La comunicazione wireless costituisce la spina dorsale della connettività moderna, supportando tutto, dai telefoni cellulari ai dispositivi IoT e dai sistemi autonomi. Nonostante i progressi nella modulazione e nella codifica, i collegamenti wireless rimangono vulnerabili alla dissolvenza del segnale causata dalla propagazione multipath, dall'ombra e dall'interferenza.

Fondamenti della diversità di Antenna

Quando le antenne sono distanziate sufficientemente a parte (tipicamente la metà di una lunghezza d'onda o più), la probabilità che tutte le antenne contemporaneamente sperimentino una dissolvenza profonda è drammaticamente ridotta. Il concetto di nucleo è quello di ricevere — o trasmettere — copie multiple dello stesso segnale attraverso percorsi di dissolvenza indipendenti e poi combinarle per produrre un'uscita più forte e più stabile.

Meccanismi della diversità chiave

  • Diversità spaziale:[] La separazione fisica delle antenne per raggiungere percorsi di dissolvenza non correlati.
  • Diversità di polarizzazione:[]] Usando polarizzazioni ortogonali (ad esempio, verticali e orizzontali) per catturare diversi modelli di dissolvenza.
  • Diversità angolo: Dirigere i raggi verso angoli di arrivo distinti di segnali in arrivo.
  • Diversità del tempo:[] Trasmettendo lo stesso segnale in tempi diversi (ad esempio, attraverso l'interleaving) ma questo consuma risorse temporali.

Tra questi, la diversità spaziale è la più ampiamente implementata nei moderni sistemi wireless, formando la base per le tecniche multi-uscita (MIMO).

Tipi di ricezione diversità combinando schemi

Ricevere la diversità combinando le tecniche determinare come i segnali da più antenne vengono elaborati per massimizzare la qualità del collegamento. La scelta di schema influisce sulla complessità, le prestazioni e il consumo di energia.

Diversità di selezione

La diversità di selezione è la forma più semplice: il ricevitore monitora continuamente la resistenza del segnale (o il rapporto segnale-rumore, SNR) su ogni ramo dell'antenna e seleziona quello con la migliore qualità istantanea.

Cambiare la diversità

Una variante della diversità di selezione, la diversità di commutazione (spesso chiamata diversità commutata) evita la necessità di un monitoraggio continuo. Il ricevitore rimane su un'antenna predefinita fino a quando il segnale ricevuto non scende sotto una soglia; poi passa ad un'altra antenna.

Combinazione massima del rapporto (MRC)

MRC è la tecnica di combinazione lineare ottimale quando il rumore è bianco e non correlato tra i rami. Ogni segnale dell'antenna è ponderato da un fattore complesso proporzionale al suo guadagno di canale istantaneo e fase, quindi riassunto coerentemente. I pesi massimizzano il SNR combinato, che è la somma dei SNR di tutti i rami individuali.

Combinazione di pari guadagno (EGC)

Tutti i segnali antenne sono ponderati con uguale magnitudine (unità di guadagno), e solo le loro fasi sono regolate per ottenere una somma coerente. Il SNR combinato à ̈ tipicamente inferiore a MRC ma fornisce ancora un significativo guadagno di diversità . EGC à ̈ spesso scelto per i sistemi in cui la stima di ampiezza à ̈ inaffidabile o dove gli amplificatori a guadagno costante semplificano l'hardware.

Combinazione settoriale e altre varietà

In alcune implementazioni pratiche, sono utilizzate antenne settoriate con copertura sovrapposta. Il ricevitore seleziona il settore con il segnale più forte, simile alla diversità di selezione ma a una scala più ampia.

Trasmettere schemi di diversità

La diversità è altrettanto importante al trasmettitore, soprattutto sul downlink dove il ricevitore può avere dimensioni e potenza limitate. Trasmettere la diversità consente una stazione di base o un punto di accesso per inviare segnali attraverso più antenne senza richiedere più antenne al dispositivo dell'utente.

Coding del blocco spazio-tempo Alamouti

Il più famoso schema di trasmissione è il codice di Alamouti (STBC per due antenne). Trasmette due simboli su due slot di tempo e due antenne utilizzando un design ortogonale. Al ricevitore (anche con un'unica antenna), i simboli possono essere separati da semplice elaborazione lineare, ottenendo pieno guadagno di diversità spaziale.

Diversità del ritardo ciclico

La diversità di ritardo ciclico (CDD) introduce un cambiamento ciclico dello stesso simbolo OFDM attraverso diverse antenne di trasmissione, convertendo efficacemente una singola trasmissione in più copie ritardate. Il ritardo crea la selettività di frequenza nel canale combinato, che può essere sfruttato dal codifica errori-correzione del ricevitore.

Chiuso-Loop Trasmettere diversità

Quando il trasmettitore ha un feedback sullo stato del canale (ad esempio, tramite un canale di feedback limitato), può regolare i pesi applicati a ogni antenna per guidare l'energia trasmessa verso il ricevitore. Questo è noto come la diversità di trasmissione a ciclo chiuso o teletrasformatura. Il guadagno della diversità è combinato con un guadagno di array, fornendo maggiore SNR e affidabilità. Tecniche come codificazione basata su codice in caduta 4G/5G in questa categoria.

Vantaggi della diversità di Antenna

I principali vantaggi della diversità di antenna sono ben consolidati e si traducono direttamente in una migliore esperienza utente e l'efficienza della rete.

  • Qualità del segnale avanzata:[] La diversità riduce la probabilità di profonde dissolvenze, portando ad una forza di segnale ricevuta più coerente. La media SNR migliora fino a 10 log10[](N) dB per MRC con [FLT]F[7F]
  • [[LT]]L'affidabilità del collegamento aumentata: La probabilità di estrazione — la probabilità che il SNR istantaneo cada sotto una soglia — diminuisce esponenzialmente con il numero di rami della diversità. Ad esempio, con la diversità di selezione di due bracci, la probabilità di superamento di una determinata soglia scende approssimativamente a p[2]
  • Tassi di dati più elevati:[] Riducendo le retransmissioni causate da errori di pacchetti, la diversità aumenta efficacemente il throughput. I sistemi MIMO utilizzano ulteriormente la dimensione spaziale per inviare più flussi di dati simultaneamente - un'estensione diretta dei concetti di diversità.
  • Copertura estesa:[] La gamma di un collegamento wireless può essere aumentata fino al 40-50% con due antenne al ricevitore, a seconda dell'ambiente.
  • Interferenza ridotta:[[] La diversità consente al ricevitore di annullare i segnali interferienti utilizzando tecniche di combinazione avanzate (ad esempio, errore minimo medio-quare che combina, MMSE), che sopprime simultaneamente le interferenze e cattura la diversità.

Considerazioni e sfide di attuazione

Nonostante i vantaggi chiari, la distribuzione della diversità antenna comporta trade-off che i progettisti di sistema devono gestire.

Antenna Spacing e Correlazione

Per ottenere la dissolvenza non correlata, le antenne devono essere distanziate sufficientemente a parte — tipicamente almeno mezza lunghezza d'onda. Per le bande sub-6 GHz (ad esempio, 2.4 GHz, 3.5 GHz), questa spaziatura si traduce a 5-10 cm, che può essere impegnativo in dispositivi compatti come smartphone o sensori IoT. La diversità di polarizzazione può ridurre la separazione fisica richiesta utilizzando polarizzazioni ortogonali, ma al costo di pochi millimetri di frequenza

Complessità e Costo dell'hardware

Ogni antenna aggiuntiva richiede una catena di radiofrequenza dedicata (RF) - compresi filtri, mixer, amplificatori e convertitori analogici-digitali. Questo aumenta il costo di fattura-di-materiali, il consumo di energia e l'area del bordo. In molti dispositivi commerciali, gli ingegneri limitano il numero di antenne a 2 o 4 sull'apparecchiatura dell'utente.

Valutazione del canale

I sistemi di diversità del ricevitore come MRC hanno bisogno di stime accurate del canale da ogni ramo dell'antenna. Ciò richiede simboli pilota che occupano le risorse di tempo e di frequenza. Nei canali di fast-fading, le stime del canale devono essere aggiornate frequentemente, aumentando la testa sopraelevata. Trasmettere schemi di diversità che utilizzano tecniche open-loop (Alamouti, CDD) evitare la necessità di feedback ma non possono adattarsi alle condizioni di canale mutevole.

Consumo di energia

Per i dispositivi alimentati a batteria, la diversità di selezione (dove solo una catena è attiva alla volta) può essere più efficiente di MRC. Gli algoritmi avanzati che disattivano dinamicamente i rami in base alle condizioni del canale aiutano a mitigare questo problema.

Applicazioni attraverso moderni sistemi wireless

La diversità di Antenna è stata adottata praticamente in tutti i principali standard wireless, spesso come requisito baseline.

Wi-Fi (IEEE 802.11)

I dispositivi 802.11a/b/g usati spesso due antenne per la diversità di selezione. Moderno 802.11n/ac/ax (Wi‐Fi 4/5/6) incorporano multi-ingresso (MIMO) con fino a 8 flussi, dove la diversità è integrata con multiplexing spaziale.

Reti cellulari (4G LTE e 5G NR)

In LTE, trasmettere la diversità è mandato per tutti i canali di controllo downlink utilizzando Space‐Frequency Block Coding (SFBC, una variazione di Alamouti). Il uplink utilizza più antenne riceventi all'eNodeB per la diversità combinando. 5G NR va oltre con il massiccio MIMO, impiegando centinaia di antenne per raggiungere sia la diversità e raggi di guadagni. 3GPP caratteristiche di diversi[F[FFFFFFFFFFFFFFFF]

Comunicazioni via satellite

I collegamenti satellitari si incontrano a causa di effetti atmosferici e multipath dalle strutture vicine (soprattutto nei terminali satellitari mobili). Ricevi la diversità utilizzando due antenne distanziate alcune lunghezze d'onda separate è comune sui terminali di nave-borne o di aeromobili. Alcuni sistemi satellitari utilizzano la diversità del sito — due stazioni di terra geograficamente separate per combattere la pioggia fade — efficacemente un sistema di diversità di antenna macro-scala.

Internet delle cose (IoT) e LPWAN

Le reti a bassa potenza (LoRaWAN, NB‐IoT) utilizzano spesso la diversità dei ricevitori nei gateway per migliorare la probabilità di decodificare le trasmissioni a rete debole dai sensori. Poiché molti dispositivi IoT sono a costi e a potenza limitata, hanno tipicamente un'unica antenna; il peso della diversità è posto sul lato dell'infrastruttura.

Automotive e V2X

Le comunicazioni V2X (tra cui C‐V2X e DSRC) sono in rapida evoluzione a causa del movimento del veicolo. Le antenne multiple (ad esempio, due anteriori e due a posteriori di un'auto) offrono la diversità rispetto alla dissolvenza e al blocco.

Tendenze future nella diversità di Antenna

L'evoluzione wireless continua a spingere i confini della diversità e della lavorazione spaziale.

MMO massiccio e MIMO a pieno sviluppo

Le stazioni di base MIMO di massa 5G con elementi antenne 64-256 sfocano efficacemente la linea tra diversità, trave e multiplexing spaziale. Ogni utente è servito da un fascio stretto che fornisce un guadagno elevato dell'array, mentre l'ampia gamma di antenne offre intrinsecamente la diversità contro la dissolvenza.

Superfici di riflessione intelligenti (IRS)

IRS sono array passivi che possono essere controllati per riflettere i segnali in una direzione desiderabile, creando ulteriori percorsi di diversità senza aggiungere nuovi trasmettitori. Questa diversità di antenna “virtuale” può essere utilizzata su facciate edili o al chiuso per aiutare a combattere le zone morte.

Diversità AI-Driven

Gli algoritmi di apprendimento automatico possono prevedere modelli di rapida e selezionare o combinare dinamicamente le antenne con una minore sovratensione rispetto alla stima tradizionale. L'apprendimento di rinforzo è stato applicato per cambiare la diversità nelle reti di onde millimetriche, dove gli eventi di blocco rapidi rendono la selezione fissa suboptimale.

Sotto-6 GHz e mmWave Coesistenza

I dispositivi futuri possono utilizzare un approccio a doppia banda: la diversità a sub-6 GHz per la copertura e la teletrasformazione a mmWave per la capacità. La catena della diversità a frequenze inferiori può servire come un fallback quando il collegamento mmWave è bloccato, fornendo connettività senza soluzione di continuità.

Conclusioni

La diversità di Antenna rimane un punto di riferimento della comunicazione wireless affidabile: dalla semplice diversità di selezione nel Wi‐Fi iniziale al sofisticato massiccio MIMO in 5G, il principio fondamentale – utilizzando più percorsi di segnale indipendenti per superare la dissolvenza – ha dimostrato il suo valore nel corso di decenni di distribuzione.