안테나 다양성

Antenna diversity
안티파드를 위해 더 높은 곳에 장착된 안테나와의 전화 교환

안테나 다양성은 공간 다양성 또는 공간 다양성으로도 알려져 있으며, 무선 링크의 품질과 신뢰성을 향상시키기 위해 두 개 이상의 안테나를 사용하는 여러 무선 다양성 계획 중 하나이다. 흔히, 특히 도시와 실내 환경에서는 송신기와 수신기 사이에 가시선(LOS)이 명확하지 않다. 대신에 신호가 최종적으로 수신되기 전에 여러 경로를 따라 반사된다. 이러한 각 바운스는 수신 안테나의 구멍에서 서로 파괴적으로 간섭할 수 있는 위상 이동, 시간 지연, 감쇠 및 왜곡을 도입할 수 있다.

안테나 다양성은 이러한 다중 경로 상황을 완화하는데 특히 효과적이다. 복수의 안테나가 수신자에게 동일한 신호의 여러 관측을 제공하기 때문이다. 각 안테나는 서로 다른 간섭 환경을 경험할 것이다. 따라서 한 안테나가 깊은 페이드 현상을 겪고 있다면 다른 안테나가 충분한 신호를 가지고 있을 가능성이 높다. 집합적으로 그러한 시스템은 강력한 연결고리를 제공할 수 있다. 이는 주로 수신 시스템(다양성 수신)에서 볼 수 있지만, 아날로그는 송신 시스템(다양성 전송)에서도 가치가 있는 것으로 입증되었다.

본질적으로 안테나 다양성 체계는 단일 안테나 시스템 대비 추가 하드웨어와 통합이 필요하지만 신호 경로의 공통성 때문에 상당한 양의 회로를 공유할 수 있다. 또한 다중 신호의 경우, 수신기에 더 많은 처리 요구가 있어, 더 엄격한 설계 요건으로 이어질 수 있다. 그러나 일반적으로 신호 신뢰성이 가장 중요하며 안테나를 여러 개 사용하는 것이 드롭아웃 및 연결 끊김 수를 줄이는 효과적인 방법이다.

안테나 기법

안테나 다양성은 여러 가지 방법으로 실현될 수 있다. 설계자는 환경과 예상되는 간섭에 따라 이러한 방법 중 하나 이상을 사용하여 신호 품질을 개선할 수 있다. 사실 신뢰도를 더욱 높이기 위해 여러 가지 방법이 자주 사용된다.

  • 공간적 다양성은 대개 동일한 특성을 가진 여러 안테나를 사용하며, 이 안테나는 물리적으로 서로 분리된다. 수신 신호의 예상 발생률에 따라 파장 순서의 공간이 충분할 때도 있다. 다른 때일수록 훨씬 더 큰 거리가 필요하다. 예를 들어, 셀룰러화 또는 섹터화는 안테나 또는 기지국을 수마일 떨어져서 둘 수 있는 공간적 다양성 체계다. 이는 여러 사용자가 제한된 통신 주파수를 공유하고 공동 채널 간섭을 피할 수 있기 때문에 이동통신 업계에 특히 유익하다.
  • 패턴 다양성은 방사선 패턴이 서로 다른 두 개 이상의 배치된 안테나로 구성된다. 이러한 유형의 다양성은 일반적으로 일부(종종 짧은) 거리에 의해 물리적으로 분리되는 방향 안테나를 사용한다. 집합적으로 그들은 각도 공간의 많은 부분을 구별할 수 있고 단일 전방 방열기 대비 더 높은 이득을 제공할 수 있다.
  • 양극화 다양성은 직교 극화와 안테나 쌍을 결합한다(즉, 수평/수직, ± 45°, 좌측/우측 원형 양극화 등). 반사신호는 이동하는 매체에 따라 양극화 변화를 겪을 수 있다. 90°의 편광 차이는 신호 강도에 최대 34dB의 감쇠 계수를 발생시킨다. 이 계획은 두 개의 상호 보완적인 양극화를 결합함으로써, 그렇지 않으면 신호 페이드의 원인이 되는 양극화 불일치로부터 시스템을 예방할 수 있다. 또한 그러한 다양성은 송신 안테나의 거의 무작위 방향에 덜 취약하기 때문에 무선 및 이동 통신 기지국에서 가치가 입증되었다.
  • 송신/수신 다양성은 송수신 기능에 두 개의 분리된 결합 안테나를 사용한다. 그러한 구성은 듀플렉스 장치가 필요하지 않으며 민감한 수신기 구성요소를 전송에 사용되는 높은 전력으로부터 보호할 수 있다.
  • 적응형 배열은 활성 요소가 있는 단일 안테나일 수도 있고 서로 다른 조건이 지속됨에 따라 결합된 방사선 패턴을 변경할 수 있는 유사한 안테나의 배열일 수도 있다. 활성 전자 스캔 어레이(AESA)는 각 복사 사이트의 얼굴에서 위상 시프터 및 감쇠기를 조작하여 패턴 및 양극화 제어뿐만 아니라 거의 즉각적인 스캔 기능을 제공한다. 이것은 검색, 추적, 매핑 및 방해 대응책과 같은 여러 가지 모드 간에 전환할 수 있는 단일 안테나를 제공하기 때문에 레이더 어플리케이션에 특히 유용하다.

처리 기법

위의 모든 기법은 원하는 메시지를 복구하기 위해 일종의 사후 처리가 필요하다. 이러한 기법 중에는 다음과 같은 것이 있다.

  • 전환: 스위칭 수신기에서, 오직 하나의 안테나로부터의 신호는 해당 신호의 품질이 규정된 임계값을 상회하는 한 수신기로 공급된다. 신호가 저하되면 다른 안테나가 켜진다. 스위칭은 안테나 다양성 처리 기법 중 가장 쉽고 전력 소모가 적지만 한 안테나의 품질이 저하되고 다른 안테나 링크가 설정되는 동안 페이딩 및 비동기화 기간이 발생할 수 있다.
  • 선택: 스위칭과 마찬가지로, 선택 처리는 주어진 시간에 수신기에 하나의 안테나 신호만 제공한다. 그러나 선택한 안테나는 수신된 신호 중 최고의 신호 대 잡음 비(SNR)를 기반으로 한다. 이를 위해서는 사전 측정이 이루어져야 하며 모든 안테나가 (적어도 SNR 측정 중에) 연결을 설정하여 전력 요구량이 더 높아져야 한다. 실제 선택 과정은 수신된 정보 패킷 사이에서 이루어질 수 있다. 이를 통해 단일 안테나 연결이 최대한 유지되도록 한다. 필요한 경우 패킷별로 전환이 이루어질 수 있다.
  • 결합: 결합 시 모든 안테나는 항상 설정된 연결을 유지한다. 그런 다음 신호가 결합되어 수신기로 전달된다. 시스템의 정교함에 따라 신호를 직접 추가할 수도 있고(동일한 이득 조합) 가중치와 일관성 있게 추가할 수도 있다(최대 비율 조합). 그러한 시스템은 페이딩에 가장 큰 저항을 제공하지만 모든 수신 경로에 전원이 공급되어야 하기 때문에 가장 많은 전력을 소비한다.
  • 동적 제어: 동적으로 제어되는 수신기는 상황이 발생할 때마다 위의 처리 방식 중에서 선택할 수 있다. 훨씬 더 복잡하지만 전력 대 성능 절충을 최적화한다. 모드 및/또는 안테나 연결 사이의 전환은 링크의 인식된 품질의 변화에 의해 신호를 받는다. 낮은 페이딩 상황에서 수신기는 어떤 다양성도 채택할 수 없으며 단일 안테나가 제공하는 신호를 사용할 수 있다. 조건이 저하되면, 수신기는 위에서 설명한 보다 신뢰성이 높지만 전력에 굶주린 모드를 가정할 수 있다.

적용들

다양성 수신을 위한 잘 알려진 실용적인 응용은 무선 마이크와 무선 기타 시스템과 같은 유사한 전자 장치에 있다. 비다양성 수신기(안테나만 있는 수신기)가 장착된 무선 마이크로폰은 특히 송신기(무선 마이크)가 움직이는 경우 무작위 드롭아웃, 페이드, 노이즈 또는 기타 간섭을 일으키기 쉽다. 다이버시티 수신기를 사용하는 무선 마이크나 사운드 시스템은 안테나 하나가 소음을 경험할 경우 마이크로초 이내에 다른 안테나로 전환되어 드롭아웃과 노이즈가 적은 개선된 품질 신호를 제공한다. 이상적으로는 수신 신호에서 드롭아웃이나 노이즈는 발생하지 않는다.

또 다른 일반적인 용도는 다중 경로 간섭을 보상하기 위해 Wi-Fi 네트워킹 장비와 무선 전화기에서 사용된다. 기지국은 현재 더 강한 신호를 받고 있는 안테나 2개 중 하나로 수신 전환한다. 최상의 결과를 위해 안테나는 보통 한 파장 간격으로 배치된다. 파장이 100cm 미만인 마이크로파 대역의 경우 동일한 하드웨어에 안테나 2개를 부착해 이를 수행할 수 있는 경우가 많다. 낮은 주파수와 긴 파장의 경우 안테나는 수 미터 떨어져 있어야 하므로 훨씬 덜 합리적이다.

휴대전화 송신탑은 또한 다양성을 이용하는 경우가 많다. 즉, 송신탑의 각 면(부문)에는 종종 두 개의 안테나가 있다. 하나는 송신과 수신이고 다른 하나는 수신 전용 안테나다. 두 개의 수신기가 다양성 수신을 수행하는 데 사용된다.

전기 주탑의 셀 안테나로 섹터당 안테나 2개 표시

송신과 수신 모두에서 여러 안테나를 사용하면 다중 입력 다중 출력(MIMO) 시스템이 된다. 링크의 양쪽 끝에서 다양성 기법의 사용은 공간-시간 코딩이라고 불린다.

MIMO용 안테나 다양성

다양성 코딩은 무선 채널에서 MIMO 시스템을 위한 공간 코딩 기법이다. 무선 채널은 데이터 디코딩 시 비신뢰성을 야기하는 페이딩 현상으로 인해 심각한 피해를 입는다. 기본적으로, 다양성 코딩은 데이터 수신의 신뢰성을 향상시키기 위해 복수의 송신 안테나를 통해 복수의 복사본을 송신한다. 둘 중 하나가 수신되지 않으면 다른 하나는 데이터 디코딩에 사용된다. MIMO는 공간적 다양성과 공간적 멀티플렉싱을 달성한다.

참고 항목

참조

  • J. 문과 Y. 김. "안테나 다양성은 무선 LAN을 강화한다." 통신 시스템 설계, 2003년 1월 15-22페이지
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