Εκτίμηση DoA σημάτων σε χώρο τριών διαστάσεων για συστήματα ευφυών κεραιών:
Creators: name: Μουστάκας, Ευάγγελος Σωτηρίου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2011
Subjects: Ευφυείς
Διεύθυνση
Άφιξη
Smart
Direction
Arrival

description: Οι ευφυείς κεραίες έχουν κινήσει το ενδιαφέρον πολλών ερευνητών, αποτελώντας συστήματα ικανά να ενισχύσουν τις επιδόσεις κινητών αλλά και σταθερών δικτύων ασύρματων επικοινωνιών και η συμβολή τους αναμένεται να είναι σημαντική στα συστήματα 4G. Χάρις στην ικανότητά τους να προσαρμόζουν το διάγραμμα ακτινοβολίας τους στο ηλεκτρομαγνητικό τους περιβάλλον, μπορούν, εκμεταλευόμενες την παράμετρο του χώρου, να συνδυαστούν με όλες τις μεθόδους πολλαπλής πρόσβασης, σε δίκτυα επικοινωνιών, που χρησιμοποιούν την παράμετρο του χρόνου, τη συχνότητα ή κάποιον κώδικα.Η ικανότητά τους να λειτουργούν σαν ‘χωρικά φίλτρα’ μεταξύ των χρηστών που χρησιμοποιούν το ίδιο κανάλι επικοινωνίας ή μεταξύ χρήστη και παρεμβολέων, μπορεί να συμβάλλει στην αύξηση της χωρητικότητας του δικτύου και τη βελτίωση του SNIR του χρήστη. Η λειτουργία ενός προσαρμοστικού συστήματος ευφυούς κεραίας (Adaptive Smart Antennas System) προϋποθέτει την γνώση των διευθύνσεων άφιξης των προσπιπτόντων σημάτων, του χρήστη που εξυπηρετείται καθώς και των παρεμβολέων. Για το λόγο αυτό η εφαρμογή ειδικών αλγορίθμων εκτίμησης DoA (Direction of Arrival) της διεύθυνσης των σημάτων, προηγείται της διεργασίας προσαρμογής της δέσμης, η οποία έχει σαν στόχο να ενισχύσει το σήμα του χρήστη και ταυτόχρονα να αποκλείσει τους παρεμβολείς.Αντικείμενο της εργασίας είναι ο έλεγχος της απόδοσης του αλγορίθμου προσδιορισμού διευθύνσεων άφιξης προσπιπτόντων σημάτων (Direction of Arrival) Matrix Pencil σε επίπεδες στοιχειοκεραίες και για σήματα προερχόμενα από οποιαδήποτε διεύθυνση στο χώρο. Μελετήθηκαν συστήματα επίπεδης στοιχειοκεραίας σημειακών ισοτροπικών πηγών για την περίπτωση ενός και δύο προσπιπτόντων σημάτων. Οι αλγόριθμοι αναπτύχθηκαν στο προγραμματιστικό περιβάλλον Matlab. Τα γενικά συμπεράσματα που προέκυψαν από τις εφαρμογές του αλγορίθμου Matrix Pencil σε όλες τις στοιχειοκεραίες δύο διαστάσεων και για όλες τις περιπτώσεις που μελετήθηκαν συνοψίζονται στα εξής:• Ο σημαντικός παράγοντας που επηρεάζει την απόδοση του αλγόριθμου είναι οι αποστάσεις μεταξύ των στοιχείων της κεραίας. Οι επιδόσεις του είναι πολύ καλές για μικρές αποστάσεις στοιχείων, τις τάξεως του 0.25λ. Αντίθετα το πλήθος των στοιχείων της κεραίας φαίνεται να έχει πολύ μικρή έως μηδενική επίδραση στην απόδοση του αλγόριθμου. Παρατηρήθηκε βέβαια, ότι οι κεραίες με πολύ μικρό αριθμό στοιχείων, π.χ. (3x3) είναι πιο ευαίσθητες στη μεταβολή της τιμής της διαφοράς στάθμης ισχύος μεταξύ των προσπιπτόντων σημάτων, καθώς τα στατιστικά αποτελέσματα δείχνουν σημαντικές διακυμάνσεις μέσης τιμής και τυπικής απόκλισης σε σχέση με τη μεταβολή της τιμής της διαφοράς στάθμης ισχύος των σημάτων.• H γενική παρατήρηση που προκύπτει από όλες τις περιπτώσεις (κεραίες με διαφορετικό πλήθος στοιχείων και αποστάσεις μεταξύ των στοιχείων) είναι πως ο αλγόριθμος δίνει πολύ καλά αποτελέσματα για σήματα που προέρχονται από οποιαδήποτε διεύθυνση του χώρου, ακόμη και όταν οι διευθύνσεις των σημάτων σχηματίζουν μικρή γωνία μεταξύ τους, μόνο όταν η απόσταση μεταξύ των στοιχείων της κεραίας είναι μικρή. Για μεγαλύτερες αποστάσεις μεταξύ των στοιχείων τα αποτελέσματα είναι ικανοποιητικά μόνον όταν προέρχονται από περιοχές με μεγάλη γωνία ανύψωσης σε σχέση με το επίπεδο της κεραίας. Όσο μάλιστα μεγαλύτερη είναι η απόσταση μεταξύ των στοιχείων τόσο η γωνία ανύψωσης είναι μεγαλύτερη. Οι παρατηρήσεις αυτές είναι κοινές για όλες τις κεραίες ανεξαρτήτως αριθμού στοιχείων.• Ο αλγόριθμος σε όλες τις περιπτώσεις βρίσκει με μεγαλύτερη ακρίβεια τη διεύθυνση άφιξης του ισχυρότερου σήματος. Το σφάλμα προσδιορισμού του δεύτερου σήματος αυξάνει καθώς μειώνεται η ισχύς του.
description: Smart antennas have attracted the interest for many researchers and they have become systems capable of improving the performance of mobile and fixed wireless communication networks. Also their contribution to 4G systems is expected to be significant. Thanks to their ability to adjust their radiation pattern to the electromagnetic environment, they can exploit the space parameter that is capable of being combined with all multiple access methods in communication networks which use the time or frequency parameter or a code. Their ability to function as “space filters” between users who use the same communication channel or between a user and the interferers, can contribute to the increase of the network capacity and the improvement of the user ‘s SNIR. The operation of an adaptive smart antenna system requires the knowledge of the directions of arrival of the signals of interest and the interfering signals. For this purpose the application of DoA algorithms precedes the process of radiation pattern adaptation, which enhances the signal of interesting and suppresses the interferers.
description: The main object of the thesis was to study the operation and the performance of the Matrix Pencil (MP) algorithm for the estimation Do) of signals impinging on two-dimensional planar arrays and coming from every possible direction of the space. The MP algorithm was applied to planar arrays considering that the elements were point sources and for the cases of one and two incident signals. The algorithms were developed in the programming environment Matlab.The general conclusions arising from the application of MP to all studied planar arrays and for all cases are summarized as follows:• The main factor that affects the performance of the algorithm is the inter-element distance of the antenna array. The performance is satisfactory for small distance of about 0.25λ. On the contrary, the number of the elements of the array seems to have very small effect to the performance of MP. However, it has been observed that arrays with very small number of elements , i.e. 3x3, are more sensitive to the variation of the difference between the power levels of the incident signals because the statistical results show considerable fluctuations of the mean value and the standard deviation versus the variation of the difference between the levels of the signals’ power.• The general conclusion coming from all the array configurations is that MP exhibits excellent performance for signals coming from all the directions of the space, even when the angle between the directions of the signals is very small, only when the distance between the array’ s elements is small. For larger distance the results are satisfactory only when the signals come from a range around the direction perpendicular to the surface of the array. The larger being the inter-element distance the more narrow is this range. Τhese results are common for all the arrays independently of the number of their elements• In all cases the algorithm estimates more accurately the DoA of the more strong signal whereas the error of the DoA estimation of the more weak signal increases as its power decreases