25.11.2004 ADAPTIIVISTEN ANTENNIEN MITTAUSLÄHE- TIN Marko Sonkki
Sonkki M. (2004) Adaptiivisten antennien mittauslähetin. Oulun yliopisto, sähköja tietotekniikan osasto. Diplomityö, 75 s. TIIVISTELMÄ Tässä diplomityössä on suunniteltu mittauslähetin adaptiivisille antenneille. Suunniteltu mittauslähetin on osa adaptiivisten antennien mittausjärjestelmää ja sillä voidaan luoda erityyppisiä radiokanavamalleja laboratorio-olosuhteissa. Mittauslähettimen määrittely on aloitettu adaptiivisten antennien mittausjärjestelmän vastaanottimen ilmaisuun vaadittavasta signaalikohinasuhteesta. Ilmaisuun vaaditusta signaalikohinasuhteesta ja järjestelmän pohjakohinasta on laskettu vastaanottimen herkkyys, josta on vähennetty vapaan tilan vaimennus sekä signaalin muokkaukseen kuluva vaimennus. Lopuksi on laskettu järjestelmän linkkibudjetti ja todettu sen olevan riittävä koko mittauslähettimen 1,1 7,5 GHz:in taajuusalueella. Mittauslähettimen määrittelyssä on käytetty HiperLAN/2-standardin taajuuskaistaa, joka on 20 MHz. Kyseinen taajuuskaista määrittää myös järjestelmän pohjakohinatason. Mittauslähetin koostuu signaaligeneraattorista, tehonjakajasta, lähetettävän signaalin modulointiin käytettävistä vektorimodulaattoreista ja Vivaldiantenneista. Signaalin muokkaukseen käytettäviä komponentteja ohjataan tietokoneella. Signaaligeneraattoria ohjaa valmistajan oma ohjelmisto. Lähetettäviä signaaleja voidaan valita tehonjakajan ohjauksesta riippuen 1-8 kappaletta. Mittauslähettimen toimivuus käytännössä on todettu tekemällä testimittauksia heijastuksettomassa huoneessa. Testimittauksessa on käytetty ns. kaksitiemallia, jossa on yksi suoraan edennyt ja yksi heijastunut signaalikomponentti. Malli on yksinkertaisin radioaaltojen monitie-etenemistä kuvaavista malleista. Mittaustuloksia on verrattu teoriasta saatuihin simulointituloksiin. Mittaus- ja simulointituloksista on todettu lähettimen soveltuvuus adaptiivisten antennien mittauslähettimeksi. Avainsanat: antennimittaukset, heijastukseton huone, laajakaistainen radiokanava, monitie-eteneminen.
Sonkki M. (2004) Measurement transmitter for adaptive antennas. University of Oulu, Department of Electrical and Information Engineering. Master s Thesis, 75 p. ABSTRACT For this Master s Thesis, a measurement transmitter for adaptive antennas has been designed. Designed measurement transmitters are part of the measurement system for adaptive antennas. With this measurement transmitter, different kinds of radio channels can be created under laboratory conditions. The specifications for the measurement transmitter were started using the signal to noise ratio of the receiver of the measurement system. The calculated free space loss has been reduced from the receiver sensitivity level. The modulation loss of the transmitted signal has been reduced as well. At the end, the link budget of the measurement system was calculated. From the link budget, the suitability of the system for a 1.1 7.5 GHz measurement frequency band may be observed. The defined bandwidth is 20 MHz, which is the same bandwidth as used in the HiperLAN/2 standard. The HiperLAN/2 frequency band also provides the noise level of the measurement system. The measurement transmitter includes a signal generator, power divider, vector modulators and Vivaldi antennas. The components, which modulate the signals, including the power divider and vector modulators, are controlled by a computer. Manufacturer of the analogue signal generator has its own program, which is used for controlling the signal generator. Number of the transmitted signals is controlled by the power divider it is normally between one and eight. Under these circumstances the computer is used to control the transmitted signals. Operating test measurements in an anechoic chamber has proved the functionality for the measurement transmitter. The test method used is known as the Two Ray Model. In the Two Ray Model, there is one direct path and one reflected path for the received radio wave. This model is the simplest method used to describe the multipath propagation in radio channel. Experimental results were compared with simulated results in order to fully prove the functionality of the measurement transmitter. Key words: anechoic chamber, antenna measurements, multipath propagation, wideband radio channel.
SISÄLLYSLUETTELO TIIVISTELMÄ ABSTRACT SISÄLLYSLUETTELO ALKULAUSE LYHENTEIDEN JA MERKKIEN SELITYKSET ALKULAUSE...6 LYHENTEIDEN JA MERKKIEN SELITYKSET...7 1. JOHDANTO...10 2. ANTENNIEN PERUSKÄSITTEET JA MITTAUKSET...11 2.1. Antennien peruskäsitteitä...11 2.1.1. Antenniparametrejä...11 2.1.1.1. Antennin säteilykuvio...12 2.1.1.2. Antennin suuntaavuus ja vahvistus...12 2.1.1.3. Antennin keilanleveys...12 2.1.1.4. Antennin säteilemän sähkökentän polarisaatio...13 2.2. Antenniryhmä...13 2.2.1. Antenniryhmän elementtien sijoittelu...13 2.2.2. Antenniryhmän ohjaus...15 2.3. Antennimittaukset...16 2.3.1. Antennin säteilykentän rajat...16 2.3.2. Antennimittausten virheitä...17 2.3.2.1. Mittausetäisyydestä aiheutuva virhe...17 2.3.2.2. Heijastuksista aiheutuva virhe...18 2.3.2.3. Antennien suuntauksesta aiheutuva virhe...18 2.3.3. Antennien mittauspaikka...18 2.3.3.1. Heijastukseton huone...19 2.3.3.2. Vaimennusmateriaali...20 3. LAAJAKAISTAINEN RADIOKANAVA...21 3.1. Doppler-ilmiö...21 3.2. Laajakaistainen monitie-eteneminen radiokanavassa...22 3.3. Laajakaistaiset monitiekanavamallit...22 3.3.1. Tasajakautunut diskreetti -monitiekanavamalli...23 3.3.2. Leen monitiekanavamalli...24 4. ADAPTIIVISTEN ANTENNIEN MITTAUSJÄRJESTELMÄ...25 4.1. Tavallinen antenniryhmä...25 4.2. Adaptiivinen antenni...26 4.3. Mittausjärjestelmän yleiset tavoitteet...27 4.4. Mittausjärjestelmä...28 4.4.1. Mittausjärjestelmän lähetin...28 4.4.2. Mittausjärjestelmän vastaanotin...29 4.5. Mittausjärjestelmän käyttökohteet...29 5. MITTAUSLÄHETTIMEN MÄÄRITTELY...30 5.1. HiperLAN/2...31 5.2. Vastaanottopään vaatimusmäärittelyt...32 5.3. Mittausetäisyydestä riippuva vapaan tilan vaimennus...33 5.4. Lähetinantennien kaukokentän rajat ja antennivahvistukset...34
5.5. Mittausjärjestelmän linkkibudjetti...35 6. ADAPTIIVISTEN ANTENNIEN MITTAUSLÄHETIN...37 6.1. Adaptiivisten antennien mittauslähettimen osat...37 6.1.1. Kaapelit...38 6.1.2. Lähetettävien signaalien muokkaus...38 6.1.2.1. Signaaligeneraattori...39 6.1.2.2. Tehonjakaminen lähetinantenneille ja tehonjaon ohjaus...39 6.1.2.3. Vaimennus ja vaiheensiirto vektorimodulaattorilla...40 6.1.2.4. Vektorimodulaattorin digitaalinen ohjaus...41 6.1.2.5. Signaalin analoginen ja digitaalinen modulointi...42 6.1.3. Mittausjärjestelmän lähetinantennit...42 6.2. Mittauksissa käytettäviä mittausasetelmia...43 7. VASTAANOTIN...45 7.1. Antenniryhmän suuntakuvio...45 7.2. Antenniryhmän vastaanottaman signaalin ilmaisu...47 8. MITTAUKSET HEIJASTUKSETTOMASSA HUONEESSA...48 8.1. Lähettimen testimittauksen simulointi...48 8.2. Lähettimen testimittaus kaksitiemallia käyttäen...49 8.3. Mittaustulosten arviointi...51 9. POHDINTA...52 10. YHTEENVETO...55 11. LÄHTEET...56 12. LIITTEET...59
ALKULAUSE Tämä diplomityö on tehty Oulun yliopiston sähkö- ja tietotekniikan osaston tietoliikennelaboratoriossa. Diplomityön ohjaajana ja valvojana toimi prof. Erkki Salonen sekä toisena tarkastajana prof. Seppo Karhu. Diplomityön rahoitus tuli Suomen Akatemian rahoittamasta MACMOT-projektista (Multi-antenna configurations and transceiver strucrures for mobile terminals). Haluan kiittää molempia professoreja erittäin suorasukaisesta työni ohjauksesta. Tämä suorasukainen sekä tarkka linja tuotti tulosta jo ennen päättötyöni valmistumista joutuessani tekemään erinäisiä raportteja. Haluan esittää myös kiitokseni prof. Risto Vuohtoniemelle, joka auttoi minua erityisesti HiperLAN/2-standardiin liittyvissä kysymyksissä. Lisäksi haluan kiittää tietoliikennelaboratoriosta tutkija Veikko Hovista, laboratorioinsinööri Pekka Nissinahoa, assistentti Juha Pihlajaa ja diplomityöntekijä Jarkko Peltosta sekä diplomityöntekijä Pekka Pussista. Pussinen oli diplomityöni tekemisen aikaan töissä optoelektroniikan ja mittaustekniikan laboratoriossa. He kaikki auttoivat minua käytännön järjestelyissä. Kiitokseni haluan esittää myös espanjalaiselle ERASMUS-opiskelijalle, Ana Rodríguez Pérezille, joka oli diplomityöni tekemisen aikaan tietoliikennelaboratoriossa kirjoittamassa omaa diplomityötään. Hänestä oli suuri apu tehdessäni testimittauksia heijastuksettomassa huoneessa. Viimeisenä, mutta ei vähäisempänä, haluan kiittää vanhempiani Outia ja Tapania sekä siskoani Maria kaikesta tuesta, jota he antoivat opiskelujeni aikana. Oulussa 1.12.2004 Marko Sonkki
LYHENTEIDEN JA MERKKIEN SELITYKSET A/D AF AM AP AWG AWGN BPSK BRAN CDMA DDC EMC ETSI FDMA FM HiperLAN/2 I IF I/O ISI LabView LNA LO LPT LS Matlab MT OFDM PM PXI Q QAM QPSK RF RF IN RF OUT RX SDMA SNR in SNR out TDMA TTL Analogiadigitaalimuunnin Antenna Factor, ryhmäkerroin Amplitude Modulation, amplitudimodulaatio Access Point, liityntäpiste Arbitrary Waveform Generator, mielivaltaisen aaltomuodon signaaligeneraattori Additive White Gaussian Noise, (summautuva) valkoinen Gaussin kohina Binary Phase Shift Keying Broadband Radio Access Network Code Division Multiple Access, koodijakomonikäyttö Digital DownConversion, digitaalinen alasmuunnos Electromagnetic Compatibility European Telecommunications Standards Institute Frequency Division Multiple Access, taajuusjakomonikäyttö Frequency Modulation, taajuusmodulaatio Standardi langattomalle laajakaistaiselle liityntäverkolle Digitaalisen modulaation In-phase-komponentti Intermediate Frequency, välitaajuus Input-Output, tietokoneessa tiedonsiirtoon käytettävä portti Inter Symbol Interference, symbolien välinen häiriö Graafinen ohjelmointiympäristö Low Noise Amplifier, pienikohinainen vahvistin Local Oscillator, paikallisoskillaattori Line Printer Terminal, tietokoneen rinnakkaisportti Least Squares meathod, pienimmän neliösumman menetelmä Ohjelmisto korkean tason numeeriseen laskentaan Mobile Terminal, mobiili päätelaite Orthogonal Frequency Division Multiplexing, ortogonaalinen taajuusjakokanavointi Phase Modulation, vaihemodulaatio Teollisuusstandardi tietokoneväylälle Digitaalisen modulaation Quadrature-komponentti Quadrature Amplitude Modulation Quaternary Phase Shift Keying Radio Frequency, radiotaajuinen signaali Laitteeseen menevä radiotaajuinen signaali Laitteesta lähtevä radiotaajuinen signaali Vastaanotin Space Division Multiple Access, paikkajakomonikäyttö Vastaanoton signaalikohinasuhde ennen vahvistinta Signaalin ilmaisuun vaadittava signaalikohinasuhde vastaanottimessa Time Division Multiple Access, aikajakomonikäyttö Transistor-Transistor Logic
TX VCO WLAN Lähetin Voltage Controlled Oscillator, jänniteohjattu oskillaattori Wireless Local Area Network, langaton lähiverkko a A B c d d(t) D E E θ E ϕ f f c f d f d,k,l F F kok G H j J J m k L L c L c,db L F L I L P L S n carrier N N 0 NF P P r P r,min P t P(φ) r Lähetinantennien etäisyys testimittauksessa Kaapelivaimennus metriä kohden Taajuuskaistan leveys Valon nopeus tyhjiössä Lähetin- ja vastaanottoantennin välinen etäisyys, kahden antennielementtien välinen etäisyys Estimoitu tai alkuperäinen signaali Antennin maksimimitta, antennin suuntaavuus, sirottajan etäisyys tukiasemasta Sähkökenttävektori Sähkökenttävektori elevaatiokulman suuntaan Sähkökenttävektori atsimuuttikulman suuntaan Taajuus, taajuus GHz:nä Nimellinen kantotaajuus Doppler-taajuussiirtymä Doppler-siirtymä laajakaistaisessa monitie-edenneessä radiokanavassa Kohinaluku Kokonaiskohinaluku Antennin vahvistus Magneettikenttävektori Imaginääriyksikkö Virrantiheysvektori Ekvivalenttinen magneettivirrantiheys Boltzmannin vakio, aaltoluku Vaimennus Kaapelivaimennus Kaapelivaimennus desibeleinä Vapaan tilan vaimennus Amplitudin- ja vaiheensäädön vaimennus Tehonjaon vaimennus Sekoittimen vaimennus Kantotaajuuden numero Antenniryhmän elementtien lukumäärä, sirottajien lukumäärä Kohinateho Kohinakerroin Vastaanotettu teho Vastaanotossa vaadittava tehotaso Vastaanottimen herkkyys Lähetysteho Teho suunnassa φ Antennin säteilemän sähkökentän etäisyys
r 1 r 2 R t T 0 u(t) v w H w H (φ) x x N X Suoraan edenneen säteen kulkema matka Heijastuneen säteen kulkema matka Antennin kaukokentän raja, Fresnelin heijastuskerroin Aika Kohinalähteen lämpötila Datavektori Mobiilin nopeus Nollanohjausalgoritmin painokerroinvektorin Hermiten konjugaatti Painokerroinvektori haluttuun suuntaan φ Matriisi vastaanotetuille signaaleille Antennielementin N vastaanottama signaali Moduloidun signaalin haluttu vaimennus α α k.l (t) β 0 3dB η r θ ρ k,l Σ τ k,l φ φ 0 φ BW φ i φ k,l ϕ ψ ψ k,l Nopeusvektorin ja säteen tulosuunnan välinen kulma Monitie-edenneiden komponenttien summasignaali Kahden vierekkäisen antennielementin välinen vaihe-ero Säteilykuvion nollakohtien välinen kulma Säteilykuvion 3 db pisteiden väli Permittiivisyys Antennin säteilyhyötysuhde Elevaatiokulma, moduloidun signaalin haluttu vaihesiirto, antenniryhmän säteilemän sähkökentän suunta Aallonpituus Permeabiliteetti Monitie-edenneen signaalin amplitudi Signaalien summaus Monitie-edenneen signaalin viive Atsimuuttikulma, signaalin tulosuunta Sirottajaelementin 0 (nolla) tulokulma suhteessa antenniryhmään on keilanleveys asteina Signaalikomponentin diskreetti tulosuunta Monitie-edenneen komponentin tulosuunta Atsimuuttikulma Antenniryhmän elementtien välinen suhteellinen vaihe Kantoaallon vaihe monitie-edenneessä ympäristössä Kulmataajuus Nabla -operaattori
1. JOHDANTO Adaptiivinen antenni eli ns. älyantenni on analogisesti tai digitaalisesti ohjattava antenniryhmä, jonka säteilykuvio on muutettavissa käyttötilanteen mukaan. Adaptiivisilla antenneilla voidaan käyttää pientä lähetystehoa leveällä taajuuskaistalla niiden hyvän suuntaavuuden ansioista. Koska taajuusspektri on rajoitettu luonnonvara, saadaan se tällä tekniikalla hyödynnettyä mahdollisimman tehokkaasti. Lisäksi nykyaikaisille radiojärjestelmille asetetaan yhä suurempia kapasiteettivaatimuksia, mihin eräs keino lisätä tietyn alueen yhtäaikaisten käyttäjien määrää ovat suuntaavat tai adaptiiviset antennit [1 s. 29]. Suurentamalla sallittua vapaan tilan vaimennusta, voidaan kasvattaa myös tukiaseman vastaanottoaluetta. Mobiilissa tietoliikenteessä kuuluvuutta voidaan parantaa myös asentamalla adaptiivinen antenni tilaajan laitteeseen. Koska käytännössä kuitenkin adaptiivinen antenni on tämän päivän matkapuhelimessa vaikea toteuttaa laitteen pienen koon vuoksi, käytetään antenneja pelkästään tukiasemissa parantamaan verkon peittoaluetta [2 s. 82]. Laajakaistaisten adaptiivisten antennien tutkiminen monitie-etenevässä radiokanavassa ja niiden soveltuvuus siihen ovat tulevaisuuden tietoliikennejärjestelmissä tiedonsiirron kapasiteetin ja häiriöiden sietokyvyn kannalta välttämätöntä. Laajakaistaisessa radiokanavassa radiosignaali etenee heijastumalla montaa eri reittiä vastaanottoantennille. Tämän takia adaptiivisten antennien ja niiden säteilykuvion ohjaamiseen liittyvien matemaattisten algoritmien tutkiminen on erittäin tärkeää. Oulun yliopiston sähkö- ja tietotekniikan osastolle kehitetään tutkimusympäristöä antennimittauksiin. Tuloksena on monikäyttötila, jossa voidaan mitata myös adaptiivisia antenneja. Tämän diplomityön tavoitteena on suunnitella laajakaistainen mittauslähetin kyseiseen mittaustilaan, joka soveltuu sekä adaptiivisten antennien mittaamiseen että testaukseen ja jolla voidaan luoda erilaisia radiokanavaympäristöjä laboratorio-olosuhteissa. Mittauslähetin on osa adaptiivisten antennien mittausjärjestelmää, jonka rakennetta tässä työssä pohditaan ja jolla adaptiivisten antennien mittaus heijastuksettomassa tilassa voidaan toteuttaa. Työssä tehdään myös testimittauksia, joilla havainnollistetaan mittauslähettimen toimintaa ja sen lähettämien signaalien summautumista vastaanottoantennissa. Mittaustuloksia verrataan teoriasta saatuihin tuloksiin ja niiden perusteella todetaan mittauslähettimen soveltuvuus adaptiivisten antennien mittaamiseen. Lisäksi pohdinnassa mietitään sekä rakenteeltaan että kustannuksiltaan toisenlaista vaihtoehtoa, jolla adaptiivisten antennien mittauslähetin voitaisiin toteuttaa.
11 2. ANTENNIEN PERUSKÄSITTEET JA MITTAUKSET Sähkömagneettisen signaalin siirto paikasta toiseen tehdään yleensä joko aaltojohdon tai radioyhteyden avulla. Metallia sisältävät aaltojohdot ovat edullisia lyhyillä etäisyyksillä, mutta pitkillä yhteyksillä ilman kautta tapahtuva radioyhteys tulee kannattavammaksi. Syynä tähän on se, että aaltojohdon vaimennus on vakio pituusyksikköä kohti, jolloin kokonaisvaimennus kasvaa eksponenttilain mukaan etäisyyden funktiona. Radioyhteydellä taas säteilytehon tiheys ilmassa pienenee algebralisesti kääntäen verrannollisena etäisyyden neliöön. Antenni voidaan määritellä laitteeksi, joka säteilee ohjatussa muodossa (aaltojohtoa pitkin) tulevan sähkömagneettisen energian halutulla tavalla avaruuteen tai kääntäen ottaa tulevan sähkömagneettisen energian halutulla tavalla vastaan. Ei ole kehitetty yleispätevää matemaattista menetelmää, jolla antennin muoto voitaisiin laskea haluttujen ominaisuuksien perusteella. Synteesi (yhdistäminen) tapahtuu käytännössä analyysin kautta: keksitään erilaisia antennirakenteita ja analysoidaan niiden ominaisuuksia. Tämän vuoksi antennien teoria ei ole kovin yhtenäinen ja antennit voidaan luokitella hyvin erilaisin perustein [3 s. 7]. Tässä luvussa käydään läpi antenneihin liittyvä teoria, joka on oleellista tämän työn ymmärtämisen kannalta. Lisää antenniteoriaa löytyy mm. seuraavista lähteistä [3, 4 ja 5]. 2.1. Antennien peruskäsitteitä Kaikkien antennirakenteiden säteilyanalyysi perustuu Maxwellin yhtälöihin E = j ωµ H J m H = j ωε E + J, (2.1) (2.2) jossa J on sähköinen virrantiheysvektori ja J m on ekvivalenttinen magneettivirrantiheys. J ja J m toimivat sähkökentän E ja magneettikentän H lähteinä. Edellä on oletettu, että lähteet noudattavat aikariippuvuutta e jωt. Lisäksi antennin johdereunat ja eristerajapinnat asettavat lisäehtoja ratkaisulle. Probleema voidaan usein muuttaa sähkömagneettisten virtalähteiden aiheuttamien säteilykenttien laskemiseksi, jos reunat ja rajapinnat voidaan korvata ekvivalenttilähteillä [3 s. 8]. 2.1.1. Antenniparametrejä Säteilyominaisuudet ovat antennin pääasiallinen suunnitteluperuste. Joissakin tapauksissa halutaan antenni, joka antaa kaiken säteilyn mahdollisimman kapeaan keilaan eli antenni on suuntaava. Joskus antennin halutaan säteilevän tasaisesti tai halutulla tavalla ympäristöön eli antenni on ympärisäteilevä. Antennin säteilyominaisuuksista antavat informaatiota keilanleveys, suuntaavuus, polarisaatio sekä vastaan-
12 ottokäytössä sieppauspinta ja efektiivinen pituus [3 s. 31]. Seuraavissa luvuissa käydään läpi tässä työssä tarvittavia antenniparametreja. 2.1.1.1. Antennin säteilykuvio Säteilykuvio on tietyn origon kautta kulkevan tason normalisoidun amplitudin kolmiulotteisesta funktiosta leikkaama tasokuvio. Yleensä taso kulkee säteilyn maksimisuunnan kautta, jolloin säteilykuvion maksimikohdan arvo on 1 [3 s. 31]. Säteilykuvio kuvaa pallokoordinaatiston kulman (,φ) (kuva 2.5 s. 16) funktiona antennin säteilemän sähkömagneettisen kentän ominaisuuksia [6 s. 155]. 2.1.1.2. Antennin suuntaavuus ja vahvistus Suuntaavuus mittaa antennin kykyä keskittää säteily annettuun suuntaan. Se on suunnan funktio, mutta yleensä määritellään vain pääkeilan osoittamaan suuntaan [3 s. 32]. Toisin sanoen se on maksimitehotiheyden suhde keskimääräiseen tehotiheyteen [6 s. 155]. Antennin vahvistus G on sen pääkeilan suuntaan antaman tehotiheyden suhde siihen tehotiheyteen, joka saataisiin, jos häviötön isotrooppinen antenni säteilisi saman tehon kuin antenni ottaa sisäänmenossaan. Vahvistuksen määritelmä ei siis sisällä impedanssin ja polarisaation epäsovituksesta syntyviä häviöitä. Osa antennin ottamasta tehosta kuluu resistiivisiin häviöihin. Säteilytehon suhde antennin ottamaan tehoon on säteilyhyötysuhde η r. Vahvistuksen G ja suuntaavuuden D välinen yhteys on [9 s. 177 178] G = η D. (2.3) r 2.1.1.3. Antennin keilanleveys Antennin keilanleveys on säteilykuvion nollakohtien välinen kulma 0 tai 3 db pisteiden väli 3dB (kuva 2.1) [3 kuva 1.18]. Edellinen on yleensä helppo, jälkimmäinen vaikeampi määrätä. Leveillä keiloilla jälkimmäinen on käyttökelpoisempi suure. Terävillä keiloilla ero on pieni. Antennin kolmiulotteisesta säteilykuvioista saa käsityksen antamalla sen keilanleveydet kahdessa kohtisuorassa tasossa (kuva 2.2) [3 kuva 1.19] [3 s. 31 32]. Kuva 2.1. Keilanleveyden määritelmät.
13 Kuva 2.2. Normalisoidun amplitudin leikkaukset kahdessa kohtisuorassa tasossa. 2.1.1.4. Antennin säteilemän sähkökentän polarisaatio Antennin polarisaatio määritellään sen säteilemän sähkökentän suunnan avulla. Koska kentän polarisaatio on erilainen eri suunnissa, antennin polarisaatiolla tarkoitetaan yleensä kentän polarisaatiota pääkeilan suunnassa [3 s. 33 35]. Antennin polarisaatio kuvaa sen säteilemän sähkökentän vektorin suunnan käyttäytymistä. Polarisaatio on suuntakulman (,φ) funktio. Kenttävektorin kärjen voidaan ajatella piirtävän jakson aikana aallon etenemissuuntaa vastaan kohtisuoralla tasolla ellipsin. Elliptisen polarisaation erikoistapauksia ovat lineaarinen ja ympyräpolarisaatio [6 s. 157]. 2.2. Antenniryhmä Jos tarvitaan antennia, jonka suuntaavuus on suuri, sen säteilyaukon täytyy olla suuri suhteessa aallonpituuteen. Suuren vahvistuksen omaavat antennit ovat yleensä heijastinantenneja. Toisaalta antenniryhmät ovat kuitenkin suositumpia, koska ne ovat tilavuudeltaan pienempiä ja voivat olla myös litteitä [5 s. 341]. Antennielementit voivat olla yksinkertaisia, sillä ryhmän säteilyominaisuudet perustuvat niiden suureen lukumäärään. Muuttamalla antennielementtien vaiheistusta voidaan säteilykeilaa kääntää sähköisesti ilman liikkuvia ja kuluvia mekaanisia osia. Toisenlaisella vaiheistuksella voidaan saada aikaan useita samanaikaisia säteilykeiloja ja niitä voidaan ohjailla toisistaan riippumatta [3 s. 101 102]. 2.2.1. Antenniryhmän elementtien sijoittelu Oletetaan, että lineaarisessa antenniryhmässä on N kappaletta elementtejä, joilla kaikilla on identtinen amplitudi, mutta jokaisella on kahden vierekkäisen antennielementin virtojen välinen vaihe-ero β (kuva 2.3a) [4 kuva 6.5]. Antenniryhmä, jossa identtisillä elementeillä on sama amplitudi ja vaihe, kutsutaan tasaiseksi antenniryhmäksi (uniform array). Graafisesti tämä on kuvattu vaiheenosoituskaaviossa (kuva 2.3b). Vaiheenosoituskaaviossa ryhmäkertoimen (AF) amplitudia ja vaihetta voidaan säätää valitsemalla suhteellinen vaihe ψ elementtien välille.
14 β:n ja ψ:n välinen yhteys on seuraava [4 s. 257 261] jossa ψ = kd cosθ + β, (2.4) k on aaltoluku, d on kahden antennielementin välinen etäisyys, θ on antenniryhmän säteilemän sähkökentän suunta ja β on kahden antennielementin virtojen välinen vaihe-ero. (a) Geometria (b) Vaiheenosoituskaavio Kuva 2.3. Kaukokentän geometria ja vaiheenosoituskaavio N -elementtiselle isotrooppiselle antenniryhmälle. Ryhmäkerroin kuvaa antenniryhmän geometriaa ja sen yhteyttä antennielementtien virtojen vaiheistukseen [4 s. 250]. Yksittäiset antennielementit voidaan sijoittaa myös tasoon, jolloin saadaan tasomainen antenniryhmä. Tasomaiset antenniryhmät tarjoavat lisämuuttujia, joita voidaan käyttää antenniryhmän suuntakuvion muuttamiseen. Tasomaiset antenniryhmät ovat monipuolisempia ja niillä saadaan symmetrisempiä suuntakuvioita pienemmillä sivukeiloilla. Käytännössä niillä voidaan kuvata antennin pääkeila tason suuntaan mihin kohtaan avaruutta tahansa [4 s. 309]. Ympyrämäinen antenniryhmä taas on sellainen, jossa antennielementit on sijoitettu tasavälein ympyrän kehälle [4 s. 324]. Ympyrämäisessä ja sylinterimäisessä antenniryhmässä elementit voidaan sijoittaa symmetrisesti atsimuuttitasoon, jolloin 360 saadaan peitettyä tasavälein. Tätä ominaisuutta on hyödynnetty kehiteltäessä laajakaistaisia sekä suuntaavia antenneja. Kuvassa 2.4 [7 kuva 4.2a] on kuvattu antennielementtien sijoittelu ympyrämäiselle antenniryhmälle [7 s. 194 195].
15 Tässä diplomityössä esitellään ympyrämäinen antenniryhmä, jota tullaan käyttämään adaptiivisten antennien mittausjärjestelmän testaukseen. Kuva 2.4. Ympyrämäisen antenniryhmän geometria. 2.2.2. Antenniryhmän ohjaus Antenniryhmän ohjaukseen käytettävät algoritmit ovat matemaattisia laskentamalleja, joita käytetään antenniryhmän säteilykuvion sähköiseen ohjaukseen. Sähköisellä ohjauksella säteilykuvio voidaan suunnata erittäin nopeasti haluttuun suuntaan verrattuna mekaaniseen säteilykuvion ohjaukseen, jossa pitää kääntää koko antennia. Säteilykuvion suuntaaminen voidaan tehdä muuttamalla syöttösignaalin amplitudia ja vaihetta [8 s. 35]. Koska mobiili käyttöympäristö on aikavariantti radiokanavan muuttuessa, pitää painokerroinvektori päivittää tai mukauttaa määrätyin väliajoin vallitsevaan tilanteeseen. Painokerroinvektoriksi kutsutaan vektoria, joka sisältää jokaisen antennielementin syöttövaiheen ja -amplitudin kompleksilukumuodossa [8 s. 31]. Tyypillisesti painokerroinvektori päivitetään, kun yksi painokerroin poikkeaa edellisestä. Kyseisen poikkeaman ei tarvitse olla kovinkaan suuri. On suositeltavaa käyttää päivitystekniikkaa, joka käyttää edellistä painokertoimen arvoa estimoidakseen uudet arvot. Tämä siksi, että signaali sisältää aina kohinaa ja tällä tekniikalla sen vaikutusta voidaan vähentää [2 s. 227]. Algoritmi käsittelee signaalia siten, että suuntakuvioon saadaan haluttuun suuntaan joko nollakohta tai maksimi. Asetettujen ehtojen määrä voi olla yhtä suuri tai pienempi kuin N-1, jossa N on antennielementtien määrä ryhmässä. Toisin sanoen antenniryhmällä on N-1 vapausastetta. Ehtoja voidaan asettaa haluttuihin suuntiin yhtä paljon kuin mikä on vapausasteiden määrä. Kuitenkin paljon minimejä lähekkäin saattaa aiheuttaa säteilykuvion vääristymisen [8 s. 35]. Jos tulevan signaalin suuntaa ei tiedetä tai sen suunta muuttuu koko ajan, tarvitaan adaptiivisia algoritmeja suuntaamaan antennin keilan maksimia, nollaa tai molempia sovelluksesta riippuen. Adaptiiviset algoritmit etsivät painokertoimille sellaisen ratkaisun, että jokin haluttu parametri minimoituu. Suurin osa adaptiivisista algoritmeista on taajuuskaistaltaan kapeita, kuten nollanohjausalgoritmi [8 s. 35], joka esitellään luvussa 7.2 (s. 47). Käytössä on myös laajakaistaisia algoritmeja, joita käytetään nimen mukaisesti laajakaistaisissa adaptiivisissa antenneissa. Menetelmässä jokaisen antennielementin jälkeen on viivelinja tai viivelinjoja. Jokaisen viivelinjan jälkeen osa signaalin tehosta painotetaan ja viedään summaimeen. Tämän jälkeen signaalit viedään toiseen summaimeen, jossa kaikkien elementtien signaalit summataan ja muodostunut signaali on lopulli-
16 nen lähtösignaali. Menetelmällä voidaan muodostaa haluttuihin suuntiin laajakaistaisia nollia ja maksimeja [8 s. 36 37]. 2.3. Antennimittaukset Monien antennityyppien ominaisuudet kuten amplitudikuvio, vahvistus ja polarisaatio ovat laskettavissa varsin tarkasti kohtuullisella vaivalla. Antennin toiminta on kuitenkin syytä tarkistaa mittaamalla esimerkiksi mahdollisten valmistusvirheiden takia. Usein mittaaminen on ainoa käytännöllinen tapa selvittää antennin ominaisuudet. Antennisovelluksesta riippuu mitä ominaisuuksia siitä halutaan tietää, mikä on taajuuskaista ja mitkä ovat tarkkuusvaatimukset. Mittaus voi olla rutiiniluonteista tai osoittautua lähes mahdottomaksi. Antennin koosta ja taajuudesta riippuen tarjolla on erilaisia vaihtoehtoisia mittauspaikkoja ja -menetelmiä. Antenneja mitattaessa käytetään usein hyväksi resiprookkisuutta, jonka mukaan antennin ominaisuudet lähetyksessä ja vastaanotossa ovat samat, jos antennit ovat samanlaisia. Näin ollen antenneja voi käyttää lähetykseen, vaikka sitä testauksessa käytetäänkin vastaanotossa, tai päinvastoin. Jatkossa oletetaan, jos ei toisin mainita, mitattavana olevan antennin toimivan vastaanottoantennina, koska näin esitys on usein havainnollisempaa. Kuvassa 2.5 [9 kuva 15.2.] on esitetty standardisoitu antennimittauksissa käytetty pallokoordinaatisto, jossa mitattava antenni on kiinteästi paikallaan origossa. Koordinaatisto määritellään tavallisesti antennin mekaanisen rakenteen perusteella [9 s. 175 176]. Kuva 2.5. Antennimittauksissa käytettävä standardisoitu pallokoordinaatisto. 2.3.1. Antennin säteilykentän rajat Antennin säteilemällä kentällä on paikasta ja ajasta riippuva amplitudi, vaihe ja suunta. Lähinnä antennia on reaktiivisen lähikentän alue etäisyyksillä r /2π. Näillä etäisyyksillä kentän reaktiivinen osa on hallitseva. Tämän jälkeen on säteilevän lähikentän alue, jossa reaktiivinen osa pienenee ( 1/r 2 ) ja säteilevän osan ominai-
17 suudet riippuvat enää etäisyydestä. Yleensä antennit on tarkoitettu toimimaan pitkillä etäisyyksillä, ja siksi halutaan mitata kentän ominaisuudet kaukokenttäalueella, jossa kenttä pienenee ( 1/r) ja muistuttaa vastaanottoantennin luona tasoaaltoa. Tällöin amplitudikuvio, vahvistus ja polarisaatio eivät enää riipu etäisyydestä [9 s. 175]. 2.3.2. Antennimittausten virheitä Tavallisesti antennit on tarkoitettu toimimaan pitkillä etäisyyksillä ja esteettömässä tilassa, jolloin vastaanottoantennin kohdalla on puhdas tasoaalto. Käytännössä tällainen tilanne saavutetaan antennimittauksissa vain likimäärin lyhyen mittausetäisyyden ja ympäristön vaikutusten takia. Antennimittauksille ominaisia mittausvirheitä ovat kentän vaiheen ja amplitudien vaihtelu mitattavan antennin alueella, lähetysja vastaanottoantennin välinen kytkentä, heijastukset ympäristöstä, suuntausepätarkkuus, ilmakehän vaikutus, mittauslaitteiston epäideaalisuus ja ulkopuoliset häiriösignaalit [9 s. 179]. 2.3.2.1. Mittausetäisyydestä aiheutuva virhe Jos mittausetäisyys on lyhyt, vastaanottoantenniin saapuva palloaalto poikkeaa merkittävästi tasoaallosta eli syntyy vaihevirhettä. Antennin eri osien etäisyys lähetysantennista on siis erilainen. Etäisyyttä, jolla vaihevirhe antennin pinnalla on π/8 eli 22,5 (matkaero /16), pidetään lähikentän ja kaukokentän rajana (kuva 2.6) [9 kuva 15.4]. Kuva 2.6. Lähi- ja kaukokentän rajan määrittely. Jos antennin halkaisija on D, tämä raja on etäisyydellä 2 2D R =. λ (2.5)
18 Vaihevirheen vaikutuksesta mitattu vahvistus pienenee, sivukeilat kasvavat ja suuntakuvion minimit täyttyvät. Etäisyydellä 2D 2 / vahvistuksen pieneneminen on 0,06 db. Vaihevirheen aiheuttamat muutokset vähenevät nopeasti etäännyttäessä pääkeilasta; ne eivät juuri ulotu ensimmäistä sivukeilaa pidemmälle. Mittaukset tulisi suorittaa etäisyydellä R 2D 2 /. Tarkoissa mittauksissa saatetaan vaatia jopa R 50D 2 /. Kentän amplitudin tulisi olla mitattavan antennin alueella vakio. Lähetysantennin amplitudikuvion takia tehotiheys mitattavan antennin reunalla on kuitenkin pienempi kuin keskellä johtuen sen amplitudikuviosta. Säteiden matkaero reunan ja keskustan välillä voi lisätä tätä ilmiötä. Kentän amplitudi saadaan tasaisemmaksi käyttämällä leveäkeilaisempaa antennia, mutta tällöin ympäristöstä tulevien heijastuksien aiheuttamat virheet kasvavat. Jossain tilanteessa saattaa olla edullista käyttää kapeakeilaista lähetysantennia heijastuksien vähentämiseksi amplitudivirheen kustannuksella. Kentän amplitudin tulee olla vakio myös mittausalueen pituussuunnassa. Jos mittausetäisyys on liian lyhyt, vastaanottoantenni voi kytkeytyä reaktiiviseen lähikenttään, jolloin syntyy mittausvirhettä. Virhe on merkityksetön, jos etäisyys on yli 10 kertaa aallonpituus [9 s. 179 180]. 2.3.2.2. Heijastuksista aiheutuva virhe Antennien väliset moninkertaiset heijastukset aiheuttavat mittausvirheitä. Se osa tulevasta kentästä, joka ei sovitu antennin apertuurin kenttään, heijastuu takaisin lähetintä kohti, josta taas osa heijastuu jne. Antennien välille syntyy seisovan aallon kuvio, jonka jaksonpituus on puoli aallonpituutta. Antennien välimatkan kasvaessa moninkertaisten heijastusten merkitys vähenee nopeasti. Merkittävin virhelähde on usein ympäristön heijastukset. Heijastuksia tulee maanpinnasta, mittaushuoneen seinistä ja antennien tukirakenteista [9 s. 180 181]. 2.3.2.3. Antennien suuntauksesta aiheutuva virhe Lähetinantennin pääkeilan virheellinen suuntaus lisää amplitudin vaihtelua mittausalueella. Jos mitattavalla antennilla on kapea keila, se on ensin suunnattava tarkasti kohti lähetysantennia. Muuten säteilykuvion leikkaukset eivät kulje pääkeilan maksimin kautta ja mitattu vahvistus on liian pieni. Kallistusvirheiden takia tulevan aallon ja mitattavan antennin polarisaatiot eivät sovitu. 2.3.3. Antennien mittauspaikka Antennien mittaukseen on kehitetty erilaisia mittauspaikkoja kuten vapaan tilan ja maaheijastusmittauspaikka, heijastukseton huone, kompakti ja lähikenttämittauspaikka. Parhaiten tarkoitukseen soveltuva mittauspaikka riippuu mm. taajuudesta ja antennin koosta. Jos antennia käytetään jonkun suuren säteilykuvioon vaikuttavan rakenteen yhteydessä tai sitä ei voida asettaa tavalliselle mittauspaikalle, on mittaukset suoritettava antennin käyttöpaikalla [9 s. 182].
19 2.3.3.1. Heijastukseton huone Heijastukseton huone on radioaaltoja absorboivalla materiaalilla päällystetty huone, joka jäljittelee vapaata tilaa. Ulkopuolisten häiriöiden estämiseksi huone on yleensä suojattu vaimennusmateriaalin alle sijoitetulla tiiviillä metallikerroksella. Heijastuksettomassa huoneessa voidaan mittaukset suorittaa hallituissa olosuhteissa säästä riippumatta. Kuvassa 2.7 [9 kuva 15.10a] on suorakaidehuone. Suorakaiteen muotoisen huoneen kriittisimmät osat ovat seinämien keskikohdat, joista aalto voi tulla yhdellä heijastuksella vastaanottoantenniin. Nämä osat tulee päällystää mahdollisimman hyvälaatuisella vaimennusmateriaalilla. Myös antennien tukirakenteet tulee suojata hyvin, jotta näiden välille ei synny seisovia aaltoja. Mittaukset suoritetaan ns. hiljaisella alueella, jossa sähkökentän vaihtelua aiheuttavat heijastukset on pyritty minimoimaan. Kuva 2.7. Suorakaiteen muotoinen heijastukseton huone. Huoneen pituuden ja leveyden suhteen pitäisi olla 2:1. Huomattavasti suurempi suhde kasvattaa heijastuneen aallon tulokulmaa pinnan normaaliin nähden ja näin ollen heijastuskerroin kasvaa. Lähetysantennin suuntaavuus valitaan siten, että pääkeila ei valaise sivuseinämiä. Huoneen taajuusalueen määrää lähinnä vaimennusmateriaalin paksuus aallonpituuksina. Kaukokentän vaatimus rajoittaa mitattavan antennin kokoa [9 s. 184 186]. Oulun yliopistolla on käytössään suorakaidehuone sekä EMC- (Electromagnetic Compatibility) että antennimittauksia varten. Huoneen mitat ovat 1060x560x510 cm (pituus x leveys x korkeus) ja taajuusalue ulottuu 18 GHz:iin asti.
20 2.3.3.2. Vaimennusmateriaali Vaimennuslevyt eli absorberit tehdään vaahtomaisesta polyuretaanista, johon on lisätty hiilihiukkasia häviöllisyyden kasvattamiseksi. Levyjen pinta on muovattu pyramidin tai kiilan muotoon, jotta heijastukset pinnasta eivät pääsisi suoraan vapaaseen tilaan. Myös tasaisia absorbereja, joiden resistiivisyys muuttuu vähitellen syvyyden funktiona, käytetään. Jos aalto tulee loivassa kulmassa pintaan nähden, kannattaa käyttää kiilamaista muotoa [9 s. 184 186]. Oulun yliopiston heijastuksettomassa huoneessa on vaimennusmateriaalina seinillä ja katossa käytetty kiilamaisia absorbereja, joiden kärki on katkaistu. Nämä soveltuvat hyvin heijastusten vaimentamiseen EMC-mittauksissa. Antennimittauksia varten on hankittu ns. WalkWay-absorbereja. Ne kestävät mm. päällä kävelyä ja niitä voidaan siirtää mittauspaikalle ja pois aina tarpeen mukaan. Tällä ratkaisulla päästään huomattavasti parempaan heijastusvaimennukseen anetennimittauksissa.
21 3. LAAJAKAISTAINEN RADIOKANAVA Radiokanavaksi kutsutaan signaalitietä radiolähettimen lähdön ja vastaanottimen tulon välillä. Radiokanavan ominaisuudet vaikuttavat omalta osaltaan tiedonsiirtojärjestelmän suorituskykyyn. Käytännön radiokanava on yleisessä tapauksessa häipyvä monitiekanava, jolloin vastaanotettu teho saapuu useaa tietä pitkin ja siten ei ole vakio. Häipymät heikentävät vastaanottimen hetkellistä signaalikohinasuhdetta, ja tiedonsiirtojärjestelmän suorituskyky heikkenee. Referenssikanavana tiedonsiirtojärjestelmien ja vastaanotinalgoritmien suoritusylärajan arviointiin käytetään yleisesti AWGN-kanavaa (Additive White Gaussian Noise), jossa summautuvan kohinan oletetaan olevan pelkästään vastaanottimessa ja antennissa syntyvää valkoista Gaussin-kohinaa eli lämpökohinaa. Radiokanava on aikavariantti eli sen ominaisuudet muuttuvat ajan funktiona. Radiokanavan ominaisuudet ovat myös paikkariippuvaisia. Lisäksi sääolosuhteet vaikuttavat radiokanavan ominaisuuksiin, esimerkiksi lisäämällä vaimennusta signaalitiellä. Radiokanava on yleisesti ottaen resiprookkinen ja sitä voidaan mallintaa tilastollisilla kanavamalleilla [1 s. 11]. Määriteltäessä adaptiivisten antennien järjestelmää on erittäin tärkeää tietää langattoman tiedonsiirtokanavan spatiaaliset ominaisuudet. Klassinen kanavamalli tarjoaa tietoa vastaanotetun signaalin tehojakaumasta ja Doppler-siirtymästä. Moderni spatiaalinen kanavamalli on rakennettu klassisen mallin päälle. Se huomioi monitiehäipymisen ja Doppler-hajonnan sekä täydentää kanavamallia viivehajonnalla, signaalin tulokulmalla ja adaptiivisen antennin geometrialla. Peruskanavamallit ovat johtaneet teorioihin käyttää tiladiversiteettiä sekä mobiilissa laitteessa että tukiasemassa. Tiladiversiteetillä tarkoitetaan rinnakkaisten tiedonsiirtokanavien hyödyntämistä lisäämällä antennielementtien määrää sekä lähetin- että vastaanottoantenniryhmässä. Klassinen tutkimus on osoittanut, että kanavamallien täytyy selvitä sirontakappaleista, jotka tulevat läheltä tutkittavaa antennia [2 s. 161 162]. Tässä luvussa esitellään laajakaistainen monitieradiokanava ja sen yhteys adaptiivisiin antenneihin sekä käydään läpi monitiekanavamalleja, joita voidaan käyttää adaptiivisen antennin mittaamiseen. 3.1. Doppler-ilmiö Doppler-ilmiöllä tarkoitetaan liikkeestä aiheutuvaa aika-akselin skaalautumista, joka tavallisesti näkyy vastaanotetun signaalin taajuussiirtymänä (Doppler-siirtymä). Taajuussiirtymä f d saadaan kaavasta [10 s. 14 15] v f d = ± f cosα, c (3.1) jossa f on signaalin taajuus, v on mobiilin nopeus, c on valon nopeus ja α on nopeusvektorin ja säteen tulosuunnan välinen kulma (0 α 90 ).
22 Doppler-taajuuden sallittu yläraja riippuu siitä nopeudesta, jolla järjestelmä ottaa peräkkäisiä näytteitä aikavariantista impulssivasteesta. Jotta impulssivaste ei muuttuisi yhden näyteajan kuluessa, radiokanavan muutosnopeuden on oltava tarpeeksi paljon näytenopeutta hitaampi. Radiokanavan muutosnopeus taas riippuu suurimmasta siinä syntyvästä Doppler-taajuudesta [11 s. 10]. 3.2. Laajakaistainen monitie-eteneminen radiokanavassa Analysoitaessa adaptiivisia antenneja on tärkeää ymmärtää antennin ja monitiekanavan välinen yhteys. Langattomassa järjestelmässä kanavaan lähetetty signaali on vuorovaikutuksessa ympäristön kanssa monimutkaisella tavalla. Kanavassa tapahtuu sähkömagneettisen aallon heijastuksia suurista kappaleista, diffraktiota läpipääsemättömien esteiden taakse ja sirontaa aallonpituuksina pienistä kappaleista. Näiden tapahtumien summana vastaanottimessa havaitaan monta eri signaalikomponenttia eli signaali on monitie-edennyt. Jokainen signaalikomponentti kokee erilaisen monitie-edenneen ympäristön, jota kuvataan amplitudilla ρ k,l, kantoaallon vaihesiirrolla ψ k,l, viivellä τ k,l, tulosuunnalla φ k,l ja Doppler-siirtymällä f d,k,l, jokaista l:ttä signaalikomponenttia k:nnessa mobiilissa. Yleisesti ottaen jokainen näistä komponenteista on aikavariantti. On helpompaa merkitä amplitudi, vaihesiirto ja Doppler-taajuus yhdeksi ryhmäksi seuraavasti j( 2π fd, k,l t+ψk,l ) α ( t = ρ e. (3.2) k, l ) k,l Monitie-edenneiden komponenttien amplitudia mallinnetaan usein vakio-, Rayleigh-, Rice- tai lognormaalijakautuneena satunnaismuuttujana, kun taas vaihesiirtoa kuvataan tasajakautuneena. Radiokanavan ajan suhteen vaihteleva luonne johtuu kappaleiden sekä mobiilin liikkeestä kanavassa. Ajanmuutoksen mittaa kanavassa kutsutaan Dopplertehospektriksi. Mobiilin liikkuessa nopeudella v, Doppler-tehospektri tarjoaa tilastollista tietoa vastaanotetusta tehosta Doppler-taajuuden muuttuessa. Tasaisen häipymän mallissa oletetaan, että vastaanotettu signaali tulee kaikista suunnista ja että se on tasaisesti jakautunut [2 s. 162 164]. 3.3. Laajakaistaiset monitiekanavamallit Radiotietoliikennejärjestelmässä monitie-eteneminen voidaan kuvata kapeakaistaisessa järjestelmässä häipymisenä tai laajakaistaisessa järjestelmässä symbolien välisenä interferenssinä eli ISI:nä (Inter Symbol Interference). Järjestelmissä, joissa tilasuodatus perustuu kiinteisiin suuntaaviin antenneihin, keilankytkentäjärjestelmiin (switched beam system) tai adaptiivisiin antenneihin, monitie-edenneiden komponenttien kulma- tai tilajakauman määrittäminen radioyhteydelle on tärkeää [2 s. 172]. Tähän työhön on valittu kaksi mallia, jotka ovat käytännöllisiä tehtäessä mittauksia laboratorio-olosuhteissa. Lähteessä [2] on mainittu lisää erilaisia laajakaistaisia kanavamalleja.
23 3.3.1. Tasajakautunut diskreetti -monitiekanavamalli Tasajakautuneessa diskreetissä monitiekanavamallissa on N sirottajaa kapealla keilanleveydellä, jotka on keskitetty mobiilin laitteen suuntaan (kuva 3.1) [2 kuva 6.12]. Mahdolliset diskreetit signaalin saapumissuunnat, olettaen että N on pariton, ovat 1 N 1 N 1 φ i = φbwi, i =,...,, N 1 2 2 (3.3) jossa φ BW on keilanleveys asteina ja φ i mitattu kulma kahden sirottajaelementin välillä. Kaavasta 3.3 saatu tulos φ 0 kuvaa keskimmäiseltä sirottajalta tulevan signaalin tulokulmaa suhteessa antenniryhmään (kuva 3.1). Kuva 3.1. Tasajakautunut diskreetti -monitiekanavamalli. D on sirottajan etäisyys tukiasemasta ja d on kahden antennielementin etäisyys antenniryhmässä. Tasajakautuneen diskreetin mallin noudattama signaalien tulosuunta on käytännössä diskreetti. Siksi ei ole järkevää käyttää jatkuvaa signaalin tulosuunnan jakaumaa, kun arvioidaan kahden antennielementin välistä korrelaatiota. Korrelaatio, joka esittää jatkuvan signaalin tulosuunnan jakaumaa (continous direction of arrival distribution), pienenee monotonisesti antennielementtien välisen etäisyyden kasvaessa, kun taas diskreetin signaalin tulosuunnan korrelaatio osoittaa vaimenevaa värähtelyä. Siksi jatkuvan signaalin tulosuunnan jakauma aliarvioi kahden antennielementin välistä korrelaatiota. Korrelaatiolla kuvataan kahden muuttujan välistä riippuvuutta, tässä tapauksessa kahden antennielementin välistä riippuvuutta. Malli on käytännöllinen korrelaation ennustamiseen kahden antennielementin välillä. Malli ei kuitenkaan sisällä kaikkia kanavan ilmiöitä, kuten tehoviivespektriä ja Doppler-spektriä [2 s. 174 175].
24 3.3.2. Leen monitiekanavamalli Leen mallissa sirontaparametrit ovat tasaisesti R-säteisen ympyrän kehällä mobiilin laitteen ympärillä. Jokaisen sirottajan ajatellaan esittävän monen eri sironnan vaikutusta mobiilin laitteen alueella. Sirottajaa kutsutaan myös teholliseksi sirottajaksi (effective scatterer). Alun perin mallia käytettiin kahden vastaanotetun signaalin korrelaation tarkkaan ennustamiseen joko tukiaseman tai mobiilin laitteen antennielementtien etäisyyden d funktiona (kuva 3.2) [2 kuva 6.11]. Koska antenniryhmän vastaanottamien signaalivektorien korrelaatiomatriisi voidaan määrittää antennielementtiparien korrelaationa, mallia voidaan käyttää mille tahansa mielivaltaiselle ryhmälle. Kuva 3.2. Leen monitiekanavamalli, jossa R on sirottajaympyrän säde. Antennielementtiparien korrelaatio määrittää miten tiladiversiteettimenetelmä esitetään. Yleisesti ottaen, mitä suurempi kulma φ BW on ja mitä suurempi on antennielementtien välinen etäisyys d, sitä pienempi on antennielementtien välinen korrelaatio ja sitä suurempi on diversiteettivahvistus antennielementtien välillä. Korrelaation mittaaminen on johdonmukaista kapealle kulmalle φ BW tukiasemalle ja suurelle φ BW mobiilille laitteelle. Malli selittää, miksi kapeakaistainen signaali mobiilin laitteen kohdalla vaatii 0,2 etäisyyden hyvälle diversiteetille (pieni korrelaatio), kun taas korkealla olevalla tukiasemalla sama vaatimus on 40.
25 4. ADAPTIIVISTEN ANTENNIEN MITTAUSJÄRJESTELMÄ Tässä luvussa esitellään tavallinen antenniryhmä ja adaptiivinen antenni sekä niiden ominaisuuksia ja eroja. Lisäksi perustellaan adaptiivisten antennien mittausjärjestelmän yleiset tavoitteet, tarpeellisuus ja käyttökohteet. Myöhemmin luvuissa 5 ja 6 käydään yksityiskohtaisemmin läpi lähettimen suunnittelu ja toteutus, mikä on tämän diplomityön tavoite. 4.1. Tavallinen antenniryhmä Tavallisilla antenniryhmillä tarkoitetaan useasta elementistä koostuvia antenneja. Normaalissa toiminnassa keilaa suuntaamalla saavutetaan parempi antennivahvistus halutuille käyttäjille sekä pienemmät häiriötasot muille käyttäjille. Tätä kautta verkon kapasiteettia saadaan kasvatettua. Tulevaisuudessa langattomat tiedonsiirtojärjestelmät tulevat hyödyntämään antenniryhmiä juuri kasvavien kapasiteettivaatimusten vuoksi [12 s. 6]. Tavallisen antenniryhmän avulla voidaan muodostaa lähetys- ja vastaanottokeiloja, jolloin lähetyksen signaali saadaan suunnattua haluttuun suuntaan. Vastaanotossa keilanmuodostuksella maksimoidaan vastaanotetun signaalin tehoa ja suunnataan antennin suuntakuvion minimejä ei-haluttuihin suuntiin. Näitä suuntia ovat esimerkiksi häirintälähettimien suunnat ja lähetyksessä mahdolliset vastaanottimien suunnat [13]. Antennien suuntaselektiivisyyttä voidaan luonnollisesti käyttää hyväksi myös lähettimen paikannukseen. Antenniryhmien etuna matkapuhelinverkkojen paikannuskäytössä on se, että ne eivät vaadi tukiasemiin tai puhelimiin erillisiä paikannukseen käytettäviä piirejä tai yksikköjä. Yksinkertaisimmassa tapauksessa antenniryhmän keilan suuntaavuus toteutetaan kiinteillä viive- tai vaihe-elementeillä. Jokaisella antennielementillä on useita kiinteitä vaiheistuselementtejä, jotka voidaan kytkeä käyttöön. Näin antennin suuntakuvioksi voidaan valita yksi useimmista kiinteistä keiloista kuvan 4.1 [12 kuva 4] mukaisesti. Menetelmän huonona puolena on, että keilojen on mentävä osittain päällekkäin, jotta keilojen väliin ei jää katvealuetta [12 s. 6-7], sekä keilojen rajallinen suuntaaminen. Haluttu signaali Häiriö Kuva 4.1. Tavallisen antenniryhmän suuntaavuus kiinteillä keiloilla.
26 4.2. Adaptiivinen antenni Adaptiivinen antenni eli älyantenni on antenniryhmä, jonka ohjaamiseen käytettävät algoritmit ovat mukautuvia verrattuna kiinteisiin vaihe- tai viive-elementteihin. Adaptiivisilla algoritmeilla antenniryhmän lähetys- tai vastaanottokeila voidaan muodostaa juuri haluttuun suuntaan ja keilasta saadaan myös kapeampi verrattuna tavalliseen antenniryhmään. Kuvassa 4.2 on havainnollistettu tavallisen antenniryhmän ja adaptiivisen antennin säteilykuvion suuntaamista. Kuvassa 4.2 a) on esitetty tavallisen antenniryhmän säteilykuvion ohjaus ja kuvassa 4.2 b) vastaavasti adaptiivisen antennin säteilykuvion ohjaus. Kuvista voidaan nähdä adaptiivisen antennin parempi ja tarkempi suuntaavuus juuri haluttuun suuntaan sekä minimien että maksimien suhteen. Ilman adaptiivista algoritmia antenniryhmän suuntaavuus on rajallinen, ja näin ollen osa lähetetystä/vastaanotetusta tehosta menetetään. a) b) Kuva 4.2. Säteilykuvion suuntaaminen tavallisella antenniryhmällä a) ja adaptiivisella antennilla b). Tumma viiva kuvaa signaalin maksimia ja keltainen viiva kuvaa häiriösignaalia. Adaptiiviset antennit tarjoavat laajan tavan parantaa langattoman tiedonsiirron suorituskykyä. Yleisesti ottaen adaptiivisilla antenneilla on potentiaalia tarjota parannusta verkon kuuluvuuteen, rajoittaa infrastruktuurillisia kuluja, parantaa linkkibudjettia sekä kasvattaa systeemin käyttöikää. Adaptiivisia antenneja voidaan käyttää laajasti erilaisissa langattoman tiedonsiirron järjestelmissä, kuten FDMA (Frequency Division Multiple Access), TDMA (Time Division Multiple Access) ja CDMA (Code Division Multiple Access). Adaptiiviset antennit tarjoavat parannusta kuuluvuuteen koko peittoalueella, täydentävät aukkoja verkossa sekä parantavat signaalin tunkeutumista rakennusten seinien läpi. Samalla lähetysteholla voidaan parantaa kuuluvuutta kasvattamalla antennin vahvistusta, jolloin suurempi osa lähetetystä tehosta saadaan suunnattua haluttuun suuntaan. Adaptiiviset antennit tarjoavat paremman suojan häiriöitä vastaan ja vähentävät epäideaalista käyttäytymistä. Adaptiiviset antennit auttavat erottamaan eri käyttäjien signaalit, rajoittamaan tehon valvonnan vaatimuksia tai lieventämään epätäydellistä tehon valvontaa. Langaton CDMA-järjestelmä on myös herkkä käyttäjien maantieteelliselle jakaumalle. Adaptiiviset antennit voivat uudelleen tarkentaa peittoaluetta sinne, missä on suuri käyttäjätiheys jollain määrätyllä hetkellä. Adaptiiviset antennit auttavat lieventämään monitie-etenemisongelmaa tai jopa käyttävät luonnostaan hyväksi diversiteettiä eli monitie-etenemisestä aiheutuvaa signaalin toisetta.
27 Adaptiivisilla antenneilla voidaan parantaa järjestelmän kapasiteettia. Ne sallivat verkon käytön samalla peittoalueella kuin tavallisella antennilla toteutetussa järjestelmässä, mutta vaativat pienemmän lähetystehon. Jos adaptiiviset antennit sallivat pienemmän lähetystehon jokaiselle yhteydelle, monikäyttöinterferenssi pienenee ja samanaikaisesti verkossa olevien käyttäjien määrää voidaan nostaa. Kuvassa 4.3 [14 s. 39] on esitetty adaptiivisen antenniryhmän periaate. Sivulla 47 kuvassa 7.4 on esitetty tarkempi kuvaus adaptiivisen antennin toimintaperiaatteesta. Kuva 4.3. Adaptiivisen antenniryhmän periaate. Adaptiivisia antenneja voidaan käyttää myös suuntaerotetuille (eri suunnista tuleville) signaaleille, jolloin sallitaan eri käyttäjille samat spektrin resurssit. Tilajakomonikäyttö eli Space Division Multiple Access (SDMA) sallii monen käyttäjän samanaikaisen toiminnan samassa solussa sekä samalla taajuus- ja/tai aikavälillä. Tällöin adaptiivista antennia käytetään erottamaan eri signaalit toisistaan. Näin saadaan enemmän käyttäjiä samalle taajuusalueelle verrattuna tavallisiin antenneihin, mikä johtaa parempaan järjestelmän kapasiteettiin [2 s 81 83]. Adaptiivisten antennien huonoina puolina on niiden kompleksisuus sekä hinta. Nämä johtuvat siitä, että antenniryhmän jokainen antennielementti vaatii oman vastaanottimen signaalin muokkaamiseen ennen A/D-muunnosta ja signaalien yhdistämistä. Adaptiivisten algoritmien kompleksisuus on myös suhteessa antennielementtien määrään sekä siihen, miten tarkkaan suuntakuvio halutaan suunnata. 4.3. Mittausjärjestelmän yleiset tavoitteet Mittausjärjestelmän suunnittelussa tulee ottaa huomioon, että sen dynamiikka on riittävä. Dynamiikka saadaan laskettua, kun tiedetään, mikä on lähetysteho, sekä miten paljon tehosta jää järjestelmän häviöihin. Häviöllisiä komponentteja tässä järjestelmässä ovat mm. kaapelit ja signaalin moduloijat. Vapaan tilan vaimennus on kuitenkin suurin yksittäinen häviön aiheuttaja. Myös käytettävä kaistanleveys vaikuttaa järjestelmän dynamiikkaan. Mitä pienempi kaistanleveys sitä parempi herkkyys vastaanottimella on ja sitä suurempi on dynamiikka.