of them fails to receive, the others are used for data decoding. MIMO achieves spatial diversity and spatial multiplexing.