antenna for ultrawide-band applications”, ieee antennas and wireless propagation letters, vol. 7,...

دانشكده مهندسيگروه برق

پايان نامه كارشناسيمخابرات: گرايش

:عنوان

(4G)در مخابرات نسل چهارم UWBهاي ها و سيستمبررسي كاربري آنتن

:استاد راهنمازلفخانيدكتر حبيب اله

:نگارش

حامد گروسي

90شهريور

دهچکي

شروع كرد تا كنون تحوالت بسياري را در 1979از زماني كه مخابرات سيار كار خود را به طور عملي از سال

ها و در ارتقا از نسلي به نسل ديگر رفع كاستيايم، ها و استانداردهاي به كار رفته در اين زمينه شاهد بودهنسل

بهتر و نيز ارائه خدمات ارزانتر از مهمترين اهداف به شمار هاي بيشتر با كيفيت نواقص نسل قبل، ارائه سرويس

ها منجر به بكارگيري هاي متنوع آنهاي مخابراتي و نياز به سرويسرشد وگسترش روز افزون شبكه. رودمي

هاي اخيراً سيستم. سيم اهميت به سزايي دارد اين موضوع در مخابرات بي. هاي بيشتر شده است پهناي باند

UWB امزد مطلوبي براي هاي بسيار باال و توان مصرفي بسيار پايين به عنوان ن يل توانايي ارائه نرخ بيتبه دل

ها اين سيستم. اندهاي استاندارد سازي قرار گرفته ن، مورد توجه مراكز تحقيقاتي و سازماسيم مخابرات بي

شوند و نيز ناميده مي impulse radioها كنند به همين جهت اين سيستم هاي بسيار باريكي ارسال مي پالس

GHzتا چند DCها از حدود پهناي باند اين سيستم. كنند در نتيجه پهناي باند بسيار وسيعي را اشغال مي

بر داشتن پهناي باند كاري مشخص شده از سوي بايست عالوهمطلوب مي UWBيك آنتن از طرفي .باشد مي

FCC يعني آنتن داراي ي فركانسي كاري خود باشددر بازهپايداري نيز ، داراي خصوصيات تشعشعي مناسب و ،

.هاي حامل اطالعات را با كمترين اعوجاج منتقل كنداي با كمترين اعوجاج باشد تا بتواند پالسپاسخ ضربه

باشد تا لزوم استفاده از سيستم هاي مختلف مخابرات سيار ميهدف اين پايان نامه ابتدا آشنايي با نسل

شود و همچنين تعدادي از شرح داده مي UWBتكنولوژي شنهادي هرچه بيشتر روشن شود، در مرحله بعد پي

هاي مونوپل ي فركانس آنتن، بررسي عملكرد حوزههدف بعدي. شوندهاي فرا پهن باند معرفي ميانواع آنتن

چاپي ديسك بيضوي از طريق پلو نيز آنتن مونو CPWي ميكرواستريپ و چاپي ديسك دايروي با خط تغذيه

ي نتايج حاصل از بوسيله. باشدمي 2008ي نسخه CST Microwave studioTMافزار نرمبا سازيشبيه

در مخابرات UWBهايي مناسب براي كاربردهاي توانند آنتنهاي مذكور ميكه آنتن شودروشن ميسازي شبيه

.داشته باشندسيار

I

پيشگفتار

دهندگان تلفن همراه، هاي بزرگ توسعهبا توجه به دنياي ارتباطي كه با آن مواجه هستيم، يكي دغدغه

هاي بيشتري براي انتقال هر روز سرعتباشد به طوري كه موضوع انتقال اطالعات در اين حوزه مي

توسعه است و روند حال ايجاد وبسترهاي الزم براي اين موضوع در شود و دراطالعات در نظر گرفته مي

. آيندهاي باالبه وجود مياطالعات به سمت استفاده از سرعتحركت شبكه و خدمات ارتباطي و فناوري

هاي موبايل در شبكه. كنندر اينترنت حركت ميپس همه به سوي انتقال بسيار سريع اطالعات، خصوصاً د

از .باشدليت تحرك پذيري كامل مورد نظر ميبا قاب1Gbpsنسل چهارم رسيدن به نرخ بيت هاي باال تا

هاي قبل بسيار باالتر نسبت به نسل4Gدر downlinkو uplinkلحاظ تكنيكي در نگاه ساده سرعت

العاده هاي اطالعات كه منجر به كيفيت فوقالبته جداي از نرخ داده باال، تاخير كمتر در ارسال بسته. است

VoIP4هاي همزمان مي شود از ديگر مزاياي ،ويدئو كنفرانس و سرويسGالبته بايد در نظر .باشدمي

شود بدون در نظر گرفتن پهناي باند هاي جديد در نظر گرفته ميداشت نرخ تبادل بااليي كه براي نسل

رد استفاده را از هاي موها سيستمباشد، لذا اين گسترشهاي قبل امكان پذير نميباالتر نسبت به نسل

-هاي فوق پهن باند ميدهد لذا سيستمهاي فوق پهن باند سوق ميلحاظ باند فركانسي به سوي سيستم

.و بعد آن مطرح شوند4Gتوانند به عنوان راهكاري براي رسيدن به اهداف تعريف شده در نسل

ترين اساسي. زيادي شده استهاي درمخابرات و ارسال ديتا استفادهUWBسال اخير از تكنولوژي 20در

هاي مجموعه قوانيني را براي پياده سازي سيستمFCCاز زماني آغاز شد كه UWBتحقيقات در زمينه

UWBفن آوري باند فوق وسيع . سيم و مخابرات داده منتشر كردهاي بير ارتباطات ديتا در سيستمد

)UWB (اين تكنولوژي اولين بار .دباشبرد كوتاه ميراه حل مناسبي براي مخابرات بي سيم سرعت باال با

جنبه عمومي يافت و در 1990در رادارهاي نظامي مورد استفاده قرار گرفت ولي در سال 1960در سال

هاي مرتبط در استاندارد سازيقرار گرفت وFCC)(مورد توجه كميسيون مركزي مخابرات 1998سال

هاي هاي مخابراتي و نياز به سرويسگسترش روز افزون شبكهشد واين زمينه آغاز و از آن روز به بعد ر

. هاي بيشتر شده استمنجر به بكارگيري پهناي باند (4G)به خصوص در مخابرات نسل چهارممتنوع آنها

II

هاي مخابراتي داخل در اين ميان سيستم. سيم اهميت به سزايي دارداين موضوع در مخابرات بي

ساختمان به علت تعداد كاربران زياد با نرخهاي ارسال باال كه در يك فضاي كوچك مستقر هستند، نياز

به دليل توانايي UWBهاي اخيراً سيستم. به پهناي باندي وسيعتر از پهناي باند سيستم هاي موجود دارند

سيم هاي بسيار باال و توان مصرفي بسيار پايين به عنوان نامزد مطلوبي براي مخابرات بيارائه نرخ بيت

هاي سينوسي براي انتقال سيگنال استفاده ها از حاملاين سيستم. چندكاربره، مورد توجه قرار گرفته اند

impulse radioها كنند به همين جهت اين سيستمهاي بسيار باريكي ارسال ميكنند در عوض پالسنمي

پهناي FCC، 2002در سال . كنندشوند و در نتيجه پهناي باند بسيار وسيعي را اشغال مينيز ناميده مي

و GHz2,1اختصاص داد به جز باند UWBهاي را براي كاربرد) GH7,5)GH10,6 -3,1باندي معادل

GHz5,4 كه بهa.802.11 وWi-Fiبر اساس اين قوانين هر سيگنالي كه .اختصاص داده شده است

.گيردقرار ميUWBهاي طيف اشغال كند، در سيستمMHz500حداقل

يابد، ارتقاء ميMbps480كه در فواصل كوتاه تا ،مثل ظرفيت باالي ارسال دادهUWBاي از مزاياي پاره

- و تداخل، ساختار ساده فرستندهاومت در برابر جمينگپايين، نياز به توان ارسالي كم، مقSNR1نياز به

هاي مخابراتي جديد است كه در سيستمها و قابليت نفوذ باالي آن باعث شدهگيرنده نسبت به ساير روش

اي از معايب و مشكالت مثل طراحي پالس مناسب، مشكل تخمين البته پاره. از اين فناوري استفاده شود

ها پرداخته خواهد تداخل چند كاربره نيز در اين سيستم وجود دارد كه به آنكانال، سنكرون سازي و

.شد

در مخابرات نسل چهارم به همراه مزايا و UWBهاي در اين پايان نامه سعي شده كاربري سيستم و آنتن

.يردشده مورد مطالعه قرار گهاي مختلف معرفي ها و آنتنمعايب اين سيستم

Signal to Noise Ratio

III

فهرست مطالب

فصل عنوان صفحه

.................... .............................................................................................................................پيشگفتار

.............. ......................................................................................................................فهرست مطالب

هاي مخابرات سيار كلياتي در مورد نسل. 1اول

2........................................................ ...................................................................................مقدمه ١.١

1G ........................................................................................................................3….نسل اول ١.٢

3..... ...............................................................................................سير تكامل نسل اول١.٢.١

5....................... ..........................................................بررسي كارآيي شبكه نسل اول١.٢.٢

2G....................................................................................................... ......................5دومنسل١.٣

6....................................................................................................سير تكامل نسل دوم١.٣.١

6............... ................................................................كارآيي سيستم نسل دومبررسي ١.٣.٢

7..... ................................................................................هاي سيستم نسل دومقابليت١.٣.٣

8............ .........................................................................مشكالت موجود در نسل دوم١.٣.٤

١.٤2.5G............................................................................................................................. .................8

2.5G............................................................................... .................8سير تكامل نسل ١.٤.١

2.5G................................................................................... ......9بررسي كارآيي نسل ١.٤.٢

١.٥2.75G (EDGE )............................................................................................................. .....10

2.75G................................................................... ............11بررسي كارآيي سيستم ١.٥.١

3G...........................................................................................................................11نسل سوم ١.٦

11........ .........................................................................................سير تكامل نسل سوم١.٦.١

12.......................... .....................................................يي شبكه نسل سومبررسي كارآ١.٦.٢

14......................... ..............................................استانداردهاي كلي شبكه نسل سوم١.٦.٣

IV

15............. .................................................................استانداردهاي معروف نسل سوم١.٦.٤

16................... ...............................................در كشورهاي مختلف3Gروند توسعه ١.٦.٥

17......... ..........................................................................هاي نسل سومطراحي شبكه١.٦.٦

18............. .............................................................................بررسي كارآيي نسل سوم١.٦.٧

18.......... .....................................................................................نرخ تبادل داده1.6.7.1

19... ............................................................................................................امنيت1.6.7.2

3G.......................................................................................20هاي مشكالت و كمبود١.٦.٨

4G.............................................................................. .........................................21نسل چهارم ١.٧

4G.....................................................................................23سير تكامل نسل چهارم ١.٧.١

4G............................................................24و استاندارهاي بي سيم ITUالزامات ١.٧.٢

4G.................................................................................26هاي هدف براي تكنولوژي١.٧.٣

4G......................................................................28در جهت گسترش ITUاهداف ١.٧.٤

4G...........................................................................................29سيستم هاي كانديد ١.٧.٥

1.7.5.1LTE Advanced.....................................................................................29

1.7.5.2IEEE802.16m ياMAN advancedWireless......................30

1.7.5.3UWB ياUltera Wide Band..........................................................30

31......................................................هاي مختلفمقايسه نرخ داده ها در تكنولوژي١.٧.٦

4G..................................................................................................33ي فرضيات آينده١.٧.٧

34......... ...........................................................................................................................خالصه١.٨

UWBمعرفي تكنولوژي . 2دوم

37............................. ..............................................................................................................مقدمه٢.١

39............ .......................................................................................تاريخچه فناوري فراپهن باند٢.٢

UWB............................................................................................................... ............41مفهوم ٢.٣

UWB............................................................................................. ...................43هاي سيگنال٢.٤

V

UWB............................................................................................................... ...........45مزاياي ٢.٥

46................. .........................................................قابليت تقسيم طيف فركانسي٢.٥.١

46.......... ..................................................................................كانال با ظرفيت باال٢.٥.٢

47.......... .............قابليت كاركردن سيستم با نسبت سيگنال به نويز كوچك٢.٥.٣

48......................................................امكان رديابي و استراق سمع بسيار پايين٢.٥.٤

48...........................................................مقاوم بودن در برابر اختالالت پارازيتي٢.٥.٥

49.............................................................هاي چند مسيريكارايي باال در كانال٢.٥.٦

51....................................................................ي نفوذپذيريهاي برجستهويژگي٢.٥.٧

51...................................................................ي گيرنده و فرستندهساختار ساده٢.٥.٨

53........... ............................................................................................................................اهچالش٢.٦

53.............................................................................................اعوجاج شكل پالس٢.٦.١

54..........................................................................................همزماني فركانس باال٢.٦.٢

54..................................................................................تداخل دسترسي چندگانه٢.٦.٣

55...................................... ..................................................باندي و چندبانديهاي تكتكنيك٢.٧

55..........................................................................مستقيمدنبالهUWBتكنيك ٢.٧.١

56.............................................................................چندبانديOFDMتكنيك ٢.٧.٢

UWB.................................................................................................. .................57كاربردهاي ٢.٨

58....................................................................................باالدادهنرخباارتباطات٢.٨.١

FCC...............................................................................................................................59قوانين ٢.٩

FCC........................................................................................60هاي تشعشعي محدوديت٢.١٠

61....................................هاي تعريف شده براي تجهيزات ارتباطيمحدوديت٢.١٠.١

UWB..................................................................................65هاي خاص آنتنمشخصات٢.١١

67.....................................................................................................................................خالصه٢.١٢

باند هاي پهنمعرفي برخي از آنتن. 3سوم

VI

69.................. ...........................................................................................................................مقدمه3.1

UWB................................................................................................................ ......70هاي آنتن3.2

UWB....................................................................................................... ......73هاي آنتنانواع 3.3

73......... ............................................................................فركانسازمستقلهايآنتن3.3.1

74................................................................ويژگي مستقل بودن از فركانس3.3.1.1

75......................................................................................................مكملخودهايآنتن3.3.2

Traveling wave...................................................................................76هاي آنتن3.3.3

77.........................................................................................................رزونانسهدچنآنتن3.3.4

78..........................................................................................................كوچكالمانآنتن3.3.5

UWB.................................................... ...........79هاي هاي موجود در طراحي آنتنچالش3.4

83......... ................................................................................................................................خالصه3.5

ها و بررسي نتايجشبيه سازي4چهارم

85................................................................................................................................................مقدمه4.1

85...........................................................................................................هاي شبيه سازي شدهآنتن4.2

86................................................................پارامترهاي قابل استفاده براي بررسي عملكرد آنتن4.3

87........................................................................................................نمودار تلف بازگشتي4.3.1

4.3.2VSWR............................................................................................................................88

89................................................................................................................هاي تابشيپترن4.3.3

89.......................................................................................................توزيع جريان سطحي4.3.4

90.......................................................................................................امپدانس ورودي آنتن4.3.5

90..............................................................................................سازيبررسي نتايج حاصل از شبيه4.4

90.........................ي ميكرواستريپآنتن مونوپل چاپي ديسك دايروي با خط تغذيه4.4.1

Wave port.......................................................................91ي پورت تغذيه4.4.1.1

SMA Connector........................................................96خط كواكس با 4.4.1.2

VII

CPW.................................100ي آنتن مونوپل چاپي ديسك دايروي با خط تغذيه4.4.2

Wave port....................................................................100ي پورت تغذيه4.4.2.1

SMA Connector.....................................................107خط كواكس با 4.4.2.2

110.........................ي ميكرواستريپدايروي با خط تغذيهآنتن مونوپل چاپي حلقه4.4.3


SMA Connector.....................................................114با خط كواكس4.4.3.2

CPW....................................116ي آنتن مونوپل چاپي حلقه دايروي با خط تغذيه4.4.4


SMA Connector....................................................120خط كواكس با 4.4.4.2

123......................................آنتن مونوپل چاپي صفحه بيضوي با خط ميكرواستريپ4.4.5


SMA Connector....................................................128خط كواكس با 4.4.5.2

130............................................................................................................................................خالصه4.6

131پنجم مراجع

هاي مخابرات سياركلياتي در مورد نسل

فصل اول

٢

مقدمه 1.1

تحكيم روابط بوده و اين ارتباط در دانش، اطالعات و طباتهاي رشد و پيشرفت بشر برقراري اريكي از پايه

- با توجه به روند رو به رشد علم و تحوالت مهمي كه در زمينه. استاي را ايفا كردهها نقش برجستهانسان

شود ارتباطات سيار نيز از اين امر مستثني نبوده و دستخوش هاي مختلف صنعت و فناوري ديده مي

ها و نواقص نسل قبل، ارائه در ارتقا از نسلي به نسل ديگر رفع كاستي، تغييرات بسياري گرديده است

با اين . رودمار ميو نيز ارائه خدمات ارزانتر از مهمترين اهداف به شهاي بيشتر با كيفيت بهتر سرويس

توضيح مختصر از مخابرات سيار و اهميت ويژه آن در تبادل اطالعات و نيز فراگير شدن ارتباطات بيسيم

-ها نگاهي هرچند گذرا و مختصر به سير تكامل سرويسضا از سوي كاربران اين نوع سيستماو افزايش تق

ها با يكديگر سيار و ارتباطات از راه دور انسان زير بناي مخابرات .باشدهاي مخابرات سيار بسيار جذاب مي

مور آغاز با به كارگيري تكنولوژي تلگراف مورس بين دو شهر مجاور واشينگتن و بالتي 1838فوريه 21در

مخترعي به نام بل صنعت تلفن را ابداع كرد كه نقطه عطفي در سيستم ارتباطات و 1876شد و در سال

هرتز دانشمند آلماني اختراع خود يعني اموج 1888در سال . باشدمروزي ميزمينه نيل به تلفن سيار ا

ماركوني به ارسال امواج راديويي پرداخت و در واقع بيسيم 1894را به ثبت رساند و در سال راديويي

روند رو به رشد ارتباطات سيار را نشان 1.1هاي مختلف ارتباطات سيار بنا گرديد شكل متولد شد و نسل

.دهدمي

ارتقاع مخابرات سيار از آغاز 1.1شكل

٣

ناوري، خصوصاً فناوري مخابرات ف يرشد سريع اخير در حوزهشود با توجه به آنچه گفته شد مشاهده مي

در بسياري از . استي ما تاثير گذاشتههاي اخير به طور چشمگيري بر زندگي روزمرهدر طي سال سيم،بي

هاي همراه حتي آزادي تلفن. اندهاي سيمي دستي شدهسيم جايگزين تلفنهاي بيمنازل و دفاتر تلفن

اط برقرار توانيم از هر محلي در هر لحظه با يكديگر ارتبطوري كه امروزه مي، باندي به ما دادهعمل بيشتر

اين امكان را براي ما فراهم ساخته كه بتوانيم بدون ، )WLAN(1سيم محليي بيفناوري شبكه .كنيم

به اينترنت ،قيمته گرانمنظره و البتخوشايند و بدكشي ناي و كابلكشسيم ترم دهتفاده از چند اس

.دسترسي داشته باشيم

1G2 نسل اول 1.2

1G اين نسل برپايه ارتباط آنالوگ بود .گرددبه نصل اول از تكنولوژي تلفن، مخابرات بيسيم اتالق مي.

سير تكامل نسل اول 1.2.1

در 3NTTتوسط شركت 1979به صورت اقتصادي در سال ) نسل اول 1G( ن شبكه سلولي اولي

به منظور پوشش همه NTTسال شبكه 5ظرف .اندازي شدتوكيوي ژاپن زير نظر شهرداري توكيو راه

1981در سال شبكه نسل اول .اولين شبكه سراسري كشور زاپن گشتمردم ژاپن گسترش يافت و

در كشورهاي دانمارك، فنالند، سوئد و نروژ پيگيري و راه اندازي به طور همزمان NMT4 شركتتوسط

، اين سيستم تلفني المللي شكل گرفتاولين شبكه تلفن همراه بود كه به صورت رومينق بين NMT. شد

، تكامل يافتهNMT900بود كه به رشد سريعي نايل آمد و در همان سال NMT450آنالوگ

١.wireless local area network ٢ .First-Generation ٣ .Nippon Telegraph and Telephone ٤ Nordic Mobile Telephone

131

مراجعمنابع و

[1] Wikipedia The Free Encyclopedia, http://en.wikipedia.org/wiki/1G&2G&3G&4G

[2] Information Technology Wireless, www.learn.geekinterview.com

[3] JANET, super Janet and UKERNA are registered trademarks of the Higher Education

Councils for England, www.ja.net/documents/factsheets

[4] Black Devils Boys, Wireless Hacking, Mohammad Mosafer, 2005-2006

[5] CDMA Development Group-Technology Page

http://www.cdg.org/technology/cdma20001x.asp

[6] Qualcomm halts UMB project, Reuters, 13 November 2008

www.reuters.com/article/2008/11/13/qualcomm-umb

http://www.cra.ir/portal/Home/Default.aspxسازمان تنظيم مقررات و ارتباطات راديويي [7] [8] 4G Wireless Systems, Next-Generation Wireless Working Group, Jawwad Ahmad, Ben

Garrison, Jim Gruen, Chris Kelly, and Hunter Pankey, May 2, 2003.

[9] Faranak Nekoogar, “UlTRA-WIDEBAND COMMUNICATIONS : Fundamentals and

Applications”, Prentice Hall, August 31, 2005.

[10] Zhi Ning Chen, “UWB antenna: design and application”, IEEE 2007

[11] Yvan Duroc, Anthony Ghiotto, Tan-Phu Vuong, Smail Tedjini,” Ultra-Wideband

Antennas: Design and Modeling”, 2008 IEEE

[12] FCC, First Report and Order 02-48. February 2002.

[13] Electronic Communications Committee (ECC) Report 64, The protection

requirements of radio communications systems below 10.6GHz from generic UWB

applications", February 2005.

132

[14] William Webb, Ultra Wideband - The final few regulatory processes", 2006 IET

Seminar on Ultra Wideband Systems, Technologies and Applications, London, UK, 20

April 2006.

[15] Ryuji Kohno and Kenichi Takizawa,“Overview of Research and Development

Activities in NICT UWB Consortium", 2005 IEEE International Conference on Ultra-

Wideband, Zurich, Switzerland, September 5-8, 2005, pp. 735-740.

[15.1] Mehdi Ebrahimi, “UWB ANTENNA ANALYSIS”, BSC , Zanjan university 1389.

[16] Johnna Powell, “ANTENNA DESIGN FOR ULTRA WIDEBAND RADIO”, Master

of science in Electrical Engineering, Massachussets Institute of Technology, May 7, 2004.

[17] Aaron Zachary Hood, Tutku Karacolak, Erdem Topsakal, “A Small Antipodal Vivaldi

Antenna for Ultrawide-Band Applications”, IEEE ANTENNAS AND WIRELESS PROPAGATION LETTERS, VOL. 7, 2008

[18] Tan-Phu Vuong, Anthony Ghiotto, Yvan Duroc, and Smail Tedjini, “DESIGN AND

CHARACTERISTICS OF A SMALL USLOTTED PLANAR ANTENNA FOR IRUWB”, MICROWAVE AND OPTICAL TECHNOLOGY LETTERS / Vol. 49, No. 7, July 2007.

[19] Jianxin Liang, “ANTENNA STUDY AND DESIGN FOR ULTRA WIDEBAND COMMUNICATION APPLICATIONS”, Department of Electronic Engineering Queen Mary, University of London United Kingdom, July 2006.

[20] Jianxin Liang, “ANTENNA STUDY AND DESIGN FOR ULTRA WIDEBAND

COMMUNICATION APPLICATIONS”, Department of Electronic Engineering Queen Mary, University of London United Kingdom,July 2006.

[21] Stanislav Licul, “ULTRA WIDEBAND ANTENNA CHARACTERIZATION AND

MEASURMENTES”, Doctor of philosophy thesis in Electrical Engineering, Virginia polytechnic Institute & State University, September 17, 2004.

[22] http://www.sphere.ne.jp/i-lab/ilab/tool/cx_line_e.htm

antenna for ultrawide-band applications”, ieee antennas and wireless propagation letters, vol. 7,...

Documents