Come funzionano in dettaglio le “smart antenna”, in particolare come formano il fascio in ricezione quando un segnale raggiunge le due (o più) antenne con una differenza di fase? Che operazioni deve svolgere il DSP? Grazie.

Si vedano innanzi tutto le precedenti risposte su Vialattea sulle antenne in generale

http://www.vialattea.net/esperti/php/risposta.php?num=1606

e sulle antenne per telefonia mobile

http://www.vialattea.net/esperti/php/risposta.php?num=7844

dove sono anche definite alcune grandezze importanti come guadagno e diagramma di radiazione.

I sistemi Smart Antenna sono stati pensati per aumentare le prestazioni dei sistemi di comunicazioni wireless consumando meno risorse.

Fino a qualche anno fa, all’aumento del traffico nelle comunicazioni cellulari si rispondeva con l’aumento del numero di celle; le celle sono diventate via via più piccole mantenendo il numero di comunicazioni per cella circa costante, e consentendo quindi un aumento del traffico. Anche la potenza di picco di ogni singolo trasmettitore è diminuita insieme alle dimensioni, tuttavia l’impiego delle risorse con questo modo di procedere non è molto efficiente.

Sfruttando tecnologie provenienti dal settore della difesa si è pensato allora al metodo cosiddetto delle antenne intelligenti (smart antennas). Queste sono antenne in grado di cambiare il loro diagramma di radiazione in base alle esigenze; in particolare si vuole illuminare un utente con un fascio molto stretto, in modo che per quella comunicazione si abbia un guadagno più alto, mentre nelle altre direzioni, da dove provengono le interferenze, si abbia una forte attenuazione; nelle attuali reti cellulari invece le stazioni radio base hanno delle antenne omnidirezionali, o settoriali, ma comunque con diagramma di radiazione fisso, e tutti gli utenti del settore sono illuminati praticamente da una potenza costante.

L’antenna smart consente sia di utilizzare potenze più basse sia di aumentare il numero di canali visto che si riduce l’interferenza. Naturalmente questo si ha al prezzo di un elevato carico computazionale sia per decidere la direzione e la forma dei fasci per ogni utente o gruppo di utenti, sia per cambiare effettivamente i fasci delle antenne da una comunicazione all’altra in modo praticamente istantaneo; questo è il motivo per cui solo da poco si è cominciato a pensare ad un utilizzo commerciale di queste tecniche, sfruttando una sempre maggiore disponibilità di circuiti integrati per il calcolo veloce (Digital Signal Processing, DSP) a costi sempre più accessibili.

Un tipo di antenne che permette facilmente di variare la direzione del fascio è quella ad array, cioè una cortina di elementi radianti; anche se ogni elemento ha un diagramma di radiazione pressoché isotropo, nella combinazione si ha invece un guadagno proporzionale al numero di elementi, ottenendo un fascio stretto, e una serie di piccoli “lobi laterali” (vedi figura 1)

Figura 1 – Fascio di un array di antenne elementari

Viene chiamato phased array, perché ogni elemento viene alimentato tramite uno sfasatore. Cambiare la fase del segnale ad ogni elemento significa ritardarlo rispetto ad un elemento adiacente, e questo permette di scegliere la direzione del fascio (vedi fig. 2)

Figura 2 – Scelta della direzione del fascio tramite sfasatori

Poiché l’antenna è un sistema passivo funziona in modo reciproco, cioè una volta fissati i valori degli sfasatori il fascio è quello sia in trasmissione che in ricezione. Occorre quindi conoscere la posizione di ogni singolo utente e usare i valori giusti delle fasi ogni volta che si trasmette e riceve un pacchetto di informazione per e da quell’utente. Una gran parte del carico computazionale serve quindi a calcolare e aggiornare la posizione dell’utente di ogni comunicazione instaurata, per puntare correttamente il fascio.

Sono state studiate due tecniche: switching beam e fully adaptive.
La switching beam prevede un fascio che cambia posizione in modo discreto, cioè sono previste un certo numero di posizioni che coprono tutto il settore, e ad ogni comunicazione viene assegnata una posizione (in modo dinamico, cioè per un certo tempo visto che l’utente si muove).
La tecnica fully adaptive invece insegue ogni utente nel settore, e al momento della trasmissione/ricezione di un suo pacchetto punta il fascio sulla sua posizione esatta.
La prima tecnica è più semplice, mentre la seconda consente di ottenere prestazioni migliori.

Bibliografia e Links
Il manuale delle antenne
R.C.Johnson, H.Jasik – Antenna Engineering Handbook – McGraw Hill

Un ottimo tutorial sui sistemi Smart Antenna (in inglese)
http://www.iec.org/online/tutorials/smart_ant/index.html

Microsoft smart antenna
http://www.microsoft.com/mscorp/ip/ventures/technologies/smartantenna.asp

Antenne in generale
http://www.vialattea.net/esperti/php/risposta.php?num=1606

Antenne per telefonia
http://www.vialattea.net/esperti/php/risposta.php?num=7844