Anten ve iletim kanalı modeli modelleme yöntemleri ve sistem simülasyon durumlarının genel görünümü

　　İletişim veya radar sistemlerinde antenler, elektromanyetik dalgaların iletilmesi ve alınması rolünü üstlenir. Antenin kalitesi sistemin performansını büyük ölçüde etkiler. Geleneksel teori ve simülasyon teknikleri, genel değerlendirme için iletişim/radar sistemlerinde antenleri nadiren dahil eder. Anten tasarımcıları, anten yönü, verimlilik ve hacim gibi göstergelere odaklanır; anten ile iletim kanalı arasındaki koordinasyonu nadiren dikkate alır ve anten özelliklerinin sistemi nasıl etkileyebileceğine daha da az önem verir.

　　Bu makale, iki farklı sistemdeki anten modelleri arasındaki farkları ve simülasyonun odağını, iletişim terminalleri ve radar sistemlerinde anten ve iletim kanalı modellerinin modellenmesi için endüstri yöntemlerini inceleyerek ve sistem simülasyon vakalarını özetlemektedir.

　　1. İletişim terminallerinde anten modeli

　　Mobil iletişim kanalları ana olarak şu özelliklere sahiptir: açık değişken parametre kanalları, çeşitli parazitlerden kolayca etkilenmelerini sağlar; Alıcı noktaların coğrafi ortamı oldukça karmaşık ve çeşitlidir, kabaca üç kategoriye ayrılır: kentsel, banliyö ve kırsal; Kullanıcılar rastgele hareket kabiliyetine sahip.

　　Mobil iletişim kanallarının yukarıda belirtilen özellikleri nedeniyle, serbest uzaya kıyasla, elektromanyetik dalga yayımı doğrudan dalgalara ek olarak daha fazla kırınım ve saçma dalgası içerir ve farklı kayıp türleri içerir: yol yayılım kaybı, yavaş solan kayıp ve hızlı solan kayıp [1]. Farklı ortamlarda optimal alım sağlamak için, iletişim terminal antenleri mümkün olduğunca her yöne uygun tasarlanır.

　　1.1 Tek Antenli Terminal Anten Modeli

　　İletişim sistemi terminalleri için anten modeli genellikle koordinatları ve kazançlarıyla tanımlanır; Kanal modeli, gürültü, solma ve çoklu yol gibi parametrelerle tanımlanır. Farklı iletişim sistemleri türleri için, anten ve kanal modelleri genellikle kapsamlı değerlendirme için birleştirilir.

　　Aşağıdaki diyagram, ADS yazılımında tanımlanan en yaygın anten ve kanal kullanım kalıplarına referans vermektedir. Kanal (PropGSM), baz istasyonu (AntBase) ile mobil anten (AntMobile) arasında yer alır. Mobil anten göstergeleri yalnızca kazanç, konum ve yükseklik, hız vb. içerir. Varsayılan anten tipi her yöne açıktır ve sistem performansına başlıca katkıda bulunanlar kazanç, çok yol etkileri ve Doppler kaymasıdır.

　　Şekil 1: GSM sistem antenleri ve kanal modeli

　　1.2 MIMO Sistemlerinde Anten Modelleri

　　Mobil iletişimde, çok yollu solma ve Doppler frekans kaymaları gibi faktörler, alınan sinyal kalitesinde düşüşe yol açar. Mobil sinyal kalitesini artırmak için, çift antenli çeşitlilik alım teknolojisi, düşük maliyetle ve düşük uygulama zorluklarıyla sinyal kalitesini önemli ölçüde artırır. Çeşitlilik anteninin kullanılması, en yüksek güçlü sinyalin sonraki işleme veya vektör sinyal sentezi sırasında bulunabilmesi için iki veya daha fazla korelasyonsuz sinyal almaktır. Bu nedenle, antenler arasındaki korelasyon ne kadar düşükse, o kadar iyidir. Antenlerin çalıştığı elektromanyetik ortamlar farklı olduğundan, anten korelasyonu değerlendirilirken kablosuz ortamlar dikkate alınmalıdır. Vericilerin ve engellerin toplam etkisi, farklı yönlerden en güçlü sinyalleri alan antenlerin olasılık dağılımı özelliklerini karakterize eden olasılık yoğunluk fonksiyonu PDF (PDF) kullanılarak tanımlanabilir.

　　Mekânsal çeşitliliğin yanı sıra, polarizasyon çeşitliliği de mevcuttur. Çapraz Polariza Ayırtıcısı (XPD) kullanılarak uzay radyo dalgalarının polarizasyonunu tanımlamaktadır. XPD ne kadar büyükse, phi yönündeki polarizasyon bileşeni o kadar büyüktür; tersine, XPD ne kadar küçükse, theta yönündeki polarizasyon bileşeni o kadar küçüktür.

　　Karmaşık CorrelaTIon, belirli elektromanyetize ve polarize koşullar altında iki anten tarafından alınan benzerlik ortalamasını tanımlamak için kullanılır.

　　EMPro gibi bazı ticari yazılımlar kullanılarak, çift antenli çeşitlilik kabul etkisi göz önüne alındığında, belirli çeşitlilik anten modelleri için PDF ve XPD ayarlanabilir [2].

　　Kablosuz iletişim sistemi simülasyon yazılımında, iletişim sisteminin antenlerini ve kanallarını, ileten ve alıcı antenlerin 3D desen haritalarını ve onların göreli konumlarını, tipik kanal modelleriyle (örneğin WINNER) birleştirerek modellemek mümkün olur; böylece sistem spesifikasyonları simüle edilir. Aşağıdaki şekil, simülasyon veya test için birden fazla anten radyasyon desenini içe aktarmayı destekleyen ve ileten ve alıcı anten dizilerinin iki boyutlu göreceli konumlarını ayarlayabilen sistem simülasyon yazılımı SystemVue'deki WINNER II kanal modelini göstermektedir.

　　Şekil 2. WINNER kanalı MIMO anten modeli kurulumu

　　SAM insan başı modelleri dikkate alınarak saf uzak alan telefon radyasyon desenleri ve telefon navigasyon haritaları ithal edilerek, ideal ve gerçek çalışma senaryoları arasında sistem kapasitesinin karşılaştırılmasına olanak tanıyan iki kanal modelleri oluşturulur [3]. Bu şekilde, gerçek anten deseni ve anten düzeni kanal modeline entegre edilebilir ve anten performansının sistem metriklerini etkilemesine olanak tanır.

　　Anten ve kanal modelleri sadece simülasyon yazılımında uygulanmakla kalmaz, aynı zamanda standart testlere katılmak için gerekli test koşulları olarak da hizmet eder. Tipik bir durum Keysight'ın İki Adımlı Radyasyon Yöntemi (RTS) yöntemidir.

　　İki aşamalı radyasyon yöntemi, MIMO OTA testini iki aşamaya ayırır: birinci aşama, karanlık bir odada terminal radyasyon desenini ölçmek ve terminalin raporlama fonksiyonunu kullanarak DUT'un radyasyon desenini elde etmek; İkinci aşamada, birinci aşamada ölçülen radyasyon deseni bilgisi kanal simülatörüne yüklenir ve test edilen nesnenin anten özelliklerini içeren kablosuz bir kanal simüle edilir. Baz istasyonu simülatöründen çıkan downlink sinyali önce DUT'nin yön haritası bilgilerini yükler

　　Şekil 3: İki aşamalı radyasyon test yönteminin diyagramı

　　Kablosuz kanal, alıcının performans testlerini yapmak için ölçüm anteniyle karmaşık ve iletilir.

　　İki aşamalı radyasyon yöntemi ile CTIA MIMO OTA ölçüm standardı haline gelen çoklu prob yöntemi (MPAC) ölçümleri arasındaki tutarlılık 3GPP tarafından tanınmıştır. Mayıs 2017'de sonuçlanan 3GPP RAN4 toplantısında resmi bir sonuç onaylandı[4].

　　2, radar sistemlerinde anten modelleri

　　Mobil terminallerdeki omnidirectional antenlerin aksine, radar sistemlerinin anten ışın genişlikleri genellikle birkaç dereceden on dereceden fazla değişir. Radar sistemleri hem arama hem de takip modunda çalışır ve ışın yönünün hassas modellemesini gerektirir [5].

　　Geleneksel simülasyon sistemleri, radar sisteminin sinyal akış seviyesini simüle etmeye odaklanır; sinyal iletim yolu ve sinyal işleme sonuçlarını dikkate alırken, anten desen desenleri ve yönlendirme etkilerinin radar sistemi üzerindeki etkisi dikkate alınmaz. Örneğin, VSS'de hedefin mesafesi ve hızı göz önüne alındığında, verici anteni kazanç modeline basitleştirilir ve bu sadece alıcının aldığı sinyal seviyesini etkiler. Bu sistem simülasyon mimarisinde, antenanın yalnızca bazı parametreleri (örneğin yansıma katsayısı, empedans vb.) zincirli RF sistemiyle ilişkilendirilebilir.

　　Karmaşık uygulama senaryoları için, dinamik platformun (gemiler, uçaklar veya savaş araçları gibi) ve antenlerin konum bilgilerini dikkate almak gereklidir. Sistem simülasyon yazılımı SystemVue, sinyal analizinin yanı sıra, hareket eden platformun konumunu (örneğin jeosentrik atalet sistemi), hız bilgisi ve faz dizisi radar sisteminin anten konum bilgisini analiz için dahil edebilen hiyerarşik bir tasarım çözümü sunar. Bu platform, çoklu hedef ve çok istasyonlu radarları ile çoklu anten konfigürasyonunu yapılandırabilir.

　　Şekil 4. Radar sistemi için üç katmanlı simülasyon kurulumunun şeması

　　Sinyal katmanında, antenin çalışma modunu (arama veya izleme), anten radyasyon desenini ve diğer temel göstergeleri ayarlayın; Anten katmanında, radar hedef konumu, radar platformunun eğim açısı, eğim açısı ve yaw açısı belirlenir. Antenin radar platformu içindeki eğim, eğim ve yaw açıları belirlenir; Yörünge katmanında, radar verici verici platformu ve hedefin konumu (boylam, boyut, irtifa), yön, hız, ivme ve hareket yörüngesi gibi bilgiler ayrı olarak belirlenir. Farklı koordinat sistemleri altında dönüşüm yaparak antenin radyasyon deseni, radar platformu ve hedef hareket yörüngesi bilgileri kapsamlı şekilde ele alınır.

　　EW alıcı testi örneği, radarın karmaşık uygulama senaryolarını göstermek için kullanılabilir. Sahnede, EW alıcısı (EW Rx) uzaydaki dört radar istasyonunu izlemek için kullanılır. EW alıcısının görevi, tüm bu sinyalleri tespit etmek, her sinyali tanımlamak ve her radar istasyonunun konumunu, hızını, zaman dalga formunu ve frekans içeriğini organize etmektir.

　　Şekil 5: EW alıcı test senaryosu

　　Bir EW alıcısını test etmek için test sinyali oluşturulmalıdır; bu sadece birden fazla zaman dalga formunun üst üste bindirilmesi anlamına gelmez. EW alıcıları uçaklara, arabalara veya savaş gemilerine takılabilirken, bu test sinyallerini üretmek için kullanılan araçlar kullanıcıların EW Rx istasyonunun konumunu, hızını, hareket yörüngeğini ve diğer detaylarını belirtmesine izin vermelidir. Ayrıca, her radar istasyonu için araç kullanıcıların konumunu, hızını, zaman dalga formunu, frekansını, anten çalışma modunu ve benzerlerini belirtmesine izin vermelidir [6].

　　Kesin çevresel modelleme gerekiyorsa, Simulink ve SystemVue gibi sinyal katmanı simülasyon yazılımları bunu başaramaz. STK gibi profesyonel senaryo simülasyon yazılımlarının kullanılarak hedef duruşları ve ortamları modellenerek daha gerçekçi hedef özellikleri elde edilebilir.

　　Şekil 6'da gösterildiği gibi, SystemVue doğrusal FM darbe sinyali kaynağı üretmek için kullanılır ve RF cihazlarından gelen doğrusal olmayanlık ve gürültü gibi faktörler RF iletim yoluyla eklenir. Zaman alanı sinyali STK yazılımına arayüz üzerinden girer. STK, dış mekan arazisi ve arazi şekillerini, ayrıca uçağın hareket yörüngileri ve uçuş tutumları gibi göstergeleri önceden tanımlar. Radar takip modunda, uçağı mümkün olduğunca ışınlarla aydınlatmayı hedefliyor, uçak ise radar algılamasından kaçmak için çeşitli manevralar yapıyor. Tüm sahne için zaman alanı sinyalleri, radar tespit olasılığı sonradan işlem programlarıyla elde edilen SystemVue yazılımına geri gönderilir.

　　Şekil 6: STK eklem simülasyonunun şematik diyagramı

　　3, Sonuç

　　İletişim veya radar sistemlerinde antenlerin artık izole görünmediği, iletişim kanalları ve radar kullanım senaryolarıyla yakından entegre olduğu ve birlikte çalıştığı açıktır. Anten tasarımcıları ve iletişim/radar sistemi tasarımcıları, anten özelliklerini sistem tasarımına entegre etmek için mevcut ticari yazılım ve olgun teorileri kullanabilseyse, ortak hata ayıklama riskini önemli ölçüde azaltabilir ve ürün tasarımını hızlandırabilirler.