Ключова особливість ЦАР - цифрове формування променів діаграми спрямованості (ДС) антени. У задачах зв'язку це дозволяє динамічно оптимізувати зону покриття, що обслуговується, оперативно перенацілюючи цифрові приймально-передавальні промені (рис. 1.5) у залежності від територіального розподілу абонентів. Сузір'я променів, синтезоване, наприклад, по алгоритмах швидкого перетворення Фур'є або за допомогою класичних процедур дискретного Фур'є-аналізу, є, по суті, сукупністю просторово-частотних фільтрів, кожний з яких селектує строго визначений набір сигналів і придушує інші, сприймані як завадові.

Технологія ЦДУ істотно поліпшує якість зв'язку в умовах багатопроменевого поширення радіохвиль, а також значно підвищує перешкодозахищеність системи при інтенсивних радіозавадах. Це досягається тим, що характеристики цифрових фільтрів в антенних каналах практично ідентичні.

Рис. 1.5. Адаптивна стратегія в керуванні ДС антенної системи базової станції.

Розкид же характеристик фільтрів приводить до того, що при виникненні випадкової перешкоди в кожнім з каналів з'являється мультиплікативний завадовий сигнал, пропорційний добутку амплітуди перешкоди на відхилення характеристик вхідного фільтра від номінального значення. Мультиплікативні ж завади, що виявляються як завмирання сигналу, набагато неприємніше адитивних. Дійсно, від адитивного шуму, однакового в кожнім з каналів, можна позбутися, ідентифікуючи його як загальну складову сигналу у всіх каналах і віднімаючи його із сигнальної суміші. Мультиплікативний же завадовий сигнал компенсувати неможливо. Однак завдяки комплексному використанню ЦДУ та сучасних стандартів зв'язку мультиплікативні завади вдається мінімізувати.

Крім того, ЦДУ сприяє і збільшенню динамічного діапазону приймальних антен. Дійсно, при синфазному додаванні сигналів у кожнім з каналів антенної решітки в процесі ЦДУ дисперсія (середня потужність) шуму росте пропорційно числу каналів антенної решітки R, а потужність сигналу (пропорційна квадрату амплітуди) - пропорційно R2. Отже, відношення сигнал/шум після ЦДУ зросте в R раз, що підвищує чутливість системи, а виходить, і динамічний діапазон (відношення амплітуди максимального сигналу до мінімального). У результаті “нулі” ДС у напрямках джерел завад (рис. 1.6.) формуються без “напливу” провалів, звичайних при недостатньому динамічному діапазоні приймального модуля. У ФАР якість придушення завад обмежено неідентичністю фазообертачів і малою розрядністю їхніх схем керування (звичайно 5-7 розрядів), тоді як у ЦАР уже використовуються 14-розрядні АЦП. Багаточисельні експерименти підтверджують можливість придушення активної шумової завади в 8-елементної ЦАР більш ніж на 30 дБ не тільки по бічних пелюстках, але й у головному промені ДС при середньоквадратичному відхиленні коефіцієнтів підсилення аналогових приймальних каналів 0,5 дБ і величині фазових помилок не більш 30 [4].

Рис. 1.6. Адаптивна діаграма спрямованості з “нулями” в напрямках 2 джерел завад.

ЦАР на базових станціях стільникового зв'язку дозволяють істотно збільшувати їхню пропускну спроможність за рахунок одночасного багатопроменевого прийому сигналів у всьому робочому секторі. При цьому можливо досягнення надрелеївської здатності, що дозволяє, по напрямках приходу сигналів, частоті і часу затримки. Таке розрізнення, наприклад, за кутовою координатою для 2 точкових джерел у лінійної ЦАР забезпечує метод MUSIC [5], що зводиться до пошуку локальних максимумів вирішальної функції Н(х) у просторі променів ДС (рис. 1.7). Неважко помітити, що, на відміну від традиційної обробки, метод Кейпона чітко видає 2 відособлених відгуки.

Рис. 1.7. Надрелеївське розрізнення сигналів за напрямком їх приходу методом MUSIC.

Відомо вже досить багато методів над розрізнення, реалізація яких, у залежності від відношення сигнал/шум, дозволяє роздільно селектувати до десяти і більш точкових об'єктів у межах головного пелюстка приймальної діаграми спрямованості ЦАР.

З урахуванням властивостей:

Внаслідок зазначеного, система зв'язку на базі технології ЦДУ має можливості для ефективного вирішення наступних складних завдань [9]:

- поліпшення відношення сигнал/завада завдяки формуванню “нулів” ДС у напрямках завадових сигналів, у тому числі від сусідніх бортових та наземних станцій, навіть у головних пелюстках ДС;

- придушення завадових сигналів, що виникають у разі багатопроменевого поширення радіохвиль, істотне зниження глибини федінгової модуляції;

- досягнення максимальної ефективності систем множинного доступу з частотним (Frequency Division Multiple-Access, FDMA), часовим (Time Division Multiple Access, ТDMA), кодовим (Code Division Multiple Access, CDMA) та просторовим ущільненням (Space Division Multiple Access, SDMA);

- інтеграція в єдину інформаційну систему різних за функціональним призначенням підсистем, а саме радіонавігації, радіозв'язку тощо;

- підвищення інтенсивності корисних сигналів шляхом фокусування максимумів ДС у напрямках рухомих кореспондентів;

- вирішення проблеми електромагнітної сумісності.

Таким чином, впровадження технології ЦДУ дозволяє істотно поліпшити пропускну спроможність каналів зв'язку та досягти високого рівня завадозахищеності телекомунікаційних магістралей, стійкого їх функціонування в умовах багатопроменевого поширення радіохвиль та наявності активних завад штучного походження.

3. Закордонні концепції побудови систем мобільного зв'язку

Серед проектів, націлених на реалізацію технології концепції ЦДУ в системах мобільного зв'язку, насамперед відзначити TSUNAMI-І(ІІ) [10]. У рамках проекту TSUNAMI (Technology in Smart Antennas for Universal Advanced Mobile Infrastructure) консорціумом фірм на чолі з ERA Technology Ltd. (Великобританія) [10] був виготовлений і випробуваний демонстратор приймально-передавальної 8-канальної ЦАР, що функціонує в частотному діапазоні 1710-1880 МГц. На другому етапі робіт (TSUNAMI-II), що завершились у 1999 р., система з адаптивною ЦАР була розгорнута в складі базової станції діючої стільникового зв'язку стандарту DCS-1800 у районі м. Брістоля (рис. 1.8). Перевірка якості, що відбулася при цьому, супроводу мобільних адресатів в умовах впливу стаціонарних джерел завад підтвердила переваги технології ЦДУ.' використання спеціалізованого модуля ЦДУ DBF 1108 розробки ERA Technology Ltd., що дозволяє обробляти комплексні виходи 128 каналів з часом синтезування діаграми спрямованості ЦАР 250 нс.

Рис. 1.8. Проект TSUNAMI: 8-канальна ЦАР у складі станції DCS-1800.

У ході випрообувань пройшла апробацію система цифрової корекції характеристик прийомних каналів, покликана компенсувати технологічний розкид в параметрах антенних елементів і приймально-передавальних трактів. При цьому розроблювачі зштовхнулися з необхідністю більш ретельно витримувати ідентичність амплітудно- і фазочастотних характеристик каналів ЦАР. Зокрема, було встановлено, що розкид коефіцієнтів підсилення каналів 0,5 дБ при фазовій помилці 30 не дозволяє придушити заваду в 8-елементній решітці більш, ніж на 30 дБ [18].

У ході наступного етапу робіт (TSUNAM I(II)) було розгорнуто адаптивну антену у складі діючої базової станції стільникового зв'язку DCS-1800 та перевірено якість супроводу мобільного джерела повідомлень в умовах впливу джерел завад для відпрацювання інфраструктури 3-го покоління мобільних систем стандарту UMTS.

Ще до завершення TSUNAM I(II), компанія ERA Technology Ltd. ініціювала новий проект “Сонячний промінь” (SUNBEAM, Smart UNiversal BEAMforming), покликаний перебороти обмеження TSUNAM I(II) [11]. Його основною метою є відпрацьовування питань ЦДУ в широкій смузі частот з можливістю повної мультистандартної підтримки протоколів UMTS (Universale Mobile Telephone Service), що мають смугу частот до 5 МГц. В рамках проекту розглядаються нові підходи до побудови приймально-передавальних засобів з програмною реконфігурацією архітектури (Software Radio, SR). Базова SR-станція, на думку учасників проекту SUNBEAM, повинна мати основні технічні характеристики представлені в табл. 1.1 [39].

Таблиця 1.1.

Технічні характеристики базової станції проекту SUNBEAM.

Метою проекту SUNBEAM є дослідження більш раціональних архітектурних рішень і можливості пом'якшення пропонованих вимог до характеристик обладнання базових станцій в інтересах впровадження ЦДУ вже в найближчі роки. Результатом такого підходу до проектування з'явилося відпрацьовування схемотехнічних рішень, що дозволяють просунутися в реалізації широкосмугового ЦДУ в рамках серійної елементної бази.

Окремі учасники SUNBEAM ведуть власні проекти з освоєння технології ЦДУ. Так, французька компанія Thomson CSF Communications у кооперації з іншими європейськими фірмами здійснювала розробку ЦАР для мобільного зв'язку в рамках дворічного проекту ADAMO (Adaptive Antenna for Mobil's) [12]. При цьому в якості антенної решітки для базової станції зв'язку використана 6-панельна ЦАР, що містить по 4 вертикально розташованих елементи в кожній панелі (рис. 1.9). Ширина променя в азимутальній площині складає 700 за рівнем -3 дБ, коефіцієнт підсилення 4-елементної панелі досягає 30 дБ, рівень перших бічних пелюстків не перевищує -12 дБ. ADAMO орієнтований на перспективні стандарти зв'язку HIPERLAN (High Perfomance Radio Local Area Network) зі швидкістю передачі 23,5 Мбіт/с на канал і центральними несучими 5,2 або 17,2 ГГц [13, 14].