Capitolo 1 Sistemi in diversità e antenne “smart”

Capitolo 1

Sistemi in diversità e antenne “smart”

In questo capitolo sono descritte le principali tecniche che consentono di ottenere un notevole miglioramento delle prestazioni dei sistemi di comunicazione wireless con particolare riferimento alla telefonia cellulare: la diversità e la tecnologia SMART. Nel primo paragrafo si discutono i motivi per cui sono state adottate le tecniche di diversità, mentre nel secondo si descrive la tecnologia SMART.

1.1

Diversità in ambito della telefonia cellulare

La propagazione di un segnale tra un mobile e la stazione base è fisicamente ostacolato dalla presenza di palazzi, alberi e irregolarità del terreno. Le prestazioni e la capacità dei sistemi di comunicazione sono principalmente limitati da tre fattori. Il primo di questi è il fading da multipath, ovvero l’attenuazione subita dal segnale dipendentemente dallo specifico cammino percorso dall’onda elettromagnetica tra l’antenna trasmittente e quella ricevente. Due segnali che hanno percorso cammini differenti si presentano al ricevitore con ampiezze e fasi diverse. I segnali provenienti dai vari cammini sommati con fasi diverse forniscono un segnale ricevuto complessivo che ha ampiezza e fase che variano con la posizione, la direttività e la polarizzazione dell’antenna.

Il secondo problema è rappresentato dal ritardo con cui i segnali arrivano al ricevitore a causa dei cammini multipli. Quando questo ritardo supera il 10% della durata del simbolo può verificarsi un significativo aumento dell’ISI che limita la massima velocità di trasmissione dei dati.

Il terzo problema è rappresentato dall’interferenza co-canale. I sistemi cellulari dividono la banda di frequenza disponibile in un certo numero di canali, usando un canale per ciascuna cella. L’insieme delle celle che comprende tutta la banda disponibile viene denominato cluster e per ogni cluster si riutilizzano gli stessi canali facendo in modo che due celle adiacenti utilizzino due canali differenti (frequency reuse). Questo riutilizzo della frequenza comporta un aumento dell’interfenenza [1].

A causa di questi problemi, il segnale ricevuto può raggiungere livelli inaccettabili, tali da degradare il rapporto segnale-rumore (SNR) al punto di interrompere la comunicazione con ovvia insoddisfazione dell’utente.

Negli ultimi anni è stato dimostrato che la “bontà” di un collegamento che avviene in un ambiente tempo-variante, può essere migliorata ricevendo il segnale da due o più canali indipendenti su due rami, “branches”, separati e combinando l’uscita in modo opportuno [2].

Si implementa in sostanza un sistema che adotta una sorta di “diversità” (diversity

scheme) che consente di ricevere separatamente sui vari rami i differenti contributi

risultanti dai cammini multipli possibilmente con livelli comparabili di potenza.

L’indipendenza dei segnali multipath garantisce in un certo senso la ricezione di un buon segnale su almeno uno dei due rami: se in uno dei due il contributo fosse

irrimediabilmente degradato, proprio a causa dell’indipendenza, sull’altro si avrebbe comunque una corretta ricezione.

I sistemi che usano la diversità hanno vari metodi per implementarla. Si parla di diversità : - temporale - frequenziale - spaziale - angolare o di pattern - di polarizzazione

La diversità temporale prevede la trasmissione dello stesso segnale in più tempi successivi abbastanza lontani da rendere il fading incorrelato. Si tratta però di una implementazione usata raramente perché riduce la capacità del sistema ed introduce ritardi nella trasmissione.

La diversità in frequenza consiste nel trasmettere il segnale su due portanti separate e in questo caso l’indipendenza del fading è garantita teoricamente. Gli inconvenienti di questa diversità sono legati alla disponibilità della banda e della sua applicazione ne risentirebbe la capacità del sistema.

La diversità angolare o di pattern consiste nel ricevere il segnale come proveniente da due direzioni diverse, ovvero puntando il fascio dell’antenna in due direzioni separate angolarmente che sono quelle da cui arrivano i due contributi indipendenti.

Sicuramente il sistema in diversità attualmente più utilizzato è quello spaziale, che prevede l’uso di due antenne separate poste ad una certa distanza l’una dall’altra. Gli studi su questo tipo di tecnica sono focalizzati sulla ricerca delle distanze e delle dimensioni del sistema per avere l’indipendenza desiderata dei segnali. Le spaziature relative alle antenne della stazione base si riferiscono ai piani orizzontali e verticali. Per quello orizzontale la separazione dipende dall’angolo di incidenza del segnale e dall’altezza delle antenne dal suolo, soprattutto in presenza di scattering nelle immediate vicinanze dell’antenna. La spaziatura orizzontale è usata comunemente nelle stazioni

all’aumentare dell’altezza dell’antenna e diminuiscono in presenza di scattering locale. La spaziatura verticale è usata raramente perchè in questo caso i valori del coefficiente di cross-correlazione peggiorano sensibilmente all’aumentare delle dimensioni della cella e perchè la differente altezza delle antenne può portare per ciascuna di esse una differenza significativa del path-loss [3]. Inoltre la separazione verticale è fortemente influenzata dal raggio di scattering. Per raggio di scattering si intende il raggio della circonferenza centrata sul mobile come illustrato in fig. 1. Raggi più piccoli richiedono spaziature più larghe.

Fig. 1.1 Raggio di scattering

Si nota che questo tipo di diversità comporta un maggiore ingombro del sistema radiante complessivo.

Una possibile soluzione alternativa alla diversità spaziale è quella di polarizzazione, nota da alcuni decenni, ma solo recentemente rivalutata a causa delle nuove esigenze e grazie alle innovazioni tecnologiche. La necessità infatti di installare antenne sempre più grandi sulla stazione base non sempre può essere soddisfatta soprattutto in ambito urbano.

La diversità di polarizzazione provvede a fornire due segnali a fading indipendente senza la necessità di separare fisicamente le antenne. Uno dei punti di maggiore favore di questa tecnica è il suo uso nei sistemi che adoperano celle piccole e dove vi siano antenne la cui altezza è comparabile o più bassa dell’ambiente circostante. In tal caso si usa una sola antenna compatta capace di ricevere ed irradiare in doppia polarizzazione [4].

L’efficacia di un sistema in diversità è quantificabile con un parametro noto come

DIVERSITY GAIN. Per quantificare questo parametro si osserva innanzitutto il segnale

proveniente da un singolo ramo per un intervallo di tempo ∆t. Si fissa una soglia λ in

RAGGIO DI SCATTERING STAZIONE BASE

MOBILE ANGOLO DI SCATTERING θ

modo che il segnale in esame superi tale livello per una parte del tempo di osservazione (ad esempio il 90%-signal reliability). In un secondo momento si osserva per lo stesso intervallo di tempo ∆t il segnale in uscita al combinatore e si fissa una nuova soglia γ in modo che tale segnale superi questo livello per la stessa parte di intervallo precedentemente stabilita. Il diversity gain rappresenta la differenza tra le due soglie espresse in dB, ovvero:

Diversity gain= γ(dB)- λ(dB)

Assegnata, dunque, una certa reliability il diversity gain si può esprimere come funzione di due parametri: la correlazione tra i segnali nei due rami e la loro relativa ampiezza.

Fig. 1.2 Diversity gain in funzione della cross-correlazione tra i segnali e della differenza del loro livello di segnale

l’ampiezza di uno dei canali sia molto più bassa dell’altro allora il diversity gain tende a zero.

Questo parametro è ovviamente funzione del metodo con cui i segnali nei rami sono combinati.

I principali sono:

Selection

: il combinatore seleziona il ramo che istantaneamente ha il più alto SNR.

Fig. 1.3 Schema del selection

Ha lo svantaggio di dover monitorare tutti i rami contemporaneamente e necessita dunque dell’uso di più ricevitori indipendenti. Questo rende il sistema troppo complesso e costoso.

Switched

: il combinatore analizza singolarmente ogni ramo, e ne fornisce in uscita il segnale associato fino a quando questo non ha un valore di SNR che scende al di sotto di una certa soglia prefissata. Quando ciò accade il combinatore cambia ramo, scegliendone uno con SNR superiore alla soglia, e ne manda il segnale in uscita fino a quando il suo SNR rimane sopra la soglia. Le prestazioni di questo sistema sono più basse rispetto al selection combining , poiché ora quando si centra l’attenzione su un ramo, si preleva l’uscita su questo canale finchè si ha un SNR superiore alla soglia non tenendo in considerazione l’eventualità che nello stesso istante possa esistere un altro canale con SNR maggiore. Inoltre la soglia deve essere scelta molto accuratamente perché è un parametro di confronto per la potenza dei segnali.

Monitor SNR Select Highest Receiver Transmitter Channel N Channel 2 Channel 1

Equal gain

: a differenza dei precedenti sistemi in cui si esplora un solo ramo per volta con conseguente perdita di energia negli altri canali, questo metodo compie una somma di tutti i segnali in arrivo. Poichè in presenza di segnali complessi le parti reali e immaginarie potrebbero combinarsi in modo incoerente, prima di arrivare al sommatore i segnali vengono rifasati. Se θi è la fase associata al ramo i, si effettua una moltiplicazione per il fasore complesso e−jϑi.

Fig. 1.4 Schema dell’equal gain

Maximum ratio:

talvolta può succedere che uno dei rami abbia SNR

considerevolmente più basso degli altri. L’equal gain non tiene conto di questa differenza e compie la somma dei contributi con uguale peso. Un approccio migliore è il maximum ratio che attribuisce una pesatura minore ai rami che hanno SNR più basso, riuscendo così a massimizzare SNR in uscita.

Receiver Transmitter Channel N Channel 2 Channel 1

∑

· · · 1 j

e

−ϑ 2 j

e

−ϑ N j

e

−ϑ Co-phasing

Fig. 1.5: Schema del Maximum ratio Receiver Transmitter Channel N Channel 2 Channel 1

∑

· · · 1

w

2

w

N

w

Weighting

1.2 Sistemi in diversità di polarizzazione

Negli ultimi anni la mobilità delle apparecchiature trasmittenti (cellulari) ha fatto si che le antenne trasmittenti non fossero più principalmente posizionate in verticale, come erano state per esempio le antenne sugli autoveicoli, ma avessero una inclinazione sulla

verticale variabile dovuta al fatto che il terminale mobile sia di tipo hand-held. La

polarizzazione istantanea del segnale ricevuto quando l’utente trasmette, è determinata dalla polarizzazione con cui il mobile ha inviato il segnale (che è variabile con l’orientazione dell’antenna trasmittente) e dalle caratteristiche di scattering del mezzo di comunicazione. Se il cammino fino alla stazione base è caratterizzato dalla presenza di molti ostacoli, la polarizzazione ricevuta, che in generale è ellittica, può cambiare casualmente in base al movimento del mobile nell’ambiente. Per limitare questi effetti si usano due antenne sensibili in modo indipendente alle due componenti ortogonali dell’onda in arrivo. Si crea dunque un sistema in diversità di polarizzazione che presenta due rami in cui il fading risulta essere incorrelato. Abbiamo visto che combinando opportunamente questi rami si può effettivamente usare l’intera potenza disponibile dei

segnali ad ogni istante ottenendo così un buon livello di diversity gain. Quest’ultimo

dipende dalla correlazione tra gli inviluppi dei segnali in arrivo. Si è già detto che è necessario che le due polarizzazioni siano ortogonali. L’ortogonalità è un complesso concetto matematico, ma noi ci limiteremo all’analisi di due polarizzazioni ortogonali lineari o delle componenti levogira e destrogira di una polarizzazione circolare[2].

1.2.1 Modello teorico per la diversità di polarizzazione

Esaminiamo un modello semplificato che descrive gli effetti di questa diversità. La semplificazione consiste nel considerare che i segnali siano trasmessi dal mobile con polarizzazione verticale (orizzontale) e ricevuti dalla stazione base da due rami in diversità.

Fig. 1.6a

Fig. 1.6b

La figura 1.6 mostra il modello teorico e il sistema di coordinate usato. Un’antenna in

diversità di polarizzazione è composta di due elementi V1 e V2, che formano un angolo

± α (angolo di polarizzazione) con l’asse Y. Il vettore posizione del mobile forma un angolo β con la direzione di massima irradiazione dell’antenna (fig. 6b). Alcuni segnali trasmessi polarizzati verticalmente a causa del multipath sono ricevuti orizzontalmente. Il segnale che arriva alla stazione base può essere espresso come

) cos( ₁ 1⋅ ω +ϕ =r t x ) cos( ₂ 2 ⋅ ω +ϕ =r t y

dove x e y sono i livelli di segnale ricevuti quando β = 0. Si assume che r1 ed r2 siano

variabili aleatorie con distribuzione di Rayleigh indipendenti, e che φ1 e φ2 siano

variabili aleatorie distribuite uniformemente nell’intervallo (0,2π). I segnali ricevuti su V1 e V2 possono essere scritti come

t r b r a t r b r a

v₁ =( ⋅ ₁⋅cosϕ₁ + ⋅ ₂cosϕ₂)⋅cosω −( ⋅ ₁sinϕ₁+ ⋅ ₂sinϕ₂)⋅sinω

t r b r a t r b r a

v₂ =(− ⋅ ₁⋅cosϕ₁ + ⋅ ₂cosϕ₂)⋅cosω −(− ⋅ ₁sinϕ₁ + ⋅ ₂sinϕ₂)⋅sinω

X Y α V1 V2 β Z X MAIN BEAM MULTIPATH MOBILE

dove

a = sinαcosβ b = cosα

Il coefficiente di cross correlazione ρ può essere scritto come

2 2 2 2 2 ) ( cos ) ( ) ( cos ) (       Γ + ⋅ Γ − ⋅ = β α β α ρ tg tg dove 2 1 2 2 R R = Γ e ) cos( 2 _{1 2 1 2} 2 2 2 2 2 1 1 = r ⋅a +r ⋅b + ⋅r ⋅r ⋅a⋅b⋅ ϕ +ϕ R ) cos( 2 _{1 2 1 2} 2 2 2 2 2 1 2 = r ⋅a +r ⋅b − ⋅r ⋅r ⋅a⋅b⋅ ϕ +ϕ R

Γ fornisce un’indicazione della differenza di livello dei due segnali nelle due polarizzazioni.

- Γ

Il coefficiente ρ aumenta all’aumentare di β e diminuisce all’aumentare di α; questo perchè quando α cresce la componente di polarizzazione orizzontale è più grande. Poichè gli elementi dell’antenna V1 e V2 sono inclinati di ± α rispetto alla verticale il

livello di segnale ricevuto su ciascun ramo è più basso di quello che si riceverebbe su una singola antenna disposta verticalmente. La perdita di segnale rispetto alla polarizzazione verticale può esprimersi tramite un coefficiente L come: [6]

2 2 b a L + Γ =

Per arrivare a conclusioni più attendibili dovremo fare riferimento ad alcuni risultati sperimentali. In particolare concentreremo l’attenzione sulla scelta del tipo di polarizzazioni ortogonali tra loro analizzando le differenze tra la orizzontale-verticale e quella ±45°.

Supponiamo ancora che il mobile trasmetta in polarizzazione verticale. In questa situazione gli effetti dello scattering da parte dei palazzi e del terreno sono piccoli e i segnali riflessi sono polarizzati ancora verticalmente. Se, in queste condizioni, scegliamo di usare un’antenna in doppia polarizzazione orizzontale-verticale, noteremo che il ramo verticale riceverà la maggior parte della potenza del segnale e quello orizzontale riceverà un livello molto più basso. In questo caso pur ricevendo due segnali incorrelati il diversity gain risulterà basso.

Se invece usiamo in ricezione un’antenna con polarizzazione inclinata a ± 45° il segnale avrà livelli simili in entrambi i rami e avremo correlazione alta. In questa situazione dunque ciascun ramo contiene la metà della potenza totale associata al segnale. In un ambiente reale la correlazione tra due polarizzazioni ortogonali dipende sia dalla polarizzazione trasmessa che dallo scattering. La differenza tra le due doppie polarizzazioni è determinata dalla conformazione del territorio. Quando si trasmette in doppia polarizzazione orizzontale-verticale gli elementi di riflessione e diffrazione (siano verticali come i palazzi o orizzontali come l’asfalto) influiscono in modo differente sulle due componenti determinando così una notevole differenza nei livelli di segnale nei due rami. Le strutture verticali (palazzi) influenzano principalmente la

componente verticale mentre il terreno (asfalto) influisce in modo differente su quella orizzontale. Al contrario, gli elementi di riflessione e diffrazione orizzontali o verticali agiscono nello stesso modo sulle due componenti inclinate di 45°.

Riportiamo alcuni risultati sperimentali che confrontano le due diversità di maggiore interesse ovvero la diversità spaziale e quella di polarizzazione.

Tabella 1.1 Valori del diversity gain in diverse configurazione ambientali

La tabella 1.1 mostra i risultati di un tipico studio analizzato nel dettaglio in [7]. Si nota che le prestazioni della diversità di polarizzazione risultano essere leggermente inferiori rispetto a quella spaziale. Come previsto i sistemi con polarizzazione a ± 45° risultano essere migliori in termini di diversity gain rispetto a quelli orizzontali-verticali. Per questo in numerose nuove installazioni di stazioni base si usa la diversità di polarizzazione a ±45° che consente un risparmio di dimensioni delle antenne. Il

non sono in grado di ricevere alcuna componente orizzontale; componenti che sono inevitabilmente prodotte dal canale di trasmissione.

Un metodo per migliorare le prestazioni della diversità è quello di usare un sistema composto in cui gli elementi radianti sono separati spazialmente e ciascuno di essi è in diversità di polarizzazione. In tal caso il coefficiente di correlazione è il prodotto dei singoli coefficienti:

( ) ( )

r h

x α ρ ,

ρ

ρ = ⋅

in cui ρ_x

( )

α è la correlazione dovuta solo al sistema in diversità di polarizzazione e

( )

r,h

ρ è la correlazione ottenuta con due antenne a uguale polarizzazione che hanno

spaziatura orizzontale pari ad r e verticale pari ad h. Siccome i singoli coefficienti hanno valori minori dell’unità è evidente che quello globale risulta minore di entrambi con il vantaggio di avere comunque una struttura compatta [5].

1.3 Benefici della diversità sui terminali wireless

portatili

Con la crescita dei sistemi di comunicazione wireless commerciali, la richiesta di maggiore qualità ed affidabilità auspica il miglioramento delle prestazioni. Numerosi studi suggeriscono la diversità anche sui terminali portatili per avere maggiore effetto sull’attenuazione dell’interferenza. Chiaramente i metodi tradizionali usati per l’applicazione della diversità sono poco applicabili in questi sistemi a causa del formato ridotto delle apparecchiature e degli effetti dovuti alla presenza del loro telaio e dell’ utente. In questa sessione si esamina l’efficacia della diversità spaziale e angolare utilizzando dati sperimentali piuttosto che teorici, in quanto più facilmente riscontrabili in ambiente portatile. Questo tipo di analisi fornisce una misura più realistica dei benefici e degli svantaggi potenziali dell’uso della diversità in questo tipo di antenne. Con l’obiettivo di quantificare i benefici della diversità è stato calcolato il coefficiente di correlazione tra i segnali che arrivano ai diversi rami. Molte ricerche hanno dimostrato che il coefficiente di correlazione tra due antenne è funzione del diagramma di irradiazione, della separazione tra le antenne e del livello di multipath incontrato dall’onda nel suo cammino. Per un sistema che adotta la diversità è auspicabile avere un coefficiente di correlazione basso.

1.3.1 Configurazioni sperimentali

In questa sessione si analizzano tre configurazioni tipiche dei dispositivi wireless portatili: un telefono cellulare ed un laptop operante a due diverse frequenze. Le frequenze utilizzate includono 1.622 GHz per PCS satellitari, 2.44 GHz, e 5.8 GHz, nella famiglia delle WLAN. Si sono scelti due tipi di antenna ovvero: il monopolo ed il patch a microstriscia, per le loro proprietà elettromagnetiche, per la forma e la flessibilità con cui possono essere facilmente incorporate su uno specifico telaio. Le due

La prima configurazione mostrata nella figura seguente propone un telefono cellulare utilizzato alla frequenza di 1.622 GHz per PCS satellitari.

Fig. 1.7 Modello di diversità applicata ad un telefono satellitare

L’antenna a microstriscia è integrata nella parte superiore del dispositivo. Quando la comunicazione satellitare è attiva, la parte superiore del telefono è ruotata fino a formare un angolo retto con il resto della struttura. Il monopolo è posto invece sulla parte superiore dello strumento come su un normale telefono cellulare. Ciò gli consente di ricevere i segnali provenienti dalle diverse direzioni dello spazio. Le opzioni per realizzare la diversità spaziale sono limitate dalla dimensione del telaio e dalla lunghezza d’onda relativa alla frequenza in esame. Questa configurazione può idealmente provvedere in ricezione un diagramma di irradiazione quasi isotropico. Ogni antenna infatti ricopre con il suo diagramma una porzione dello spazio diversa dall’altra riuscendo a realizzare così una diversità di tipo angolare.

La seconda configurazione illustrata nella figura 1.8 mostra un laptop realizzato per il funzionamento alla frequenza di 2.4 GHz, con lo schermo posto a 90° rispetto alla tastiera.

Fig. 1.8 Modello di diversità applicato su laptop

Anche in questo caso sono utilizzati un monopolo ed una antenna a microstriscia. Il monopolo è posto su una scheda PCMCIA che sporge fuori da un lato della tastiera, mentre l’antenna a microstriscia è integrata nella parte posteriore dello schermo. Le dimensioni del telaio e la relativa lunghezza d’onda associata alla frequenza in esame supportano uno schema in diversità di tipo spaziale. Nella terza configurazione in cui lo schermo forma un angolo di 135° con la tastiera, sul laptop sono montate due antenne a microstriscia operanti alla frequenza di 5.8 GHz. La prima antenna è posta come nella configurazione precedente nella parte posteriore del display, mentre la seconda è integrata su un lato della tastiera come mostrato in figura 1.9.

Entrambe le antenne sono orientate in modo da ricevere onde polarizzate verticalmente. Per tutte le configurazioni analizzate, le caratteristiche di radiazione dell’antenna nel piano azimutale, sono state misurate in camera anecoica, utilizzando un analizzatore di rete HP8753C come trasmettitore e ricevitore. Il coefficiente di correlazione normalizzato è presentato nella tabella seguente:

Configurazione Frequenza Correlazionel Teorica Correlazione Misurata Prima 1.622GHz 0.749 0.853 Seconda 2.44GHz 0.256 0.101 Terza 5.80GHz 0.080 0.067

Tabella 1.2 Valori della correlazione calcolata sulle tre configurazioni

Questi risultati possono essere considerati generali, compatibilmente con l’ambiente circostante che chiaramente è tempo-variante e con l’imprevedibilità associata al canale di comunicazione. La differenza riscontrata tra i dati sperimentali e quelli teorici è dovuta al fatto che le operazioni vengono effettuate in un ambiente non ideale data la presenza del telaio. I risultati relativi alla configurazione 1 indicano un’alta correlazione quindi un diversity gain minimo , mentre i risultati associati alle configurazioni 2 e 3 mostrano correlazione più bassa. L’implementazione della diversità spaziale o angolare nasce dalla scelta di coprire il più possibile, l’area di ricezione del segnale. Conoscendo il tipo di applicazione a cui destinare il sistema, la struttura del telaio di base e avendo una frequenza assegnata, esistono tre passi da seguire in questo tipo di progettazione :il primo consiste nello scegliere l’antenna adatta che garantisca la massima copertura dell’area di interesse, il secondo, in base al tipo di distribuzione in arrivo, corrisponde al posizionamento opportuno delle antenne, qualora si volessero massimizzare i benefici dovuti alla diversità spaziale , oppure ad una loro corretta orientazione in modo da aumentare gli effetti dovuti ad un sistema in diversità angolare. L’ultimo parametro prevede di isolare spazialmente

Nei paragrafi precedenti si è già largamente discussa la diversità spaziale e si deduce che essa sia più vantaggiosa in scenari , come ad esempio lo spazio libero in cui gli angoli di arrivo dei segnali sono abbastanza simili tra loro. Gli ambienti urbani invece dove è presente un grande numero di superfici riflettenti e dove si riscontra una grande variazione degli angoli di arrivo dei segnali sono lo scenario ideale per l’implementazione della diversità angolare, dati i vantaggi che questa comporta [8].

1.4. Smart antennas

Andiamo ora a considerare una particolare tipologia di antenne ovvero le SMART

ANTENNAS (SA), antenne “intelligenti”. Le smart antennas recentemente hanno ricevuto un interesse sempre maggiore grazie alla loro capacità di aumentare le prestazioni di un sistema wireless, superando i problemi della sempre più crescente necessita di banda e garantendo un buon servizio al numero di mobili in costante aumento. Questi sistemi consentono di incrementare la capacità e l’efficienza spettrale, estendendo l’area di copertura del territorio riducendo il ritardo di propagazione, il fading multipath, l’interferenza co-canale, la complessità del sistema, il BER e la probabilità di fuori servizio. Il ritardo e il fading possono essere ridotti se l’antenna è in grado di disporre il fascio in alcune direzioni desiderate e di cancellare alcuni dei segnali che arrivano in ritardo. La complessità del sistema e i costi diminuiscono con questo tipo di antenne perché occorrono meno stazioni base. L’incremento dell’efficienza spettrale inoltre è il risultato della capacità dell’antenna di provvedere canali virtuali in un dominio angolare. Questa caratteristica è nota come SDMA (Spatial Division Multiple Access), tecnica che consente di multiplare i canali nello spazio, così come accade nel tempo o in frequenza, ovvero si riesce a servire contemporaneamente più utenti allocandoli nello stesso canale e nella stessa cella con una semplice separazione angolare. Infine la riduzione della probabilità di fuori servizio (ovvero la probabilità che l’utente non sia in grado di instaurare una comunicazione) è possibile proprio grazie all’aumento dei canali disponibili. Comunque la principale caratteristica del sistema smart antenna è la capacità di cancellare l’interferenza co-canale, grazie alla focalizzazione del fascio verso il segnale desiderato e dei nulli verso gli interferenti. Attualmente molti termini sono usati per descrivere i vari aspetti della tecnologia che usa le antenne smart, quali ”antenne intelligenti” o “phased array” o “adattive antenna sistems”. Comunque i sistemi SA sono divisi principalmente in due sottoinsiemi

-Switched beam (SB)

-Adaptive array (AA)

Entrambi forniscono valori ottimi di diversity gain poiché contemporaneamente identificano il segnale utile e minimizzano gli interferenti, destinando i lobi principali all’utente desiderato. Il controllo dei lobi e dei nulli del diagramma è svolto dai due sistemi con gradi diversi di accuratezza e flessibilità. Osserviamo la figura 1.10:

Fig. 1.10: Confronto tra Switched beam e adaptive array

E’ presente un segnale desiderato e due interferenti co-canale. Entrambi i sistemi hanno il segnale desiderato all’interno del lobo principale del diagramma, ma nel caso di AA l’utente si trova esattamente nella direzione di massima irradiazione. Allo stesso modo entrambi accolgono il segnale interferente in una zona a basso guadagno fuori dal lobo principale ma in AA questo viene soppresso quasi del tutto.

Questo differente comportamento è dovuto all’architettura dei due sistemi che vengono descritti nel dettaglio in seguito.

1.4.1 Switched beam

I sistemi SB tradizionali si possono considerare come una estensione dell’attuale settorizzazione delle celle. Mentre la settorizzazione divide la cella in tre soli

Switched-beam array

Segnale desiderato

2° interferente Adaptive array

potenza del segnale e, se necessario (in caso di spostamento del mobile), cambia microsettore.

Paragonato ad un sistema classico di settorizzazione, SB aumenta le prestazioni della stazione base dal 20 al 200 % a seconda delle circostanze, con conseguente riduzione dei costi delle infrastrutture [9].

Un sistema SB con M-fasci riesce a fornire il diversity gain ricavando il segnale ricevuto dai diversi fasci (secondo un specie di diversità angolare) oppure usando un secondo array di antenne che usa una polarizzazione ortogonale e posto abbastanza lontano dalla prima secondo la diversità spaziale[1].

I limiti di un sistema SB stanno nel fatto che essendo i fasci predeterminati l’intensità del segnale cambia quando l’utente si muove nel settore. Quando ad esempio il mobile si allontana dalla direzione di massimo la potenza del segnale decade rapidamente prima di passare ad un altro microsettore. Per questo motivo, siccome SB non distingue tra il segnale desiderato e uno interferente in quanto si riceve solo il segnale più forte, nel momento in cui il segnale utile si allontana dalla direzione di massimo la potenza dell’interferente potrebbe avere un effetto prevalente. In questa situazione SB “inseguirebbe” il segnale interferente e si avrebbe la perdita della comunicazione.

Fig. 1.11 Schema del funzionamento dello SB in termini di diagramma di irradiazione

BEAM SELEC

SIGNAL

SIGNAL OUTPUT

1.4.2. Adaptive array

Gli AA invece usano un approccio diverso. Questa tecnica può aggiornare dinamicamente i diagrammi di irradiazione.

Questi array usano algoritmi sofisticati di signal-processing che consentono di distinguere continuamente il segnale desiderato dal segnale interferente calcolandone le direzioni di arrivo. Un diagramma a blocchi di un sistema di questo tipo è mostrato in figura 1.9, dove si nota come in fase di ricezione il segnale viene riportato in banda base e digitalizzato.

Fig. 1.12 Schema a blocchi di un ricevitore adaptive array

Si riesce poi ad individuare il segnale di interesse attraverso algoritmi per la stima della direzione di arrivo (DOA, Direction Of Arrival). L’utilizzo di questi algoritmi mette in luce il fatto che non siano tanto le antenne ad essere intelligenti quanto il sistema e gli algoritmi di signal-processing che ne stanno alla base.

Si insegue il segnale di interesse e gli interferenti cambiando opportunamente i pesi Convertitore in banda base Convertitore in banda base A/D A/D Σ adaptive algorithm DOA . . . W1 WN-1 Antenna Antenna Output signal DSP

Un confronto tra SB ,AA e i sistemi convenzionali in termini di copertura del territorio rivela che in presenza di un basso livello di interferenza sia SB che AA forniscono guadagni migliori rispetto ai sistemi convenzionali. Quando invece è presente un livello di interferenza alto la capacità di annullamento di quest’ultima da parte degli AA fornisce maggiore copertura sia rispetto agli SB che ai sistemi convenzionali.

Questa tecnologia inoltre può essere usata per servire simultaneamente due utenti nello stesso canale e nella stessa cella.

Fig. 1.13 Schema del funzionamento dell’AA in termini di diagramma di irradiazione

Dalla figura 1.13 si nota che ogni diagramma ha i nulli in direzione dell’altro utente e il massimo nella direzione dell’utente desiderato. E’ proprio l’abilità di modificare il lobo principale e di risistemare i nulli che distingue gli AA dagli SB. Infatti quando un segnale interferente si muove attraverso il settore, SB non altera il fascio perché esso risponde solo ai movimenti del segnale di interesse, invece AA riesce a distinguere tra il segnale e gli interferenti, mantenendo alti i livelli del rapporto C/I.

I transceivers di una SA sono sicuramente più complessi rispetto a quelli tradizionali [10].

Una SA deve essere costituita da un array di elementi. L’array necessita di una catena di transceiver, uno per ogni elemento e di un‘accurata calibrazione in tempo reale di questi. Sicuramente dunque le antenne con fascio adattabile sono complesse dal punto di vista computazionale. Ciò comporta che le stazioni base che montano questi sistemi siano dotati di processori digitali molto potenti. Immediata conseguenza di tutto questo

INTERFERENCE 1 SIGNAL SIGNAL OUTPUT INTERFERENCE 2 BEAMFORMER WEIGHTS

è un aumento dei costi, che tuttavia passano in secondo piano dati i vantaggi forniti da questi sistemi. I costi inoltre sono destinati comunque a diminuire con il passare del tempo. Alcuni parametri dell’antenna quali ad esempio la dimensione dell’array possono essere scelti in modo da venire incontro alla capacità richiesta dalla rete.

Le prestazioni di una rete sono solitamente misurate in termini di throughput, che è il numero medio di pacchetti contenenti informazione che raggiungono con successo la loro destinazione nell’intervallo di tempo di osservazione. Siccome alcuni algoritmi dipendono dalla direzione di arrivo del segnale, la velocità con cui si determina la direzione di arrivo può influire sul throughput per questo tipo di rete. La capacità del sagomatore del fascio di reiettare gli interferenti è influenzata dalla dimensione e dalla geometria dell’array. In [11] è stato mostrato che antenne con fascio più stretto (ovvero array grandi) forniscono un throughput più elevato. Inoltre le antenne che usano gli AA hanno a loro volta throughput più alto rispetto a sistemi tipo SB. E’ stato dimostrato ad esempio che il throughput di un array 8*8 è più grande rispetto a quello di un 4*4. Queste tecnologie sono note già da alcuni decenni, ma solo ultimamente grazie ai bassi costi di processori digitali di segnale e nuovi algoritmi di signal-processing è stato possibile lo sviluppo di questi sistemi per uso commerciale. Oltre ai vantaggi già descritti questi sistemi risultano essere molto utili soprattutto nella società moderna che ha sempre più l’esigenza di trasmettere informazioni personali per cui la sicurezza diventa un parametro molto importante. Le SA rendono difficile l’intercettazione di una conversazione perché l’intruso dovrebbe essere posizionato nella stessa direzione dell’utente rispetto alla stazione base per non essere intercettato.

Queste antenne risultano estremamente utili anche nella realizzazione di sistemi di radiolocalizzazione.

CONCLUSIONI

In questo capitolo sono stati analizzati i più comuni sistemi di diversità in uso e in via di sviluppo per le comunicazioni wireless. Questi consentono di sfruttare in ricezione in maniera costruttiva gli effetti del multipath mediante l’analisi di alcuni parametri caratteristici (diversity gain).

In seguito a confronti teorici e risultati sperimentali si è giunti alla conclusione che, nell’ambito della telefonia cellulare, sebbene i sistemi a diversità spaziale siano leggermente migliori in termini di diversity gain la diversità di polarizzazione risulta globalmente più efficace ed applicabile data la maggiore compattezza dell’antenna ricevente e la conseguente riduzione dei costi di costruzione.

In un secondo momento sono state descritte le smart antennas ovvero elementi radianti “intelligenti” e gli effetti in termini di aumento delle prestazioni. Si sono schematizzate in due grossi sottogruppi con la stessa idea di base ma con una diversa tecnologia realizzativa (switched beam e adaptive arrays). Nonostante i maggiori costi realizzativi gli adaptive arrays risultano nettamente superiori agli switched beam per quanto riguarda la capacità, la qualità della comunicazione ovvero il C/I.

Concludiamo osservando che le due tecnologie usate, SA e diversità, possono essere utilizzate contemporaneamente determinando un ulteriore incremento delle prestazioni.

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