Авторът е познат като баща на клетъчните комуникации. Предлаганият съкратен превод на статията му изобилства с използваеми в обучението по физика примери за съвременни приложения на интерференцията на радиовълни, на събиране на сигнали с разнообразни фази и т. н. (Бел. прев.)

Всеки от нас е потопен в море от радиовълни. Невидимата електромагнитна енергия не облъчва от най-различни източници: като се започне от радиопредавателите и се стигне до мрежите на клетъчните телефони. Въпреки че тази радиация може да е безвредна за нашето тяло, тя е в състояние рязко да намали способността ни да приемаме и предаваме информация. Излишната енергия в радиодиапазона е замърсяване, тъй като може да наруши комуникациите. Поради нарастването на интерференчните явления в диапазона на радиочестотите, ние сме принудени да увеличаваме силата на радиосигналите така, че те да могат да бъдат приети, въпреки електромагнитния фонов шум. И понеже нашите електронни комуникации стават все по-интензивни, те просто увеличават врявата, дължаща се на интерференцията на радиовълните.

Едно решение на този проблем е използването на нов клас радиоантени, които биха могли рязко да намалят причинената от хората интерференция. Вместо разточителното предаване на енергия във всички посоки (като това става за разговорите по клетъчните апарати), тези модерни антени следят положението на движещия се потребител и доставят радиосигналите директно само на него. Тези антенни системи също максимизират приемането на сигнала на индивидуалния абонат на клетъчен апарат и минимизират интерференцията от други абонати. Всъщност антените създават виртуални проводници, свързващи апаратите на всички потребители.

Най-общо тези системи са известни като умни антени, но най-умните членове на този клас, разработени през 1992 г. от калифорнийската компания ArrayComm в Сан Хосе, чиито съосновател съм, се наричат адаптивни антенни системи. Всяка от тези системи включва до дузина антени и мощен процесор, който комбинира и обработва входящите и изходящи сигнали.

Физика на антените

За да се разбере как действат умните антени, трябва да се знае как работи една обикновена антена. Най-простите и най-разпространени радиоантени - диполните, представляват обикновена вертикална пръчка с точно определена дължина. Те излъчват енергия във всички хоризонтални посоки, поради което с отдалечаване от тях радиовълните отслабват. Освен това вълните се поглъщат от такива препятствия като въздуха, дърветата и постройките.

Обществените радио- и телевизионни станции трябва да осигурят сигнали на географски разпръсната аудитория, така че за тях е логично да изпращат сигнали във всички посоки. Едно повикване по клетъчен апарат обаче обикновено е предназначено за определен абонат. В клетъчните мрежи абонатите контактуват с най-близката базова станция - една мрежа от антени, която обслужва сигналите от безжичните връзки в прилежащата област (наричана клетка). Базовите станции са разположени така, че общата площ, която трябва да се покрие, да бъде разделена на клетки. Когато един абонат се премести от една клетка в друга, системата автоматично превключва повикването към съответната базова станция. В тази ситуация би било желателно енергията да се фокусира върху абоната, така както рефлекторът на фенерчето фокусира светлината в тесен лъч. Радиолъчът би се разпространил много по-далеч, отколкото сигнал със същата мощност, излъчен във всички посоки. И доколкото лъчите, излъчени от клетъчната базова станция към различни абонати ще бъдат разделени в пространството, интерференцията ще отслабне.

Рефлекторите могат да фокусират радиовълни в тесни снопове, но те са неудобни и скъпи. Ето защо са разработени други начини за насочване на радиовълни. Ако изправим две антени една до друга на разстояние, равно на половин дължина на вълната, тази проста система ще излъчва енергия предимно в посока, перпендикулярна на равнината, определена от антените. Наистина, до един абонат, намиращ се в тази посока, техните сигнали достигат с еднакви фази и затова амплитудата на общият сигнал е сума от техните амплитуди. В същото време до абонат, намиращ се в равнината на антените, сигналите пристигат в противофаза и взаимно се погасяват. Снопът, излъчен от система от две антени е все пак твърде широк и освен това - разпространяващ се в две противоположни посоки. Той може да бъде направен по-тесен чрез добавяне на повече антени.

Прицелване на лъча

Ползата от радиолъчите обаче би била малка, ако не могат да бъдат насочени към абоната, за който е предназначено дадено съобщение. Очевидното решение е цялата решетка да се завърти в необходимата посока, но този начин е много неудобен и скъп. Много по-лесно е да се управлява радиолъчът по електронен път. Като се използва техника, наричана превключване на лъча, антенната решетка създава група от застъпващи се радиолъчи, които покриват равномерно цялата заобикалящата площ. Когато един абонат набере някакъв номер, радиоприемникът в базовата станция определя кой лъч осигурява най-силен сигнал от абоната. Тогава предавателят на решетъчната система отговаря на абоната, като използва същия лъч, от който е получен сигналът. Ако абонатът премине от областта на началния лъч в съседната, системата за радиоконтрол го превключва към новия лъч, който се използва и за приемане, и за предаване.

Превключването на лъчите обаче не работи добре в реалния свят на безжичните комуникации. За да бъде един лъч ефективен, абонатът трябва да се намира върху неговата ос. С отдалечаване на абоната от оста сигналът отслабва и при достигане границата на лъча връзката може да се прекъсне преди системата да го превключи към съседния лъч.

Друго предизвикателство към системите, превключващи радиолъчите, представлява фактът, че радиосигналите рядко се разпространяват праволинейно. Сигналът, който приемате с вашия клетъчен апарат, обикновено е комбинация от отразени от естествени или изкуствено създадени обекти - здания, планини, транспортни средства, дървета и т. н. И тези отразени сигнали постоянно се променят, особено тези, причинени от големи превозни средства (например автобуси). Това явление засяга също така сигнала, изпратен от един абонат към базовата станция. Ако абонатът е близо до края на лъча, благодарение на отраженията и преди да достигне до антените изпратеният от него сигнал може да се окаже по-силен в областта на съседния лъч. В този случай антенната решетка ще изпрати отговор в погрешна посока и връзката няма да се осъществи.

Ефектът на коктейла

Кое прави адаптивните системи толкова умни? Ключовият момент е обработката на информацията, приета от техните системи. Една удачна аналогия е начинът, по който мозъкът обработва акустичната информация, получавана чрез ушите. Един човек с нормален слух обикновено може да локализира източника на звука дори със затворени очи. Извивките на ушните миди водят до различни резонанси в зависимост от ъгъла, под който идва звука. И стига звукът да не идва точно отпред или отзад (или пряко над или под главата), той достига едното ухо преди да достигне другото, така че има известен интервал време между сигналите, приети от двете уши. Мозъкът приема тази информация и бързо пресмята посоката към източника.

Нещо повече, хората с нормален слух могат да възприемат относително слаби звуци - да речем да следим интересен разговор на фона на силен шум. Това явление обикновено е известно като "ефект на коктейла". Изследванията показват, че способността да се фокусираме върху конкретен звук отчасти зависи от способността да определим посоката към източника му. При един експеримент, който цели да установи доколко хората могат да чуят един сигнал, докато са заливани с фонов шум, се установява, че тези, които слушат с две уши са способни да възприемат много по-тихи звуци от онези, които слушат само с едно ухо. Щом мозъкът установи посоката към звуковия източник, той може да се фокусира върху този звук и не се настройва на нежелания шум, идващ от други посоки.

Аналогично, една система от адаптивни антени може да определи посоката към източника на радиосигнала и селективно да усили само него, подтискайки конкуриращите го сигнали. "Мозък" на системата е дигитален процесор, който може да обработва сигналите, които пристигат по проводниците от антените. Една типична адаптивна система се състои от 12 антени, но с цел за простота ще разгледаме система от само две антени, отстоящи на разстояние, равно на половин дължина на вълната на радиосигнала. В една обикновена система сигналите от двете антени просто се наслагват, докато в адаптивната система те се изпращат в процесора, който може да извърши върху тях произволен брой математически операции.

Да предположим например, че системата е ориентирана в посока север - юг и в нея постъпва сигнал от абонат на клетъчен телефон, който се намира източно от антените. Процесорът бързо определя посоката, от която идва сигналът: радиовълните достигат двете антени едновременно, следователно идват от направление, перпендикулярно на равнината на антените. За да максимизира приемането, процесорът събира сигналите, при което амплитудата се удвоява. Когато предава обратно към абоната, системата излъчва еднакви сигнали от двете антени.

Да предположим сега, че друг абонат изпраща сигнал от юг. Поради това, че в този случай радиовълните, достигнали северната антена, са в противофаза на тези, прието от южната антена, процесорът познава, че този сигнал идва от посока, успоредна на равнината на антената. Сега той вади единия сигнал от другия, т. е. той инвертира сигнала, приет от северната антена, разменяйки местата на неговите минимуми и максимуми, и едва тогава събира този огледален образ на сигнала със сигнала от южната антена. В резултат амплитудата на общия сигнал отново е два пъти по-голяма от тази на сигнала, приет от една от антените. И когато системата излъчва обратно към този абонат, процесорът изпраща към една от антените сигнала в противофаза, така че се генерира радиолъч, насочен от север на юг.

Забележете, че и в двата случая радиолъчът, предназначен за единия абонат, не достига до другия абонат. Двата абоната могат да комуникират с адаптивната система по едно и също време и като използват един и същ честотен канал, без техните сигнали да интерферират един с друг. Процесорът на системата би могъл да генерира радиолъчи и в други посоки, като за целта извършва по-сложни математически операции със сигналите от двете антени. По такъв начин задачата за избирателно приемане и предаване се свежда до решение на система от уравнения. За да насочва лъча към абонат, който се движи, процесорът трябва непрекъснато да решава уравненията с непрекъснато обновяващите се данни от системата антени.

Използването на по-голям брой антени в адаптивната система увеличава точността на определянето на местоположението. Система от 12 антени може да приема сигнали, 12 пъти по-слаби от този, който може да приеме една антена. Тази система е в състояние да излъчва 12 пъти по-мощно и по насочено. И процесорът може да жонглира със сигналите от антените така, че да създаде такива насочени лъчи, които осигуряват максимално усилване на желания сигнал и максимално подтискане на другите сигнали, имащи същата честота.

Тъй като процесорът е достатъчно бърз, за да решава задачата много пъти за една секунда, системата е в състояние непрекъснато да следи с радиолъча абоната, когато той ходи или шофира в покрития от системата район. При това тя е конструирана така, че случайни отражения на сигнала от абоната от превозни средства или здания не предизвикват резки промени в посоката на лъча. Проследявайки пътя на абоната, системата може да оцени вероятността на бъдещите движения и да отхвърли грешната информация, сочеща внезапни смени на местоположението.

По-нататък, най-модерните адаптивни системи могат да извлекат преимущество от приемането на многократно отразени сигнали от един и същ източник. Процесорите в тези системи са толкова мощни, че обработват информацията от всички отразени сигнали, изминали различни пътища от абоната до адаптивната система. Като включи в уравненията и данните от многократно отразените сигнали, процесорът екстраполира не само посоката, но определя и точното местоположение на абоната. В една градска среда, където има многократни отражения, адаптивната система може да приема от и да предава само към малката площ около абоната. Вместо да излъчва радиолъч, системата създава "персонална клетка", чиито радиус може да бъде от порядъка на сантиметри. И тъй като системата непрекъснато преизчислява положението на абоната, тази персонална клетка може да следва неговото движение.

Изгоди и приложения

Безжичните мрежи, които използват адаптивни системи от антени, имат няколко предимства над обикновените клетъчни системи. Преди всичко поради това, че при една и съща мощност една снабдена с адаптивна система базова станция има далеч по-голям от обикновените станции обхват, за покриване на определена площ е достатъчен по-малък брой станции. Въпреки по-голямата цена на адаптивните антенни системи, намаляването на броя на базовите станции драстично съкращава общите разходи за разгръщане и експлоатация на мрежата.

Адаптивните системи позволяват на операторите на клетъчни системи да използват по-ефективно предоставения им спектър от честоти. Много клетъчни системи се претоварват от абонати - в определени задръстени сектори броят на сигналите е толкова голям, че превишава количеството, което може да бъде пренесено на ограничения брой радиоканали. Тъй като адаптивните системи допускат няколко абоната да използват един и същ радиоканал в рамките на една базова станция, технологията увеличава капацитета на спектъра. Увеличението в сравнение с обикновените антени е съществено: базови станции, снабдени с адаптивни антенни системи могат да обслужват около шест пъти повече телефонни разговора и до 40 пъти по-голям брой линии за предаване на данни. Резултатът е по-добро обслужване и по-малка интерференция, без да се отчитат по-малките загуба на енергия и радиозамърсяване.

При това положение не е изненадващ фактът, че днес адаптивни системи от антени са монтирани в над 150 000 базови станции в Япония, Китай, Тайланд и в други страни на Азия и Африка. Те осигуряват телефонни услуги за над 15 млн. абонати. По различни причини навлизането на адаптивните системи в САЩ и Европа е забавено.

За почти стоте години след като Александър Грахам Бел откри телефона, гласовата комуникация почиваше на физическа връзка - медна жица или коаксиален кабел между абоната и мрежата. През последните 30 години обаче клетъчните телефони ни дадоха усещането за свобода да комуникираме без жици. С помощта на технологията на адаптивните системи безжичните оператори ще бъдат в състояние да предложат по-добро обслужване на много по-ниска цена, от тези, които предлагат жичните мрежи. Само тогава ние ще се освободим от медния кафез.

Превод със съкр. от SciAm: Х. Д.