Αλγόριθμοι και νευρωνικά RBF -Δίκτυα σε συστήματα διπολικών έξυπνων στοιχειοκεραίων
Creators: name: Στεφανίδης, Αγγελος Χαραλάμπους
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2008
Subjects: Νευρωνικά δίκτυα
Στοιχειοκεραίες
Εξυπνες κεραίες
Προσδιορισμός διεύθυνσης άφιξης σήματος
Σχηματοποίηση δέσμης ακτινοβολίας
Neural networks
Antenna arrays
Smart antennas
Direction of arrival of signal
Beamforming

description: Το αντικείμενο της εργασίας είναι ο έλεγχος της λειτουργίας και της απόδοσηςτων αλγορίθμων έξυπνων κεραιών Matrix Pencil και Direct Data Domain LeastSquares (D3LS) σε ημικυκλική και σε γραμμική στοιχειοκεραία διπόλων. Μελετήθηκανδύο στοιχειοκεραίες, μία ημικυκλική αποτελούμενη από 13 ισαπέχοντα δίπολα και μίααντίστοιχη γραμμική. Οι κεραίες συντονίστηκαν στη συχνότητα των 2.1 GHz. Οσχεδιασμός και η προσομοίωση τους έγινε με την χρήση ειδικού λογισμικού (FEKOSuite 5.0) και η σύνθεση και εφαρμογή των αλγορίθμων με το λογισμικό MATLAB7.0.1. Για τον έλεγχο της απόδοσης του συστήματος (DOA), προσομοιώθηκε δείγμα600 συνδυασμών εισερχομένων σημάτων (ως προς την διεύθυνση άφιξης). Επίσηςμελετήθηκε η δυνατότητα προσδιορισμού γωνιών άφιξης (DOA), με Νευρωνικό δίκτυοRadial-Basis-Function (RBF) και εφαρμόστηκε η μέθοδος D3LS για την ανάδειξη τωνπροσπιπτόντων σημάτων. Η εργασία περιλαμβάνει τα παρακάτω κεφάλαια:Τα γενικά συμπεράσματα που προκύπτουν από την εργασία συνοψίζονται στα εξής:Όσον αφορά τον προσδιορισμό άφιξης σήματος (DOA) με εφαρμογή τουαλγορίθμου matrix-pencil, προέκυψαν τα εξής:• Η εφαρμογή του matrix-pencil στη γραμμική στοιχειοκεραία δεν παρουσιάζει καλήαπόδοση αν χρησιμοποιηθούν απ’ ευθείας τα σήματα που αναπτύσσονται στηνείσοδο των στοιχείων της κεραίας. Αντίθετα ικανοποιητικά αποτελέσματαλαμβάνονται, όταν οι τάσεις μετασχηματιστούν με χρήση του πίνακα J σε σήματαμιας ισοδύναμης γραμμικής κεραίας σημειακών πηγών(ULVA). Το σφάλμα κατάτον προσδιορισμό της γωνίας άφιξης ξεκινά από 1.55% για ένα σήμα και φθάνειτην τιμή 8.5% για έξι σήματα. Ο συγκεκριμένος μετασχηματισμός είναι ομοναδικός ο οποίος καταφέρνει να εξαλείφει αποτελεσματικά τα φαινόμενααμοιβαίας επαγωγής που επηρεάζουν σε πολύ μεγάλο βαθμό την απόδοση τουαλγορίθμου matrix-pencil. Οι μετασχηματισμοί σε τάσεις ανοιχτού κυκλώματος,μεθόδου των ροπών και ελάχιστου μέτρου δεν εξαλείφουν ικανοποιητικά ταφαινόμενα αμοιβαίας επαγωγής με αποτέλεσμα την κακή απόδοση τουαλγορίθμου.• Ο αλγόριθμος matrix-pencil αποδίδει ικανοποιητικά για μέγιστο πλήθοςεισερχομένων σημάτων ίσο με 6, που αντιστοιχεί σε (Ν+1)/2-1 όπου Ν είναι τοπλήθος των στοιχείων της κεραίας.• Η απόδοση του αλγόριθμου εξαρτάται επίσης από την γωνιακή απόσταση με τηνοποία προσπίπτουν τα σήματα καθώς και από τη διεύθυνση άφιξής τους. Τοσφάλμα ελαχιστοποιείται για γωνιακές αποστάσεις μεγαλύτερες από 5 μοίρες καιγια σήματα που προέρχονται από το κέντρο της περιοχής κάλυψης.• Ένας ακόμη παράγοντας που φαίνεται να επηρεάζει την απόδοση του αλγορίθμουmatrix-pencil, είναι η παράμετρος L (pencil parameter) που καθορίζει το πλήθοςτων υπολογιζόμενων ιδιοτιμών οι οποίες αποτελούν και τις υπολογιζόμενες γωνίεςάφιξης. Διαπιστώθηκε ότι αυξάνοντας το πλήθος των παραγόμενων ιδιοτιμώνκατά ένα και κάνοντας επιλογή των καλύτερων από αυτές, ως γωνίες άφιξης, ηαπόδοση ήταν σχεδόν σε όλες τις περιπτώσεις μεγαλύτερη.Όσον αφορά την επίδοση του αλγόριθμου σε σχέση με τη γεωμετρία και τοείδος των στοιχείων διαπιστώθηκαν τα εξής:Σε όλες τις περιπτώσεις η γραμμική διάταξη έχει μεγαλύτερη απόδοση από τηνημικυκλική διάταξη. Στις στοιχειοκεραίες διπόλων ο βασικός παράγοντας για τηναπόδοση του αλγορίθμου matrix-pencil είναι η εξάλειψη των ισχυρών φαινομένωναμοιβαίας επαγωγής, ενώ η ανομοιομορφία της διάταξης επηρεάζει σε μικρότεροβαθμό.Όσον αφορά την ανάδειξη σήματος με τους αλγορίθμους D3LS,διαπιστώθηκαν τα εξής:• Η απόδοση των D3LS δεν επηρεάζεται από την αύξηση του πλήθους τωνεισερχομένων σημάτων, μέχρι την τιμή 6 που αντιστοιχεί στον μέγιστο ακέραιοπου είναι μικρότερος του Ν/2.• Οι αλγόριθμοι δεν δίδουν ικανοποιητικά αποτελέσματα σε όλες τις περιπτώσεις.Ένας παράγοντας στον οποίον οφείλεται αυτό, είναι το γεγονός ότι ομετασχηματισμός με πίνακα J, εξαλείφει τόσο τα φαινόμενα αμοιβαίας επαγωγής,αλλά εξαλείφει και την παρουσία του ανακλαστήρα, η οποία στην περίπτωσηστοιχειοκεραίας διπόλων είναι καταλυτική για την αποδοτική λειτουργία τους.Σχεδόν σε όλες τις περιπτώσεις ότι ο αλγόριθμος με την μεγαλύτερη απόδοσηείναι ο D3LS_Forward-Backward. Το αποτέλεσμα αυτό οφείλεται στο ότι οαλγόριθμος αυτός χρησιμοποιεί μια τεχνική με την οποία διπλασιάζει τα δεδομέναεισόδου και επομένως και τους βαθμούς ελευθερίας του συστήματος (χωρίς τηναύξηση των στοιχείων της κεραίας).Τέλος όσον αφορά τον προσδιορισμό άφιξης σήματος με νευρωνικά δίκτυαRBF, ικανοποιητικά αποτελέσματα έχουν ληφθεί μόνο για ένα προσπίπτον σήμα μεσφάλμα στον προσδιορισμό άφιξης ίσο με 1,91%.
description: The subject of the current thesis is the study of the operation and themeasuring of the performance of the Matrix Pencil and Direct Data Domain LeastSquares (D3LS) smart antenna algorithms, in semi-circular and linear dipole arrays.We studied two types of arrays, one semicircular consisting of 13 equidistant dipoleantennas one the respective linear one. The antennas were tuned at 2.1 GHz. Aspecific software was used to design and simulate the antennas (FEKO Suite 5.0),while MATLAB 7.0.1 was used to create and run the algorithms. In order to measurethe performance of the system (DOA), we simulated a set of 600 combinations(according to the arrival direction) of incident signals. We also studied the ability ofdetermining the direction of arrival angles (DOA) using an Radial-Basis-Function(RBF) neural network and we applied the D3LS method for beamforming and nule theinterferer signals.The application of the Matrix-Pencil algorithm has led us to the following results:• In the case of the linear array satisfactory performance is not obtained whendirectly the signals induced at the input of the antenna elements were used.In the opposite, we can get satisfactory results by using matrix [J] to transformthe voltages into signals of an equivalent linear virtual antenna of pointsources (ULVA). The error of the calculation the arrival angle ranges from1.55% for one signal to 8.5% for six signals. This transformation is the onlyone that accomplishes to effectively eliminate the mutual couplingphenomena that largely influence the performance of the matrix-pencilalgorithm. The transformation of the voltages into the open-circuited ones viathe Method of Moments and the utilization of the minimum norm voltages, donot eliminate the mutual coupling phenomena that degrade the effectivenessof the algorithm.• The matrix-pencil algorithm performs very well for a number of incomingsignals up to (6), a value which is equal to (N+1)/2-1, where N is the numberof the antenna elements.• The performance of the algorithm also depends on the angular distance of theincident signals. The error is minimized for angular distances larger than 5degrees and for signals coming for the center of the covered area.• Yet one factor that seems to affect the performance of the matrix-pencilalgorithm is the L (pencil) parameter. This parameter’s value substantiallydetermines the amount of the computed eigenvalues that are also the arrivalangles. We found that by increasing the number of the produced values byone and selecting the best as arrival angles the performance was in almost allcases better.When studying the performance of the algorithm with regard to the geometry and thenature of the elements, we came to the following conclusions:• In all cases the linear arrangement has a performance better than that of thesemicircular arrangement.• In dipole arrays the main task to optimize the effectiveness of the matrixpencilalgorithm is to eliminate the powerful mutual coupling, whereas thespace arrangement of the elements is of less influence.While studying the D3LS algorithm we came to the following conclusions:• The performance of the D3LS algorithms are not affected by increasingincoming signals until the value of 6, equal to the larger integer that is lessthan N/2.• These algorithms do not yield satisfactory results in all cases. One of thefactors that lead to this conclusion is that the transformation using the [J]matrix eliminates the mutual coupling phenomena as well as the presence ofthe reflector that is crucial for the performance of bipolar arrays.• In almost all the studied schemes the algorithm with the best performance isthe D3LS_Forward-Backward. This result is mainly due to the fact that it usesa technique that doubles the input data and subsequently the number offreedom degrees of the system without increasing the number of the antennaelements.Finally, while studying the direction of arrival of signals, with Neural Networks RBF,satisfactory results have been received solely for the case of one incident signal,with error value 1.91%.