مروری بر روش های مدل سازی آنتن و کانال انتقال و موارد شبیه سازی سیستم

　　برای سیستم های ارتباطی یا راداری، آنتن ها نقش ارسال و دریافت امواج الکترومغناطیسی را ایفا می کنند. کیفیت آنتن تأثیر زیادی بر عملکرد سیستم دارد. نظریه ها و تکنیک های شبیه سازی سنتی به ندرت آنتن ها را در سیستم های ارتباطی/راداری برای بررسی کلی وارد می کنند. طراحان آنتن بر شاخص هایی مانند جهت داری، کارایی و حجم آنتن تمرکز می کنند و به ندرت هماهنگی بین آنتن و کانال ارسال را در نظر می گیرند و حتی کمتر به تأثیر ویژگی های آنتن بر سیستم توجه می کنند.

　　این مقاله تفاوت های بین مدل های آنتن در دو سیستم مختلف و تمرکز شبیه سازی را با مطالعه روش های صنعتی مدل سازی مدل های آنتن و کانال های انتقال در ترمینال های ارتباطی و سیستم های راداری، همچنین موارد شبیه سازی سیستم ها خلاصه می کند.

　　۱. مدل آنتن در ترمینال های ارتباطی

　　کانال های ارتباطی سیار عمدتا ویژگی های زیر را دارند: کانال های پارامتر متغیر باز که آن ها را به راحتی تحت تأثیر تداخل های مختلف قرار می دهد؛ محیط جغرافیایی نقاط دریافت بسیار پیچیده و متنوع است و تقریبا به سه دسته تقسیم می شود: شهری، حومه ای و روستایی؛ کاربران تحرک تصادفی دارند.

　　به دلیل ویژگی های فوق کانال های ارتباطی متحرک، نسبت به فضای آزاد، انتشار موج الکترومغناطیسی شامل امواج پراش و پراکندگی بیشتری علاوه بر امواج مستقیم است، همراه با انواع مختلفی از افت: از دست دادن انتشار مسیر، افت محو شدن آهسته و افت سریع محو شدن [1]. برای دستیابی به دریافت بهینه در محیط های مختلف، آنتن های ترمینال ارتباطی تا حد امکان همه جهته طراحی شده اند.

　　۱.۱ مدل آنتن ترمینال تک آنتن

　　برای ترمینال های سیستم ارتباطی، مدل آنتن معمولا بر اساس مختصات و بهره آن تعریف می شود؛ مدل کانال با پارامترهایی مانند نویز، تضعیف و چندمسیره تعریف می شود. برای انواع مختلف سیستم های ارتباطی، مدل های آنتن و کانال اغلب برای بررسی جامع ترکیب می شوند.

　　نمودار زیر به رایج ترین الگوهای استفاده از آنتن و کانال که در نرم افزارهای ADS توصیف شده اند، اشاره دارد. کانال (PropGSM) بین ایستگاه پایه (AntBase) و آنتن سیار (AntMobile) قرار دارد. شاخص های آنتن موبایل فقط شامل بهره، موقعیت و ارتفاع، سرعت و غیره هستند. نوع پیش فرض آنتن همه جهته است و عوامل اصلی عملکرد سیستم شامل بهره، اثرات چندمسیره و شیفت داپلر هستند.

　　شکل ۱: مدل آنتن و کانال سیستم GSM

　　۱.۲ مدل های آنتن در سیستم های MIMO

　　در ارتباطات موبایل، عواملی مانند تضعیف چندمسیره و تغییر فرکانس داپلر منجر به کاهش کیفیت سیگنال دریافتی می شوند. برای بهبود کیفیت سیگنال موبایل، فناوری دریافت تنوع دو آنتن به طور قابل توجهی کیفیت سیگنال را با هزینه کم و با دشواری پیاده سازی پایین بهبود می بخشد. استفاده از آنتن تنوع به معنای دریافت دو یا چند سیگنال غیرهمبسته است، به طوری که سیگنال با بالاترین قدرت در پردازش بعدی یا سنتز سیگنال برداری قابل شناسایی است. بنابراین، هرچه همبستگی بین آنتن ها کمتر باشد، بهتر است. از آنجا که محیط های الکترومغناطیسی که آنتن ها در آن ها کار می کنند متفاوت است، محیط های بی سیم باید هنگام ارزیابی همبستگی آنتن در نظر گرفته شوند. اثر کلی فرستنده ها و موانع را می توان با استفاده از تابع چگالی احتمال PDF (PDF) توصیف کرد که ویژگی های توزیع احتمال آنتن هایی را که قوی ترین سیگنال ها را از جهات مختلف دریافت می کنند، مشخص می کند.

　　علاوه بر تنوع فضایی، تنوع قطبش نیز وجود دارد. استفاده از تمایز قطبی-قطبی (XPD) برای توصیف قطبش امواج رادیویی فضایی. هرچه XPD بزرگ تر باشد، مؤلفه قطبش در جهت فی بزرگ تر است؛ برعکس، هرچه XPD کوچکتر باشد، مؤلفه قطبش در جهت تتا کوچکتر است.

　　Complex CorrelaTIon برای توصیف میانگین شباهت دریافتی توسط دو آنتن تحت شرایط خاص الکترومغناطیسی و قطبیده استفاده می شود.

　　با استفاده از برخی نرم افزارهای تجاری مانند EMPro، امکان تنظیم PDF و XPD برای مدل های آنتن تنوع خاص وجود دارد، با در نظر گرفتن اثر دریافت تنوع آنتن دوگانه [2].

　　در نرم افزارهای شبیه سازی سیستم های ارتباطی بی سیم، امکان مدل سازی آنتن ها و کانال های سیستم ارتباطی با وارد کردن نقشه های الگوی سه بعدی آنتن های فرستنده و دریافت کننده و موقعیت نسبی آن ها همراه با مدل های کانال معمولی (مانند WINNER) وجود دارد که بدین ترتیب مشخصات سیستم را شبیه سازی می کند. شکل زیر مدل کانال WINNER II را در نرم افزار شبیه سازی سیستم SystemVue نشان می دهد که از وارد کردن چندین الگوی تابش آنتن برای شبیه سازی یا آزمایش پشتیبانی می کند و می تواند موقعیت نسبی دوبعدی آرایه های آنتن فرستنده و گیرنده را تنظیم کند.

　　شکل ۲. پیکربندی مدل آنتن MIMO کانال WINNER

　　با وارد کردن الگوهای تابش تلفنی خالص در میدان دور و نقشه های ناوبری تلفنی با در نظر گرفتن مدل های سر انسانی سام، مدل های دو کاناله ایجاد می شوند که امکان مقایسه ظرفیت سیستم بین سناریوهای ایده آل و واقعی را فراهم می کنند [3]. به این ترتیب، الگوی واقعی آنتن و چیدمان آنتن می تواند در مدل کانال ادغام شود و عملکرد آنتن بر معیارهای سیستم تأثیر بگذارد.

　　مدل های آنتن و کانال نه تنها می توانند در نرم افزارهای شبیه سازی به کار روند، بلکه به عنوان شرایط آزمایشی لازم برای شرکت در آزمایش های استاندارد نیز عمل می کنند. یک مورد معمول، روش تابش دو مرحله ای Keysight (RTS) است.

　　روش تابش دو مرحله ای، آزمایش MIMO OTA را به دو مرحله تقسیم می کند: مرحله اول شامل اندازه گیری الگوی تابش انتهایی در یک محفظه تاریک و استفاده از عملکرد گزارش دهی ترمینال برای به دست آوردن الگوی تابش DUT است؛ در مرحله دوم، اطلاعات الگوی تابش اندازه گیری شده در مرحله اول در شبیه ساز کانال بارگذاری می شود و یک کانال بی سیم را شبیه سازی می کند که شامل ویژگی های آنتن جسم مورد آزمایش است. سیگنال خروجی از شبیه ساز ایستگاه پایه ابتدا اطلاعات نقشه جهت DUT را بارگذاری می کند

　　شکل ۳: نمودار روش آزمون تابش دو مرحله ای

　　کانال بی سیم پیچیده شده و توسط آنتن اندازه گیری ارسال می شود تا آزمایش های عملکرد گیرنده انجام شود.

　　سازگاری بین روش تابش دو مرحله ای و روش چندپروب (MPAC) که به استاندارد اندازه گیری CTIA MIMO OTA تبدیل شده است، توسط 3GPP به رسمیت شناخته شده است. نتیجه گیری رسمی در نشست 3GPP RAN4 که در مه ۲۰۱۷ برگزار شد، تصویب شد[4].

　　2، مدل های آنتن در سیستم های راداری

　　برخلاف آنتن های همه جهته روی ترمینال های متحرک، سیستم های راداری معمولا پهنای پرتو آنتن هایی از چند تا بیش از ده درجه دارند. سیستم های راداری هم در حالت جستجو و هم در حالت ردیابی عمل می کنند و نیازمند مدل سازی دقیق جهت پرتو هستند [5].

　　سیستم های شبیه سازی سنتی عمدتا بر شبیه سازی سطح جریان سیگنال سیستم رادار تمرکز دارند و مسیر انتقال سیگنال و نتایج پردازش سیگنال را در نظر می گیرند، بدون توجه به تأثیر الگوهای الگوهای آنتن و جهت گیری بر سیستم رادار. برای مثال، در VSS، با در نظر گرفتن فاصله و سرعت هدف، آنتن فرستنده-گیرنده به مدل بهره ساده می شود که فقط سطح سیگنال دریافتی توسط گیرنده را تحت تأثیر قرار می دهد. در این معماری شبیه سازی سیستم، تنها برخی پارامترهای آنتن (مانند ضریب بازتاب، امپدانس و غیره) می توانند با سیستم RF آبشاری مرتبط شوند.

　　برای سناریوهای کاربردی پیچیده، لازم است اطلاعات موقعیت پلتفرم دینامیک (مانند کشتی ها، هواپیماها یا وسایل نقلیه رزمی) و آنتن ها در نظر گرفته شود. نرم افزار شبیه سازی سیستم SystemVue یک راه حل طراحی سلسله مراتبی ارائه می دهد که علاوه بر تحلیل سیگنال، می تواند موقعیت سکوی متحرک (مانند سامانه مختصات اینرسی ژئوسنتریک)، اطلاعات سرعت و اطلاعات موقعیت آنتن سیستم رادار آرایه فازی را برای تحلیل نیز در بر گیرد. این پلتفرم می تواند رادارهای چندهدفه و چند ایستگاهی و همچنین پیکربندی چند آنتن را پیکربندی کند.

　　شکل ۴. شماتیک راه اندازی شبیه سازی سه لایه برای سیستم راداری

　　در لایه سیگنال، حالت عملکرد آنتن (جستجو یا ردیابی)، الگوی تابش آنتن و سایر شاخص های پایه را تنظیم کنید؛ در لایه آنتن، موقعیت هدف رادار و همچنین زاویه شیب دار، زاویه گام و زاویه یاو سکوی رادار تنظیم می شود. زاویه های شیب دار، پیچ و یاو آنتن در داخل سکوی رادار تنظیم می شوند؛ در لایه مسیر، اطلاعاتی مانند موقعیت (طول جغرافیایی، بعد، ارتفاع)، جهت، سرعت، شتاب و مسیر حرکت پلتفرم فرستنده-گیرنده رادار و هدف به طور جداگانه تنظیم می شوند. با تبدیل تحت سیستم های مختصات مختلف، الگوی تابش، پلتفرم رادار و اطلاعات مسیر حرکت هدف آنتن به طور جامع بررسی می شود.

　　مثال آزمایش گیرنده EW می تواند برای نشان دادن سناریوهای پیچیده کاربرد رادار استفاده شود. در این صحنه، گیرنده EW (EW Rx) برای پایش چهار ایستگاه رادار در فضا استفاده می شود. وظیفه گیرنده EW شناسایی همه این سیگنال ها، شناسایی هر سیگنال و سازماندهی موقعیت، سرعت، موج زمانی و محتوای فرکانسی هر ایستگاه رادار است.

　　شکل ۵: سناریوی آزمایش گیرنده EW

　　برای آزمایش گیرنده EW، باید سیگنال آزمایشی تولید شود که صرفا به معنای پوشاندن چندین موج زمانی نیست. از آنجا که گیرنده های EW ممکن است روی هواپیماها، خودروها یا ناوهای جنگی نصب شوند، ابزارهای مورد استفاده برای تولید این سیگنال های آزمایشی باید به کاربران اجازه دهند مکان، سرعت، مسیر حرکت و سایر جزئیات ایستگاه EW Rx را مشخص کنند. علاوه بر این، برای هر ایستگاه رادار، ابزار باید به کاربران اجازه دهد موقعیت، سرعت، شکل موج زمانی، فرکانس، حالت عملکرد آنتن و غیره را مشخص کنند [6].

　　اگر مدل سازی دقیق محیطی لازم باشد، نرم افزارهای شبیه سازی لایه سیگنال مانند Simulink و SystemVue نمی توانند این کار را انجام دهند. استفاده از نرم افزارهای حرفه ای شبیه سازی سناریو مانند STK برای مدل سازی وضعیت ها و محیط های هدف می تواند به ویژگی های واقعی تر هدف دست یابد.

　　همان طور که در شکل ۶ نشان داده شده، SystemVue برای تولید منبع سیگنال پالس FM خطی استفاده می شود و عواملی مانند غیرخطی بودن و نویز دستگاه های RF از طریق مسیر انتقال RF اضافه می شوند. سیگنال حوزه زمان از طریق رابط وارد نرم افزار STK می شود. STK زمین های بیرونی و شکل های زمین را از پیش تعریف می کند، همچنین شاخص هایی مانند مسیرهای حرکت هواپیما و وضعیت پرواز. رادار در حالت ردیابی قرار دارد و هدف آن روشن کردن هرچه بیشتر پرتوها به هواپیما است، در حالی که هواپیما مانورهای مختلفی برای فرار از شناسایی رادار انجام می دهد. سیگنال های حوزه زمانی برای کل صحنه به نرم افزار SystemVue بازگردانده می شوند، جایی که احتمال شناسایی رادار از طریق برنامه های پس پردازش به دست می آید.

　　شکل ۶: نمودار شماتیک شبیه سازی مفصل STK

　　3, نتیجه گیری

　　واضح است که در سیستم های ارتباطی یا راداری، آنتن ها دیگر به صورت جداگانه ظاهر نمی شوند بلکه به طور نزدیک با کانال های ارتباطی و سناریوهای استفاده از رادار یکپارچه شده اند و با هم کار می کنند. اگر طراحان آنتن و طراحان سیستم های ارتباطی/راداری بتوانند از نرم افزارهای تجاری موجود و نظریه های بالغ برای ادغام ویژگی های آنتن در طراحی سیستم بهره ببرند، می توانند به طور قابل توجهی خطر اشکال زدایی مشترک را کاهش داده و طراحی محصول را تسریع کنند.