Form - 4 GAZİ ÜNİVERSİTESİ BİLİSEL ARAŞTIRA PROJESİ (BAP) GELİŞE RAPORU HAZIRLAA FORU PROJE KODU : 6/-5 PROJE ADI : Kablosuz Ağlarda Enterferans Bastırımı için ultimodal Işın- Oluşturma PROJE BAŞLAA TARİHİ : Ekim RAPOR TÜRÜ : ( )Ara Rapor ( X) Kesin Rapor RAPOR YILI : RAPOR DÖNEİ : ( ) 3 HAZİRAN ( X ) 3 EYLÜL PROJE YÖNETİCİSİ : Y. Doç. Dr. Özgür Ertuğ FAKÜLTE/ENSTİTÜ/YÜKSEK OKUL : ühendislik Fakültesi BÖLÜ/ANABİLİ/BİLİ DALI : EEB PROJENİN ADI : Kablosuz Ağlarda Enterferans Bastrımı için ultimodal Işın-Oluşturma Toplam Desteklenen iktar :.35 YTL. Şimdiye Kadar Harcanan iktar : 54 YTL. Rapor Dönemi Sonu Kalan iktar : 5735 YTL. Gelişme durumu özeti (Bu rapor dönemine ait başlıca gelişmeler, örn. literatür taraması, satın alma, sistem kurma, çalışmanın seyri, vb. ana başlıklar halinde aşağıda özetlenecektir.) - Çalışmanın seyrinde multimode antenlerle ışın-oluşturma sistemi ve algoritması büyük oranda bu son dönemde tamamlanmıştır. - Ana çalışmadan bir adet journal makalesi ve bir adet konferans makalesi gönderilmiştir. -) Özgür Ertuğ. Quadrature Cosine-Basis Beamforming in Wireless Networks using Dual- Polarized Circular ultimode Antenna Arrays. Submitted to ETRI Journal. -) Özgür Ertuğ. Quadrature Cosine-Basis Beamforming in Wireless Networks using Dual- Polarized Circular ultimode Antenna Arrays. Accepted at APCC Conference. - - - - - - Proje Yöneticisi imzası :
Rapor Sunuş Tarihi : Ekim EK: Ayrıntılı Final Raporu (Rapor dönemine kadar yapılan çalışmalar, varılan ana sonuçlar ayrıntıları ile belirtilmeli ve varsa yayınlar eklenmelidir.) Ayrıntılı Gelişme Raporu Kapsama alanındaki coğrafi olarak dağılmış kullanıcıların neden olduğu ortak kanal girişimi kablosuz ağlarda uzamsal yapı gösterir ve daha yüksek spektral ve güç verimliliği için ışın-oluşturma yöntemi kullanarak bastırılmalıdır. Geleneksel merkezden beslemeli dipol dizilerle ışın-oluşturma bazı dezavantajlara sahiptir örneğin düşük dizi kazancı, geniş ana ışın genişliğine bağlı düşük uzamsal seçicilik ve uzamsal örtüşme nedeniyle meydana gelen ızgara loplarının oluşma olasılığı. Bu projede -BF(Dipole Array Beamforming,Dipol Dizi Işın-Oluşturmanın dezavantajı) üzerine yoğunlaşıldı. Geleneksel ışın oluşturma metodu kullanılarak Çift Polarize ultimod icroşerit Antenler -BF (Quadrature Cosine- Basis Beamforming Dördün Cosinüs Bazlı Işın-Oluşturma) olarak adlandırılmıştır. Bu projede önerilen teknik -BF den daha yüksek ışın-oluşturma performansı vermesinin yanı sıra girişim-sınırlı kablosuz ağda kullanıldığında daha yüksek uzamsal ve güç verimliliği sağlamaktadır. Akıllı antenler çoklu anten haberleşmesinin ve dizi sinyal işleme sistemlerinin önemli bir sınıfını oluşturmaktadır. Akıllı antenler alıcıda ve vericide anten dizilerini kullanarak ilgili sinyal işlemlerini uzay-zamanda ilişkilendirirler. Akıllı antenler IO haberleşme sistemleri, statik ve uyarlamalı dijital ışın oluşturma, yön bulma, kablosuz ve mobil haberleşme ağlarındaki konum bazlı servisler için kaynak uyarlama için müşterek bir terimdir. Akıllı antenler IO haberleşme sistemleri oluşturmak için kullanıldığında tek antenli sistemlere göre daha çok kullanıcıya imkan sağlamaktadır. Bunun yanında IO sistemleri kodlama kazancı ve çeşitleme kazancı sayesinde uzay-zaman kodlama modunda kullanıldığı zaman güç verimliliğini artırır. Işın-oluşturma kapsama alanındaki mobil sistemlerinin takibi, ortak kanal girişimini kesmek, yayılım gecikmesinin azaltımı ve çok-yollu sönümleme hafifletimi için çok kapsamlı bir teknolojidir. Uzamsal dijital ışın-oluşturma örneğin uzamsal filtreleme, uzamsal girişimi bastırmak için anten dizileriyle birlikte kullanılır. Genel olarak uzamsal ışın-oluşturmada merkez beslemeli dipol anten dizileri (-BF) kullanılır ve birçok dezavantajı vardır. İlk olarak dipole antenler elektriksel olarak geniş antenler olarak kablosuz iletişimde kullanılan
modemler ve bağlantı ucu/erişim noktalarına sığdırılması zordur. İkincisi dipol antenlerde ışın-oluşturmanın performansı biraz düşüktür. SINR yi belirleyen dizi kazancı düşük olduğundan ve 3-dB ışın-genişliğinden dolayı uzamsal seçicilik düşüktür. Bundan başka düzgün doğrusal dizilerdeki elemanlar arası uzaklık, uzamsal Nyquist örnekleme hızı.5 λc den büyüktür. λ c ise alınan sinyalin frekansı olarak tanımlanmaktadır.bu sebepten dolayı uzamsal örtüşmeden dolayı meydana gelen ızgara kulaklar ( grating lobes) dizi yanıtında oluşmaya başlarlar ve bu da ışın-oluşturma performansını daha da düşürür. ikro şerit antenler 97 lerden beri son yılda düşük maliyet, hafiflik, uygunluk, ergonomi, en önemlisi uzayda değişiklik gösteren ve alanı, multimodu, örüntüsü ve polarizasyonu anlık değişebilen ortogonal çeşitleme kanalları sunduğundan dolayı özellikle IO sistemler olmak üzere kablosuz haberleşme uygulamalarında büyük ilgi uyandırmıştır. Bu projede ışın-oluşturma tekniği için Çift Polarize ultimod icroşerit Anten Dizileri(-BF) kullanılmıştır. -BF olarak da adlandırdığımız teknik geleneksel Dipol-Dizi ışın-oluşturucularından daha yüksek performansı gerçekleştirmektedir. ÇİFT-KUTUPLANIŞ DAİRESEL ULTİOD İKROŞERİT ANTEN DİZİLERİ Işın-oluşturmada kullanılması için önerilen çift-kutuplu dairesel multimod mikroşerit anten dizisi elemanı figür de gösterilmiştir. Dairesel mikroşerit anten bilindiği üzere çok katmanlı bir yapıda olup toprak yüzey ile ışıma yapan iletken arasında dielektrik yüzeye sahip olan bir yapıdadır. T T T T 3 T 4 T 5 X m 3.8.84 3.4 4.8 5.9 6.38 Table. T den T 5 a kadar X m sabitleri
Figür. Dual-polarize dairesel multimod anten. Dairesel mikroşerit yama antenlerde yüksek frekanslı kip yapısını ilk olarak Vaughan [6] tanımlamıştır. ikroşerit antenlerin T m modunda uyarıldığında yarı çapı: r m = X mλc () π ε ( m) r şeklinde gösterilmiştir. th εr yama kullanılan dielektrik sabiti ve X m Bessel fonksiyonundaki m dereceden türevinin ilk sıfır aldığı değerdir. Diğer bir değişle Xm = Jm ( x ) x=, Tablo I de belirtilmiştir. Dairesel mikroşerit antenin her modun rezonans frekansı : f ( m) r Xmc = () πr ε m ( m) r 8 şeklinde tanımlanmıştır. Burada c= 3 m/ s ışığın uzayda yayılma hızı ve yarıçap formülü ve temel formül kullanılarak λ c f m = c hesaplanmıştır. T temel modu tüm-yönlü
uzak alan ışıma örüntüsüne sahiptir. Tek-kutuplu dairesel mikroşerit antenlerin azimut ve yükseltinin uzak alan ışın örüntüsünü : jk f r ( m) e E = E θ + E r m, θ m, φ φ (3) Vmkfrm m, θ φ m m φ φf [ + ] ( ) E ( ) = j J ( z) J ( z) cos m( ) (4) Vmkfrm m, m m f [ + ] ( ) ( ) E φ ( θ) = j J ( z) J ( z) cos m( θ).sin m( φ φ ) (5) şeklinde gösterilmiştir. Burada k f π = dalga sayısı, φ besleme bacağının açısı ve λ c z = kfrm sin ( θ ). Bu projede (5) deki yükselti ışıma örüntüsünü ihmal ederek ve ışın- π oluşturma ve yön-bulmayı sadece azimut düzleminde θ = deki bakış-yönünde ele alıyoruz. Denklem 4 de gösterildiği gibi uzak-alan ışıma örüntüleri temel mod T dışında bütün daha yüksek derece yayılma örüntüleri cos ( m( φ φ f ) ) ye bağlı olarak birer yönsel forma sahiptir. Bu durum tüm-yönlü dipol antenler kullanarak -BF ve yönlü anten kullanarak -BF oluşturmak temel farkını oluşturmaktadır. Çift-kutuplu dairesel multimod mikroşerit antenler dizisi -BF için önerilmiştir, her bir anten T den T ye kadar farklı bir modda çalışması zorunludur. Bunun sebebi bu modların frekanslarının birbirinden farklı olmasıdır. Rezonans frekansları birbirinden farklı olan modlardaki aynı dairesel mikroşerit antenlerde anlık olarak birden çok modların uyarılma olasılığı nedeniyle kablosuz haberleşme uygulamalarında kullanılmasını güçleştirmektedir. ode T T T 3 T 4 T 5 5.7 5. 8. 4. 4 7.5 3.3 6.4
.5 Tablo. Rezonans frekanslarını eşitlemek için çift-kutuplu dairesel çok-modlu anten dizilerindeki farklı daha yüksek-mod anten elementlerinin dielektrik sabitleri Gerçekte bu problem farklı anten elemanlarındaki farklı modları uyararak ve rezonans frekanslarını eşitleyebilmek için her anten elemanında dielektrik sabitini mantıklı bir şekilde seçerek çözülebilir. Dielektrik sabiti ε r aralığında mikroşerit anten tasarımı için kullanılır [7]. Çift-kutuplu dairesel mikroşerit anten dizisi T modundan T kadar uyarılır. Bu anten elemanları dielektrik sabiti ( ) r mod e ε = olan bir materyal kullanıldığında yatay ve faz merkezli düzenlenip yerleştirilmişlerdir. Tablo de de görüldüğü gibi bu sabit en yüksek derecedeki mod için en yüksek X faktörüne sahip olmakla birlikte alan-tüketimini azaltmak için, () deki rezonans frekansı formülünde de belirtildiği üzere ele alınan dizinin her bir elemanı için yarı çap ve rezonans frekansı aşağıdaki gibi bir ilişkiye sahip olmalıdır. X ε X = (6) m n ( m) ( n) r εr Bu ilişki ile T modunun dielektrik sabitinin birim değerinin altına düşmemesi için dizideki uyarılan maksimum mod sayısını T 5 olarak sınırlandırır. Bu yaklaşımı kullanarak Tablo de de belirtildiği gibi dielektrik sabiti dizi uzunluğunu değiştirmek için kullanılır. Tek-kutuplu multimod antenlerin azimutla ilgili uzak-alan ışıma örüntüsü (4) de de π belirtildiği gibi besleme bacaklarının açıları φ f = ve φ f = olarak seçilmiştir bu m sebeple yatay-kutuplanmış kapı ile dikey-kutuplanmış kapı azimutsal uzak-alan ışıma örüntülerine şu şekilde sahip olurlar : ( H ) Vmkfrm m, m+ m [ ] ( ) E θ ( φ) = j J ( z) J ( z) cos mφ (7) V ( ) mkfr V m m, θ φ m+ m [ ] ( φ) E ( ) = j J ( z) J ( z) sin m (8)
Çift-Kutuplu ultimod Anten Dizileri Kullanarak Dördün Cosinüs Bazlı Işın- Oluşturma Geleneksel faz-dizi ışın-oluşturma ile düzgün-yerleştirilmiş merkez-beslemeli dipol dizilerin geliş açısı A.O.A ( Angel of arrival ) φ olan, π r msin( φ ) lik faz farkı m d yaratmaktadır. Burada rs = formülünde d m, λ c dalga boyunda dipol anten λc elemanları arasında elemanlar arasın uzaklıktır. φ ile ilişkilendirilmiş dizi yön vektörü : s jπrs sin( φ) jπrs sin( φ) j πrs ( )sin( φ) a ( φ) = e e e (9) T ile verilmiştir ve -BF nin uzamsal dizi yanıtı ile uzamsal ışın-oluşturma filtre vektörü w ( φ ) : F H w ( φ) = ( φ )a ( φ) () şeklinde verilmiştir. Burada uzamsal ışın-oluşturma filtre vektör elemanları m v formülü ; m jπrs msin( φ ) w( φ ) = e m=,,..., () gibi verilmiştir. -db normalleştirilmiş ana -BF nin uzamsal dizi ışın yanıtı: F H = w ( φ) ( φ )a ( φ) m= s = e ( ) ( ) j π r m(sin φ sin φ () olarak belirtilmiştir ve φ kadar yönlendirilmiştir. Diğer tüm yönlerden gelen farklı sinyaller, yönlerine göre ve dizi yanıt büyüklüklerine göre bastırılmıştır. () deki dizi yanıtını ele aldığımızda, geleneksel fazlaştırılmış-dizi ışın-oluşturma ile tüm-yönlü merkez beslemeli dipol antenler gerçekte DFT (..) ile açısal düzlemde ilişkilendirilmişlerdir.diğer bir yandan bir önceki bölümde anlatılan dizi kazancı ve uzamsal seçicilikte daha yüksek ışın-oluşturma performansı, yönsel çift kutuplu dairesel multimod mikroşerit anten dizilerinde ışınoluşturma DCT ve DST ile açısal düzlemde ilişkilendirilmiştir. A.O.A sı φ olan dizi yön vektörü ile -BF dizisi şu şekilde verilmiştir. a ( φ) = γ, i cos( φγ ), q sin( φ) γ, i cos( φγ ), q sin( φ) Vmkfrm mi, = mq, = j Jm kfrm Jm kfrm ( ) ( ) γ γ + (3) (4)
Dördün cosinüs bazlı uzamsal ışın-oluşturma filtre katsayıları ve her bir antendeki dördün portlar sırasıyla verilmiştir. ( ) sin( ) w = m e (5) mi, mq, j π rs m φ ( φ ) cos( φ ) * γ m, i ( ) sin( ) w = m e (6) j π rs m φ ( φ ) sin( φ ) * γ m, q -BF nin uzamsal dizi yanıtı şu şekilde türetilmiştir. F ( φ) = cos( mφ)cos( mφ ) + sin( mφ)sin( mφ ) [ ] m= j rs ( ) m(sin( ) sin( )) e π φ φ (7) ve cos( x ± y) = cos( x)cos( y) sin( x)sin( y) trigonometrik tanımının yardımıyla şu şekilde ifade edilmiştir. F ( φ) = cos( m( φ φ ) e j πrs ( ) m(sin( φ) sin( φ )) (8) m= Böylece uzamsal dizi yanıtı -db normalleştirilmiş ana ışın farklı yönlerden gelen diğer sinyalleri bastıran, mobil sinyalden φ ile varan sinyal boyunca yönlendirilmiştir. Nümerik Sonuçlar ve Tartışmalar Elemanlararası,5 λ c boşluk olan -BF'nin diziyanıtları ve 'den 5'e kadar olan dizi uzunlukları için -BF'nin dizi yanıtları Şekil 'den Şekil 6'ya kadar gösterilmiştir. Şekil 'den Şekil 6'ya kadarki bütün dizi yanıtları φ = 6 'lik yöne doğru yönlendirilmiştir. Işın oluşturmak tek anten elemanı kullanan bir dipol dizisiyle mümkün olmasa da, -BF ile mümkündür. Dahası, Tablo 3'de gösterildiği gibi -BF'nin 3-dB ışın genliği - BF'ye oranla, sabit bir dizi için çok daha dardır. Array Order 3 4 5 -BF 36 38 93 -BF 9 54 4 3 4
Tablo 3. 3 Figür : Dizin uzunzluğu için dizin yanıtları
Figür 3: Dizin uzunluğu için dizin yanıtları Figür 4: Dizin uzunluğu 3 için dizin yanıtları
Figür 5: Dizin uzunluğu 4 için dizin yanıtları Figür 6: Dizin uzunluğu 5 için dizin yanıtları Figür 7: -BF ve -BF in değişik dizin uzunluklarına göre enterferans gücü bastırım faktörleri Dizi kazancıyla ölçülen girişim yapan sinyalleri verimli bir şekilde bastırabilmek, ki bu da ışın oluşturma güç bastırma faktörünün tersidir, girişim-limitli kablosuz haberleşme sistemlerinde kullanıldığı zaman ışın oluşturucular için önemli bir performans ölçütüdür.
İstenilen bir sinyalin A.O.A. φ 'dan ve girişim yapan bir sinyalin de A.O.A. φ den alındığı bir senaryo düşünüldüğünde istenen sinyalin A.O.A. φ 'ına eşlenmiş uzamsal ışın oluşturma filtreleri w ( φ ) ve w ( φ ) 'den ötürü girişi yapan sinyalde oluşan ışın oluşturma gücü bastırma faktörleri -BF ve -BF için sırasıyla şöyle formüle edilir: S H φ φ = w φ φ (, ) ( )a ( ) j πrs m(sin( φ) sin( φ)) = e (9) m= S H φ φ = w φ φ (, ) ( )a ( ) = j πrs ( m) m( sin( φ) sin( φ) cos( m( φ φ )) e () m= İstenen sinyalin A.O.A sı φ ın ışın-oluşturucularda bilindiğini farz ederskek ve φ = 9 iken dizi boyutları den 5 e değişen ışın-oluşturma güç bastırım faktörleri -BF ve -BF nin karşılaştırmaları şekil 7 de verilmiştir. -BF nin ışın-oluşturma güç bastırım faktörü -BF ninkinden çok daha düşüktür ki ortak-kanal girişimi sınırlı kanlarda daha yüksek dizi kazancı spektral verimliliği ve güç verimliliği sağlar. Dizi uzunlukları den 5 e değişen dizi uzunlukları L = {.3λ,.84λ,.5 λ,.4λ,.93λ } ve L {,.5 λ, λ,.5 λ, λ } c c c c c c c c c = dir. -BF nin dizi uzunlukları da böylece - BF ile karşılaştırılabilir. Eğer kompaktlık sıkı gereksimindeyse düşük frekans dizi boyutu taşıyıcı frekans ile de sınırlı iken kablosuz iletişimde 5 e kadar antene sahip yüksek taşıyıcı frekanslar, -BF ile kullanarak aralıksız terminallerde ve baz istasyonlarında kullanılabilir.-bf ile ilgili bir başka not da -BF dizisindeki anten elemanlarının faz merkezleri arasındaki uzaklık, ortak kuplaj etkilerinin ihmal edilebildiği limit olan küçük değer.6 λ 'dan daha düşüktür. Dolayısıyla, -BF dizileri için, anten elemanları arasındaki ortak kuplaja bağlı olan dizi tepki bozulmasını azaltmak için [8]'de belirtildiği gibi verimli ayırımlar kullanılmalıdır. SONUÇ Elektriksel olarak büyük dipol dizilerinin düşük ışın oluşturma performansı nedeniyle, bu projede -BF olarak adlandırılan ve çift-polarize dairesel mikroşerit anten dizileri
kullanan, yüksek uzamsal seçicilik ve dizi kazancı sağlayan bir ışın oluşturma metodu önerdik. -BF için kullanılan dairesel mikroşerit anten dizilerinin kompaktlığı aynı taşıyıcı frekansındaki bir dipol dizisiyle karşılaştırılabilir ve ergonomik açıdan daha iyidir. Dolayısıyla -BF, arttırılmış spektral ve güç verimliliği gereksinimlerine sahip bir sonraki nesil kablosuz haberleşme sistemlerinde kullanılacak alan-limitli terminaller(bağlantı ucu ) ve erişim noktaları / baz-istasyonlarında yüksek performanslı ve önemli bir ışın oluşturma çözümüdür.