Вопросы интеграции: технология программно-определяемых антенн. Часть 1

 Программно-определяемая антенная система обеспечивает возможность реконфигурации антенны. Антенна может быть динамически оптимизирована для компенсации изменений в радио протоколе, канале распространения и других вариаций в рабочей среде. Они особенно полезны, когда используются сотовые системы или Wi-Fi. По сравнению с широко распространенными пассивными антеннами, программно-определяемая антенна может обеспечить функцию управления положением диаграммы направленности антенны, которая будет направлять больше усиления на устройстве или стороне клиента коммуникационного канала. Кроме того, прямое излучение, генерируемое для управления направленности антенны, обеспечивает уменьшение помех для источников помех, которые выходят за пределы основного направления антенной системы.

Это улучшение на желаемом узле вместе с подавлением помех позволяет оптимизировать как сигнал, так и помехи, что в свою очередь улучшает соотношение сигнал-помеха-плюс-шум (SINR). Мы используем термин «система» для описания программно-определяемой антенны, так как это на самом деле системный подход - где алгоритм, метрики радиосистемы и настраиваемые компоненты все должны рассматриваться вместе для реализации этой оптимизированной техники.

Инновации и доступность компонентов

Программно-определяемые антенны стали более доступными за последние годы благодаря инновациям по двум фронтам: RF тюнинговые компоненты и разработки чипсетов RF модемов. Большое разнообразие RF тюнинговых компонентов – и производственные технологии для поддержки этих компонентов – все это очень сильно развилось за последние восемь-десять лет, при этом список компонентов включает РЧ-переключатели, РЧ-настраиваемые конденсаторы, переключатели и настраиваемые конденсаторы, BST-настраиваемые конденсаторы и PIN-диоды.

На поле чипсетов для 4G и Wi-Fi модемов доступны метрики для динамической оптимизации в режиме реального времени с умеренной и низкой задержкой, как правило, включая SINR и индикатор качества канала (CQI). Такие метрики могут быть использованы для принятия решений относительно наиболее оптимального состояния настройки антенной системы.

Время – важнейшая составляющая

Для оптимизации программно-определяемой антенны для устройств с управлением направления луча, для успеха ключевым моментом является время. Вот основные показатели времени:

• Излучаемая волна EM от антенны перемещается на один метр в 3 NSEC (одна миллиардная часть секунды)
• Типичный тюнинговый компонент, используемый для настройки программно-определяемой антенны, может переключаться в 1 µ сек (одна миллионная часть секунды)
• Метрики из полосы чипсета радио могут быть обновлены в несколько сотен µ сек
• Алгоритм "процесс принятия решений" может потребовать от 1 до 50 Мс (одна тысячная часть секунды)

Цель заключается в том, чтобы попробовать разные состояние луча антенны за 1 µsec переключения, собрать и изучить полосы метрик (сотни µsecs) и оптимизировать для передачи и получения по каналу коммуникации за Мс.

Если посмотреть на время с другой точки зрения, канал распространения колеблется из-за мобильности клиентского устройства, и эти флуктуации в передающемся или получаемом сигнале зависят от частоты, чем выше частоты, тем более быстрые флуктуации. Цель – оптимизировать программно-определяемую антенну как можно быстрее за счет сближения с оптимальным состоянием луча. Факторы, определяющие этот временной график оптимизации, это задержка метрик основной полосы частот, эффективность алгоритма и операционная частота.

Рис.1 показывает концепцию наносекунд через функции миллисекунд, которые собираются в процессе оптимизации программно-определяемой антенны, реализуемой алгоритмом. 

 

Антенна + Радио вместе = Лучшая эффективность  

Разработчики беспроводных потребительских устройств постоянно вынуждены создавать все меньшие по размеру устройства при их возрастающей функциональности. Сотовый роутер, содержащий программно-определяемые антенны, не является исключением. Кроме уменьшения размера, есть еще другие серьезные причины интегрировать радио модем с системой программно-определяемой антенны.

За счет интегрирования радио модема и программно-определяемых антенн потери RF кабеля могут быть минимизированы, как и вес, и стоимость. Кроме того, кабель с цифровым управлением, используемый для обеспечения контроля сигналов для настраиваемых компонентов в системе антенны, может быть укорочен из соображений стоимости и веса. Так как программно-определяемая антенна является электронно-настраиваемой системой, то в ней должна быть печатная плата, связанная с антенной; за счет объединения радио модема и программно-определяемой антенны в единый корпус, печатные схемы могут быть объединены в единую плату или штабелированную печатную плату, что позволит минимизировать размер устройства. Единый пластиковый корпус может завершить продукт. Алгоритм должен быть настроен для синхронизации и оптимизации программно-определяемой антенны с конкретным радио модемом, и этот алгоритм должен находиться на процессоре в модеме или находиться с программно-определяемой антенной.