Design and analysis approaches to compact directional antennas for cognitive radio

Medientyp: E-Book; Hochschulschrift

Titel: Design and analysis approaches to compact directional antennas for cognitive radio

Beteiligte: Murtaza, Noman [Verfasser:in]; Hein, Matthias [Sonstige Person, Familie und Körperschaft]; Thomä, Reiner [Sonstige Person, Familie und Körperschaft]; Luxey, Cyril [Sonstige Person, Familie und Körperschaft]

Erschienen: Ilmenau, 2014
2015

Umfang: Online-Ressource (PDF-Datei: X,134 S., 12,39 MB); Ill., graph. Darst

Sprache: Englisch

Identifikator:

Schlagwörter: Kognitiver Funk > Mehrbandantenne > Vertikalantenne > Richtstrahler

Entstehung:

Hochschulschrift: Ilmenau, Techn. Univ., Diss., 2014

Anmerkungen: Parallel als Druckausg. erschienen
Systemvoraussetzungen: Acrobat reader

Beschreibung: Cognitive radio (CR) ist eine neuartige Technologie, die es erlaubt die spektralen Funkressourcen intelligent und effektiv zu nutzen. Jüngste Messkampagnen beweisen, dass die zugewiesenen Frequenzbänder der lizenzierenden Benutzer nicht effizient genutzt werden. Außerdem benötigen moderne Funktechnologien mehr Spektrum, um wachsenden Datenübertragungsrate- und Quality-of- Service-Anforderungen gerecht zu werden. Cognitive radio erlaubt die Sekundärnutzung von nicht vollständig genutzten Frequenzbereichen, wobei die Primärnutzung durch Lizenzinhaber nicht gestört werden darf. Seit der ersten Erwähnung von Cognitive radio im Jahr 1999 lag der Fokus auf Frequenz- bzw. spektralen Ressourcen. Allerdings ist dies für die Anforderungen von zukunftsweisenden Funktechnologien nicht ausreichend. Eine Kombination aus der Betrachtung von Frequenz, Raum/Richtung und Zeit ermöglicht eine noch effizientere Nutzung des Funkspektrums. Dabei kommen Technologien wie beispielsweise die Schätzung der Empfangsrichtung und die Interferenzunterdrückung zum Einsatz. In dieser Arbeit werden Methoden des Entwurfs und der Analyse von direktiven Multibandantennen zur Bereitstellung richtungs- und frequenzabhängiger Funktionalitäten vorgestellt. Dies geschieht mit Hilfe orthogonal angeordneter Multibandantennen und mit kompakten Multibandantennenarrays.Die entworfenen Antennen wurden mit Hilfe von Simulationen, Messungen und durch die Emulation von channel-sounder-Messungen analysiert. Als Referenzantennensystem dient eine konzentrische Anordnung aus Monopolantennenarrays und Absorberplatten zwischen den Antennenelementen. Dieses Referenzantennensystem wurde für die Durchführung von Machbarkeitsstudien in Messkampagnen eingesetzt. Mit einem aus neun Elementen bestehenden Array können entsprechend neun Freiheitsgrade erzielt werden. Diese setzen sich aus drei wählbaren Frequenzbändern (GSM 900 MHz, GSM 1800 MHz, und IEEE 802.11b/g) und drei Richtungen pro Frequenzband zusammen. Das Referenzantennensystem ist in der Lage, Frequenzbänder und Signaleinfallsrichtungen mit einem Signal-zu-Interferenz-Verhältnis von 20 dB unter den reflexionsarmen Bedingungen in einer Absorberkammer aufzulösen. Für das Band des GSM 1800 wurde eine Feldmessung in der Umgebung von vier Basisstationen durchgeführt.Das spektrale Sensing erfolgte nach dem Prinzip der Leistungsdetektion. Möglichkeiten zur richtungsselektiven Kommunikation konnten in einer Vielzahl von GSM-Kanälen für ca. 50 % der Beobachtungszeit detektiert werden. Durch die Reduzierung der Zwischenelementabstände konnte eine kompakte Antenne des konzentrischen Antennenarrays konstruiert werden. Dies führt zu einer gegenseitigen Verkopplung der Antennenelemente und damit zu einer Beeinflussung der Stromverteilung und schließlich der Antennenrichtdiagramme. Um diese Effekte zu minimieren, wurde ein multibandfähiges Anpassungs- und Entkopplungsnetzwerk entworfen, welches die Entkopplung und Anpassung der Antennenelemente mit Modenspezifischen Lasten ermöglicht. Die Rekonfigurierbarkeit in jedem Frequenzband wird durch kapazitive Justierung mit Hilfe von Varaktordioden erreicht. Das multibandfähige Anpassungs- und Entkopplungsnetzwerk und das rekonfigurierbare Netzwerk für GSM 900 wurden auf einer Leiterplatte realisiert und im Hinblick auf Entkopplung, Anpassung, und Strahlungsdiagramme der Ports getestet. Die 10 dB-Bandbreite für Anpassung und Entkopplung der statischen Netzwerke ist ca. 30 MHz. Das rekonfigurierbare Netzwerk stellt eine Bandbreite von mehr als 100 MHz bereit, die mit insgesamt 5 Stufen erreicht wird.Die Richtdiagramme waren in verschiedenen Richtungen mit einem Korrelationskoeffizient kleiner als 30 % orthogonal, und in verschiedenen Frequenzbereichen mit einer Korrelation besser als 70 % selbstähnlich. Schließlich wurde das Verhalten von Richtantennen in heterogenen Ausbreitungsszenarien durch Simulation und Emulation untersucht. Dies beinhalteten Kanalmodelle für Simulation von statischen Szenarien und vorhandenen channel-sounder-Messungen zur Emulation der Mobilitätsszenarien. Verschiedene gemessene und analytisch bestimmte Richtdiagramme wurden verwendet, um die Verfügbarkeit von richtungsabhängigen Kommunikationsressourcen für Cognitive radio zu untersuchen.Simulationen mit analytischen Richtdiagrammen von uniform zirkularer Arrays zeigten, dass die Empfangssignalstärke über die Einfallsrichtungen proportional zum Nebenkeulenpegel der direktiven Richtdiagramme ist. Ein Nebenkeulenpegelvon 20 dB eines Antennenarrays mit 6 Elementen wurde als Optimum gefunden. Die richtungsabhängigen Sendemöglichkeiten von ca. 50 % wurden mit einem Sensing-Schwellwert kleiner -120 dB für mobile Szenarien ermittelt. Die Verfügbarkeit richtungsabhängiger Ressourcen ist abhängig von dem Schwellwert des gewählten Algorithmus für das spektrale Sensing. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass sorgfältig konstruierte direktive Antennen die Existenz richtungsabhängiger Ressourcen für Cognitive radio aufspüren können. Anpassungs- und Entkopplungsnetzwerke für kompakte Antennenarrays können mittels kommerziell verfügbaren konzentrierten Bauelementen mit engen Toleranzen hergestellt werden. Die Rekonfigurierbarkeit solcher Netzwerke kann mittels Varaktordioden erreicht werden. Richtungsabhängige Kommunikation ist mit den vorgeschlagenen Antennen sowohl in statischen als auch mobilen Szenarien möglich.

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