Σύνθεση έξυπνων στοιχειοκεραιών με ειδικές προϋποθέσεις

Abstract

The main target of this thesis is the design of a simple but smart beamforming system, operating in a mobile communications base station. At the center of the design lies the antenna array synthesis and the smart control of its feeding. The antenna array feeding is based on a Butler Matrix (BM) 8×8. Following the analytical study of BM possibilities, a specific configuration is proposed concerning its inputs and outputs. A general methodology for the Direction of Arrival (DoA) estimation of signals impinging on an antenna array is developed. The method’s development is in conjunction with the switched-beam system operation and depends on the mapping between the signals’ angles of arrival and the power measured at the main input/ouput port of the feeding network. The mapping is exploited through the supervised learning of Artificial Neural Networks (ANN). The test results of the general approach show a quite robust neural network behaviour and point to the method's extension to DS-CDMA. Extensive simulations show that in DS-CDMA the proposed technique is able to estimate the desired signal DoA for a big range of SINR and various numbers of interference signals. The technique's accuracy is comparable to widespread DoA estimation algorithms. However, its implementation is easier, since besides the inherent DS-CDMA processing, no other processing of the received signals takes place. Finally there is a proposition for the incorporation of the developed structure (switched-beam system-DoA estimation method) into the framework of the current UMTS specifications. In particular, a "semi-adaptive" beamforming system is described, based on the instant response of the switched-beam system to the DoA estimation algorithm. In summary this thesis offers: a) an extensive analysis and presentation of the Butler Matrix functions for the feeding of linear arrays, b) a design of the switching network and the BM output for the proper feeding of a linear array, c) the development of an original methodology for the direction of arrival estimation of signals impinging on an antenna array, d) an extension of the methodology to a DS-CDMA system and e) a proposition for the incorporation of the developed structure into the UMTS framework.

Ο κύριος στόχος της διατριβής είναι ο σχεδιασμός ενός απλού, αλλά έξυπνου συστήματος μορφοποίησης δέσμης, που να λειτουργεί σε ένα σταθμό βάσης κινητών επικοινωνιών. Στο επίκεντρο του σχεδιασμού είναι η σύνθεση της στοιχειοκεραίας κι ο έξυπνος έλεγχος της τροφοδοσίας αυτής. Η τροφοδοσία της στοιχειοκεραίας βασίζεται σε έναν Πίνακα Butler (ΠΒ) 8×8. Μετά από αναλυτική διερεύνηση των δυνατοτήτων του ΠΒ, δίνεται συγκεκριμένη πρόταση για τη διαμόρφωση των εισόδων και εξόδων του. Αναπτύσσεται μία πρωτότυπη, γενική μεθοδολογία εκτίμησης της διεύθυνσης άφιξης (Direction-of-Arrival, DoA) σημάτων που προσπίπτουν σε μια στοιχειοκεραία. Η ανάπτυξη της μεθόδου είναι συζευγμένη με τη λειτουργία του συστήματος μεταγωγής δέσμης και βασίζεται στην αντιστοίχιση μεταξύ των γωνιών πρόσπτωσης των σημάτων και της μετρούμενης ισχύος στην κύρια θύρα εισόδου/εξόδου του δικτύου τροφοδοσίας. Η εκμετάλλευση της αντιστοίχισης γίνεται μέσω της επιβλεπόμενης μάθησης τεχνητών νευρωνικών δικτύων (ΤΝΔ). Στη γενική προσέγγιση επιδεικνύεται αρκετά συμπαγής συμπεριφορά των ΤΝΔ και οδηγούμαστε στην επέκταση της μεθόδου στο DS-CDMA. Εκτεταμένες προσομοιώσεις δείχνουν ότι στο DS-CDMA η προτεινόμενη τεχνική μπορεί να επιτύχει εκτίμηση της διεύθυνσης άφιξης του ζητούμενου σήματος για ένα μεγάλο εύρος SINR και διάφορο αριθμό σημάτων παρεμβολής. Η ακρίβεια της τεχνικής είναι συγκρίσιμη με διαδεδομένους αλγόριθμους εκτίμησης DoA, με δεδομένη, όμως, την απλούστερη υλοποίησή της, αφού πέραν της επεξεργασίας του DS-CDMA, αποφεύγεται η περαιτέρω επεξεργασία των λαμβανόμενων σημάτων. Τέλος, προτείνεται η ενσωμάτωση της δομής που αναπτύχθηκε (σύστημα μεταγωγής δέσμης-μέθοδος εκτίμησης DoA) στα πλαίσια των τρεχουσών προδιαγραφών του UMTS. Συγκεκριμένα περιγράφεται ένα «ημι-προσαρμόσιμο» σύστημα μορφοποίησης δέσμης, το οποίο βασίζεται στην άμεση απόκριση του συστήματος μεταγωγής στον αλγόριθμο εκτίμησης DoA. Η συμβολή της διατριβής συνίσταται στα εξής: α) εκτενή ανάλυση και παρουσίαση των λειτουργιών του ΠB για την τροφοδοσία γραμμικών στοιχειοκεραιών, β) σχεδιασμό του δικτύου μεταγωγής και της εξόδου του ΠΒ για την κατάλληλη τροφοδοσία γραμμικής στοιχειοκεραίας, γ) ανάπτυξη πρωτότυπης μεθοδολογίας εκτίμησης των διευθύνσεων άφιξης σημάτων που προσπίπτουν σε στοιχειοκεραία, δ) επέκταση της μεθοδολογίας σε σύστημα DS-CDMA και ε) πρόταση ενσωμάτωσης της αναπτυχθείσης δομής στα πλαίσια του UMTS.