НИР «Растр»

НИР по теме: «Исследование и отработка современных технологий проектирования адаптивных («умных») антенн и поиска решений для систем связи будущего» (шифр «Растр»).

Выполнение научно-исследовательской работы по государственному контракту № П33-1-26/7 от «26» февраля 2021 г., заключенного с Россвязью (Минцифры России) в рамках национальной программы «Цифровая экономика Российской Федерации».

Научный руководитель: Кирик Д.И., к.т.н., доцент.

Этапы выполнения НИР:

• Этап № 1: с 26.02.2021 по 31.03.2021,
• Этап № 2: с 01.04.2021 по 30.06.2021,
• Этап № 3: с 1.07.2021 по 15.12.2021,
• Этап № 4: с 16.12.2021 по 31.03.2022,
• Этап № 5: с 01.04.2022 по 30.06.2022,
• Этап № 6: с 01.07.2022 по 15.12.2022,
• Этап № 7: с 16.12.2022 по 15.11.2023,
• Этап № 8: с 01.04.2023 по 30.11.2023,
• Этап № 9: с 01.07.2023 по 15.12.2023.

На Этапе № 1 «Исследование текущего состояния проблем создания и развития адаптивных антенн в современной и перспективной сетевой инфраструктуре» в период с 26.02.2021 по 31.03.2021 выполнялись следующие работы:

   1.1. Исследование тенденций развития адаптивных антенн в современной и перспективной сетевой инфраструктуре;

   1.2. Исследование типов и конструкций антенн базовых станций;

   1.3 Исследование типов и конструкций антенн мобильных устройств.

В ходе выполнения Этапа № 1 проекта получены следующие основные результаты:

В результате исследования тенденций развития адаптивных антенн в современной и перспективной сетевой инфраструктуре выявлены основные преимущества и противоречия существующих решений в части используемых алгоритмов обработки сигналов в АР. Определено, что пространственно-временная обработка сигналов (ПВОС) в современной и перспективной сетевой инфраструктуре включает в себя формирование сигнальных конструкций и пространственно-временное кодирование на передаче, адаптивную обработку сигналов в приемной АР, декодирование пространственно-временного кода и обработку сигнальных конструкций на приеме.

Для систем радиосвязи наиболее применимы среди критериев адаптации АР критерий минимума СКО с формированием опорных сигналов по известной структуре полезного сигнала и критерий максимума ОСШП с ограничениями на подавление в секторах прихода полезного сигнала, которые и будут взяты за основу при проведении дальнейших исследований. Выявлено, что среди алгоритмов адаптивной обработки сигналов в АР с точки зрения практической реализации представляют наибольший интерес неитерационные алгоритмы, основанные на непосредственном обращении корреляционных матриц с учетом их специального вида, и ускоренные градиентные алгоритмы с переменным шагом адаптации.

Определены перспективные системотехнические и аппаратные решения, применимые для построения перспективных антенн базовых станций. Рассмотрены перспективные технологии реализации многолучевых антенных систем на примере существующих решений. Для отработки вопросов практической реализации алгоритмов адаптации предлагается создание 8-элементной антенной решетки на основе печатных/щелевых антенн. Конкретный выбор антенн будет основываться на выборе диапазона для макета и требований к полосе пропускания.

Определены перспективные технические и аппаратные решения, применимые для построения перспективных антенн мобильных устройств (5G) в диапазонах Sub-6-GHz (менее 6 ГГц) и mmWave (миллиметровые волны). В дальнейшем при определении границ рабочего диапазона макета предлагается реализация и практические испытания антенной решетки. Выбор типа и технологии изготовления антенн будет основываться на выборе диапазона для макета и требований к полосе пропускания.

На Этапе № 2 «Исследования современных методик пространственно-временной обработки сигналов в программно-определяемых системах» в период с 01.04.2021 по 30.06.2021 выполнялись следующие работы:

 2.1. Исследование способов пространственно-временной обработки сигналов в программно-определяемых системах;

 2.2. Исследование и разработка методик пространственно-временной обработки сигналов в программно-определяемых системах;

  2.3 Выполнение патентных исследований в соответствии ГОСТ Р 15.011-96 «Система разработки и постановки продукции на производство. Патентные исследования. Содержание и порядок проведения» по оценке научно-технического уровня решений по построения адаптивных антенн в современной и перспективной сетевой инфраструктуре.

В ходе выполнения Этапа № 2 проекта получены следующие основные результаты:

В качестве метода пространственно-временного кодирования при изготовлении макета восьмиэлементной адаптивной антенны будет использован блоковый ортогональный код с обработкой на приемной стороне по алгоритму МСКО.

В качестве алгоритмов диаграммообразования восьмиэлементной адаптивной антенной системы на этапе создания макета адаптивной восьмиэлементной АР при выполнении III этапа НИР будем рассматривать:

•  градиентные алгоритмы адаптации с переменным шагом с прекодированием и без для адаптации передающих и приемных антенн;
•  прямые алгоритмы адаптации для центрально-симметричных антенных систем с оцениванием корреляционных матриц специального вида;
•  алгоритмы направленного поиска весовых коэффициентов для адаптации пассивных антенных систем.

По результатам патентных исследований подтверждено отнесение процедур пространственно-временной обработки сигналов на основе технологии программно-определяемых систем и проектирования антенно-фидерных систем для их реализации к наиболее перспективному направлению адаптивных («умных») антенн для систем связи будущего, получена всесторонняя оценка технического уровня существующих объектов интеллектуальной собственности, обоснованы и предложены технические решения для регистрации в Роспатенте, права на которые будут принадлежать Российской Федерации.

На Этапе № 3 «Исследования технологий создания антенн для перспективной сетевой инфраструктуры» в период с 01.07.2021 по 15.12.2021 выполнялись следующие работы:

 3.1. Исследования технологий создания современных антенн, в том числе аддитивных;

 3.2. Исследование и обоснование вариантов системотехнических решений по построению антенно-фидерных систем для перспективной сетевой инфраструктуры.

В ходе выполнения Этапа № 3 проекта получены следующие основные результаты:

В настоящее время существует несколько основных численных методов расчета электромагнитных полей, область оптимального применения которых зависит от задачи. Для синтеза антенно-фидерных элементов большинстве случаев оптимальным является метод конечных элементов. Однако для электрически больших объектов (например, зеркальная антенна) оптимальным является метод моментов, а в случае антенных систем и комплексов размерами в сотни и тысячи длин волн – метод трассировки лучей с элементами теории дифракции.

Для производства антенн диапазона 700МГц – 5ГГц используются технологии механической обработки, печатных плат и аддитивные технологии. В настоящее время аддитивные технологии находят все большее применение, причем перспективным является применение технологий cтереолитографии + металлизации, метода наплавления и прямого лазерного спекания металла для диапазона миллиметровых волн 24.5-27.5ГГц.

Антенные решетки базовых станций должны работать в нескольких диапазонах частот одновременно, с использованием поляризаций +45/-45 градусов. Наиболее перспективным является создание совмещенных излучающих элементов и перекрывающееся расположение антенных элементов НЧ и ВЧ диапазонов.

По результатам проведенных в рамках НИР оценок и опыта опытной эксплуатации тестовых систем 5G сотовыми операторами было определено, что наиболее перспективными для развития в ближайшем будущем являются диапазоны 2300-2400 МГц, 2570-2620 МГц.

Наиболее перспективным является построение совмещенной решетки с многодиапазонными излучающими элементами.

Для создания макета 8-элементной антенной решетки был проведен предварительный расчет 8-элементной антенной решетки с излучающими элементами, для работы в полосе частот 2300-2700МГц. Полученные результаты позволяют сделать вывод о возможности создания на основе данного решения 8-элементной антенной решетки.

Для практической реализации в качестве алгоритма адаптивного диаграммообразования для приемных антенных систем базовых станций выбран градиентный итерационный алгоритм с переменным шагом адаптации, определяемым по значению мгновенной мощности сигналов в текущий момент времени. Данный алгоритм, как показали результаты анализа в среде MATLAB, может работать в условиях априорной неопределенности относительно параметров сигнально-помеховой обстановки. Для практической реализации в качестве алгоритмов адаптивного диаграммообразования для передающих антенных систем базовых станций, как показали результаты анализа в среде MATLAB, целесообразно использовать модифицированный алгоритм Ньютона с переменным шагом адаптации и с прекодированием.

Исследование возможностей реализации алгоритмов адаптивного диаграммообразования на отладочной плате HiTech Global HTG-ZRF8-28 показали возможности реализации предлагаемых алгоритмов на внутреннем процессоре обработки сигналов платы в реальном масштабе времени для восьмиэлементной антенны.

Анализ вариантов схемотехнических решений по сопряжению отладочной платы HiTech Global HTG-ZRF8-28 с активной восьмиэлементной антенной решеткой для построения антенно-фидерных систем показал техническую возможность сопряжения на основе предложенной схемы приемо-передающего тракта. Выбрана элементная база для реализации отдельных элементов антенно-фидерных систем, выполняющих функции сопряжения отладочной платы HiTech Global HTG-ZRF8-28 с активной восьмиэлементной антенной решеткой. Возможность практической реализации предложенного варианта приемо-передающего тракта подтверждена моделированием в программе ADISim, на основании которого определены эквивалентные радиотехнические характеристики тракта.

На Этапе № 4 «Разработка и изготовление макетного образца адаптивной восьмиэлементной цифровой антенной решетки» в период с 16.12.2021 по 31.03.2022 выполнялись следующие работы:

  4.1 Разработка технического задания на разработку макетного образца адаптивной восьмиэлементной цифровой антенной решетки;

  4.2 Изготовление технической документации макетного образца адаптивной восьмиэлементной цифровой антенной решетки;

  4.3 Изготовление программной документации макетного образца адаптивной восьмиэлементной цифровой антенной решетки;

  4.4   Изготовление макетного образца адаптивной восьмиэлементной цифровой антенной решетки.

В ходе выполнения Этапа № 4 проекта получены следующие основные результаты:

Разработано техническое антенной решетки. Было утверждено создание 8-элемнтной цифровой антенной решетки двойной поляризации с рабочим диапазоном частот 2300-2620 МГц на основе разработанных широкополосных антенных излучателей, схемы сопряжения и отладочной платы HiTech Global HTG-ZRF8-28.

Разработан комплект конструкторской документации излучающего элемента, антенной решетки и корпуса платы. Проведены расчеты обеспечения теплового режима для отладочной платы HiTech Global HTG-ZRF8-28. Произведенные расчеты показывают, что разработанный корпус и установленные в него вентиляторы обеспечивают нормальный тепловой режим работы устройства.

Разработан комплект программной документации, содержащий руководство оператора, руководство программиста, описание программы, текст программы. Настоящий комплект содержит правила обеспечения корректного применения программного средства информационного взаимодействия – макетный образец адаптивной восьмиэлементной цифровой антенной решетки.

Для элементов антенной решетки были проведены предварительные измерения некоторых параметров – КСВН и взаимной развязки S21, было подтверждено соответствие антенных элементов техническому заданию. Для дальнейшего уменьшения взаимной связи необходима установка дополнительных пассивных элементов развязки между соседними излучателями антенной решетки.

На Этапе № 5 «Разработка методик проведения натурных экспериментов с адаптивными антеннами и их элементами в перспективных диапазонах частот» в период с 01.04.2022 по 30.06.2022 выполнялись следующие работы:

5.1 Разработка программы проведения натурных экспериментов с адаптивными антеннами и их элементами в перспективных диапазонах частот;

5.2 Разработка методик проведения натурных экспериментов с адаптивными антеннами и их элементами в перспективных диапазонах частот;

5.3 Разработка методик оценки результатов натурных экспериментов с адаптивными антеннами и их элементами в перспективных диапазонах частот. 

В ходе выполнения Этапа № 5 проекта получены следующие основные результаты:

1.      Разработана программа проведения натурных экспериментов с ААР, которая включает в себя проведение исследований в среде MATLAB с использованием реальных сигналов и помех и определения ОСПШ и параметров ДН в различных ситуациях сигнально-помеховой обстановки, и проведение испытаний в безэховой камере (БЭК).

2.      Разработаны методики измерения характеристик ААР в режиме приема и передачи, включающие методики генерации опорных сигналов, формирования сигнально-помеховых излучений с различными энергетическими и угловыми характеристиками и определение основных параметров приемных и передающих ААР.

3.      Разработана методика интерпретации результатов натурных экспериментов с адаптивными антенными решетками и их элементами по основным параметрам, характеризующим работу ААР.

На Этапе № 6 «Проведение исследований адаптивных антенн и их элементов в перспективных диапазонах частот» в период с 01.07.2022 по 15.12.2022 выполнялись следующие работы:

6.1 Разработка моделей для исследований адаптивных антенн и их элементов в перспективных диапазонах частот;

6.2 Проведение исследований адаптивных антенн и их элементов в перспективных диапазонах частот с применением разработанных моделей.

В ходе выполнения Этапа № 5 проекта получены следующие основные результаты:

1.      Разработаны модели для исследований адаптивных антенн и их элементов в перспективных диапазонах частот в среде MATLAB. При этом созданы модели трех типов алгоритмов, использование который было обосновано на предыдущих этапах, а именно – градиентного алгоритма с переменным шагом адаптации для приема одного полезного сигнала на фоне помех (при организации связи между базовыми станциями), алгоритма непосредственного обращения корреляционных матриц для приема нескольких сигналов (при организации связи базовых станций с абонентскими) и алгоритма формирования передающей диаграммы направленности с прекодированием.

2.      Проведено исследование алгоритмов в MATLAB в соответствии с программами и методиками проведения натурных экспериментов с адаптивными антеннами и их элементами в перспективных диапазонах частот, для всех исходных данных по программам и методикам получены теоретические результаты, которые в дальнейшем будут сравниваться с результатами натурных испытаний в БЭК.

3.      Разработаны программы в MATLAB для оценки результатов натурных экспериментов с адаптивными антеннами и их элементами в перспективных диапазонах частот.

На Этапе № 7 «Разработка методик исследования чувствительных аналоговых трактов и ЭМС адаптивных антенн в действующей и перспективной сетевой инфраструктуре» в период с 16.12.2022 по 15.11.2023 выполнялись следующие работы:

6.1 Разработка методик исследования чувствительных аналоговых трактов в экранированной камере;

6.2 Разработка методик исследования ЭМС адаптивных антенн в действующей и перспективной сетевой инфраструктуре.

В ходе выполнения Этапа № 7 проекта получены следующие основные результаты:

1. Разработаны методики исследования чувствительных аналоговых трактов в экранированной камере, включая:

• определение основных показателей качества аналоговых устройств, подлежащих измерению и контролю на 8 этапе выполнения НИР;
•  методики измерения параметров аналоговых СВЧ-трактов.

2. Предложен метод анализа ЭМС РЭС с ААР, основанный на использовании упрощенных систем сравнения и критериев ЭМС, связанных с критериями обработки сигналов в ААР.

3. Проведен анализ уровней боковых и задних лепестков ДН разработанной восьмиэлементной ААР, который показал, что несмотря на некоторый рост уровней лепестков ДН при адаптации обработка сигналов позволяет усиливать полезный сигнал вне зависимости от его углов излучения и осуществлять подавление наиболее мощных взаимных помех, число которых определяется числом степеней свободы ААР, что решает задачу обеспечения ЭМС в радиотехнических системах с ААР.