Beamforming e DoA

Il vantaggio di un sistema Beamforming rispetto ad antenne omnidirezionali

Il vantaggio di un sistema Beamforming rispetto ad antenne omnidirezionali è che riesco ovviamente ad avere un guadagno più elevato, aumentando la copertura lungo la direzione e riducendo le antenne. Il focalizzare la radiazione verso la posizione dell'utente mi riduce l'interferenza: rispetto al sistema omnidirezionale che irradia a 360°, non ho radiazione sull'utente che viene interferito, quindi un fascio stretto sulla direzione dell'utente mi dà un nullo su un utente che non ha interesse a ricevere quel segnale. Ciò comporta una riduzione dell'interferenza, un aumento del rapporto segnale/rumore sui singoli utenti e un aumento della capacità di sistema.

Allo stesso tempo, l'antenna che implementa un beamforming multiplo aumenta la capacità di sistema perché posso trasmettere contemporaneamente due fasci in direzioni diverse (trasmetto sulla stessa frequenza contemporaneamente su direzioni opposte, per due utenti diversi). Ciò permette di effettuare una SDMA (Spatial Division Multiple Access) e incrementare la capacità del sistema.

della capacità trasmissiva grazie alla possibilità di direzionare i fascitrasmissivi. Un ultimo miglioramento è quello relativo alla riduzione degli effetti del multipath: Se ho degli ostacoli ci sarà una componente che va verso la radiobase e un’altra componente riflessa che andrà verso la radiobase, con percorsi diversi, e il multipath mi provoca degrado della qualità del segnale. Stringendo il logo verso la direzione dell’utente, avrò un’attenuazione intrinseca dovuta ad un basso Gdell’antenna ricevente rispetto alla direzione del cammino indesiderato, quindi c’è miglioramento legato al fascio stretto della direzione d’antenna (sia in UL che in DL).

Beamforming: Per fare Beamforming devo considerare la differenza di fase menti di antenna, a seguito di un fronte d’onda che arriva non ortogonale al piano dell’array (se la direzione del fascio incidente fosse ortogonale al piano dell’array,

Il fronte d'onda arriverebbe contemporaneamente su tutte le antenne dell'array. Se invece, come in questo caso, la direzione dell'onda piana incidente è obliqua rispetto al piano dell'array, l'onda em ricevuta dalle antenne è sfasata, sfasata in relazione alla distanza d tra singole antenne e l'inclinazione del raggio incidente rispetto al piano dell'array. Gioco con questa differenza di fase per poter allineare (sommare) in fase tali contributi e ottenere una ricezione coerente rispetto alla direzione di arrivo (direzione verso cui voglio irradiare il mio segnale). Se voglio focalizzare l'array verso una direzione fik, devo andare a sommare una differenza di fase antenna-antenna che mi è data dalla geometria dell'array (tramite distanza d), o in trasmissione devo imporre una differenza di fase tra le singole antenne in modo da generare un'onda che risulti essere in fase su un piano perpendicolare alla direzione.

di propagazione verso cui voglio focalizzare il mio fascio. Quindi lo sfasamento di ogni antenna deve tener conto della posizione nell'array stesso (prima antenna sfasamento nullo), poi le antenne successive devono essere progressivamente sfasate in relazione alla distanza, tramite tale relazione Basic phased array configuration. Tale schema prevede che il segnale di ogni antenna venga opportunamente pesato in fase. Tale considerazione è vera ma solo per un sistema a banda stretta (Narrowband). Il problema si complica a banda larga (Wideband), quindi range delle frequenze del mio segnale molto ampio; se associo una certa relazione di fase ad una frequenza della mia banda larga, altre frequenze hanno una relazione di fase totalmente diverse. Quindi in Beamforming devo porre attenzione alla distinzione tra Narrowband e Wideband (i nostri sistemi sono a banda valentemente). La distinzione tra tali sistemi è data dalla definizione di larghezza di banda frazionale: con fh e fl sonogli estremi della banda. Quindi vado a calcolare la FB rapportando la larghezza di banda rispetto alla banda centrale. La definizione di banda frazionale considera un segnale a banda stretta quando FB<=1%; se FB>1% è considerato a banda larga. Se un segnale è a banda stretta (Narrowband), la relazione di fase trovata vale per tutte le frequenze che compongono lo spettro del segnale (tutte le componenti armoniche vengono indirizzate in questa composizione dell'array). Se invece sto considerando un segnale a banda larga (Wideband) non garantisco a garantire che, fissata la stessa differenza di fase costante tra tutte le antenne, al variare della frequenza tra fh e fl, la loro composizione dia luogo alla direzione di massima radiazione. Quindi in tal caso di banda larga dovrò andare a pesare, ad applicare degli sfasamenti alle diverse frequenze. Quindi se voglio applicare il Beamforming ad un segnale a banda larga, una procedura è quella in cui ogni segnalequando siamo in grado di stimare la direzione di arrivo del segnale. La DoA è un processo che ci permette di determinare la provenienza di un segnale e può essere utilizzata in diverse applicazioni, come ad esempio la localizzazione di sorgenti sonore o la comunicazione wireless. Per stimare la DoA, possiamo utilizzare diversi algoritmi, come ad esempio l'algoritmo di Maximum Likelihood (ML) o l'algoritmo di Minimum Variance Distortionless Response (MVDR). Questi algoritmi sfruttano le informazioni spaziali raccolte dall'array di antenne per calcolare la direzione di arrivo del segnale. Una volta stimata la DoA, possiamo utilizzare questa informazione per regolare il vettore di sfasamento e ottenere una migliore direttività del fascio verso l'utente desiderato. In questo modo, siamo in grado di ridurre l'interferenza e migliorare la qualità del segnale trasmesso. In conclusione, il Beamforming è una tecnica che ci permette di migliorare la direttività del segnale trasmesso utilizzando un array di antenne. La DoA è un elemento chiave per il funzionamento del Beamforming, in quanto ci permette di stimare la direzione di arrivo del segnale e ottimizzare la trasmissione verso l'utente desiderato.nel momento in cui io sola direzione verso cui focalizzare il fascio dell'array (inviare la mia radiazione em). È quindi importante implementare algoritmi di stima della direzione di arrivo e la radiobase sa dove focalizzare il fascio dell'antenna che irradia il segnale allo specifico utente. Consideriamo di avere tot. antenne, di avere una sorgente che irradia energia em (utente) di cui dobbiamo stimare la direzione d'arrivo (angolo teta rispetto al piano dell'array); sappiamo che il fronte d'onda generato dall'utente arriva alle antenne sfasato per effetto della distanza delle antenne e dell'angolo di arrivo. A banda stretta, consideriamo una sorgente s1(t) che invia un segnale che incide su un array lineare θ1, uniforme con M antenne in Rx con direzione scrivo y1(t) come segue: Con a(θ1) è il ritardo temporale alle differenti antenne, e φ(θ1) è il termine noto che conosciamo, ovvero la differenza di fase che

c'è per effetto della differenza di cammino tra i singoli elementi della schiera. Andare a cercare il picco della Trasformata di Fourier in θ mi dà l'angolo di arrivo di questo segnale.