Localizzazione delle sorgenti vicino alle array di antenne

Localizzare le sorgenti vicino a una rete di antenne è importante per le comunicazioni wireless. Quando si usano più antenne, le prestazioni possono essere influenzate dal Accoppiamento reciproco, che è l'interazione tra le antenne. Questo può rendere difficile capire da dove arrivano i segnali. In questo articolo, parliamo di due metodi che aiutano a localizzare le sorgenti vicino alle antenne tenendo conto di questo accoppiamento reciproco.

#Cos'è l'Accoppiamento Reciproco?

L'accoppiamento reciproco si verifica quando i segnali da un'antenna influenzano un'altra antenna nella rete. Questo effetto può ridurre l'accuratezza nel localizzare una sorgente, il che può essere una sfida in campi come sonar, radar e comunicazioni wireless. Ci sono due tipi di accoppiamento reciproco: indipendente dalla direzione e dipendente dalla direzione. L'accoppiamento indipendente si trova nelle antenne che ricevono segnali in modo uguale da tutte le direzioni, mentre quello dipendente si verifica in antenne che hanno una direzione preferita.

#Metodi Tradizionali di Localizzazione

I metodi di localizzazione possono essere divisi in due categorie principali in base alla distanza della sorgente: far-field e near-field. Per una sorgente far-field, i segnali arrivano alle antenne in modo da apparire piani. Al contrario, quando si trattano sorgenti near-field, i segnali hanno una forma sferica. Quindi, per localizzare sorgenti near-field, bisogna considerare sia la direzione che la distanza.

Gli algoritmi tradizionali si sono concentrati sulle sorgenti far-field, il che può limitarne l'efficacia quando si applicano a situazioni near-field. Sono state sviluppate tecniche che possono funzionare in presenza di accoppiamento reciproco, ma molti di questi metodi si basano sul conoscere le posizioni delle sorgenti o non considerano tutte le variabili necessarie contemporaneamente.

#I Nostri Approcci alla Localizzazione

Nel nostro lavoro, ci concentriamo sulla localizzazione di sorgenti near-field considerando gli effetti dell'accoppiamento reciproco tra le antenne. Proponiamo due metodi distinti.

#Primo Metodo: Ricerca Due-Dimensionale

Il nostro primo metodo utilizza una ricerca due-dimensionale per stimare sia la Direzione di arrivo (DoA) che la distanza della sorgente. Anche se questo metodo può fornire risultati accurati, richiede molta potenza di calcolo. Lo svantaggio principale è la necessità di esplorare molte possibilità, il che può renderlo lento.

#Secondo Metodo: Ricerca Uno-Dimensionale

Per affrontare il carico computazionale elevato del primo metodo, abbiamo sviluppato un secondo metodo. Questa versione riduce la complessità utilizzando una ricerca uno-dimensionale invece di una due-dimensionale. Il secondo metodo prevede di stimare iterativamente la posizione della sorgente, dove ogni stima usa il risultato della precedente. Questo approccio richiede meno tempo pur fornendo un'accuratezza comparabile.

#L'Importanza di Modelli Accurati

Un modello di sistema accurato è essenziale per stimare la posizione delle sorgenti near-field. Utilizziamo un modello esatto che considera il comportamento delle Onde elettromagnetiche nella regione near-field. Al contrario, l'uso di un modello approssimato può portare a errori sia nelle stime di DOA che di distanza. I nostri metodi si basano fortemente su questa modellazione accurata per garantire migliori prestazioni.

#Studi di Simulazione

Abbiamo condotto diverse simulazioni per testare i nostri metodi proposti. Nei nostri esperimenti, abbiamo considerato una rete di cinque antenne e cambiato la posizione di una sorgente all'interno della regione near-field. Abbiamo misurato le prestazioni in base a quanto accuratamente potevamo stimare la posizione della sorgente.

#Metriche di Prestazione

Un modo in cui abbiamo valutato le prestazioni dei nostri metodi è stato attraverso l'Errore Quadratico Medio (RMSE). Questa metrica ci aiuta a capire quanto siano vicine le nostre stime ai valori reali. Nella nostra simulazione, abbiamo confrontato i nostri metodi con un metodo tradizionale noto come algoritmo MUSIC.

#Risultati della Prima Simulazione

Nel nostro primo insieme di simulazioni, abbiamo osservato come l'accuratezza dei nostri metodi cambiasse con diversi livelli di rumore di fondo. Abbiamo trovato che sia il nostro primo che il secondo metodo hanno avuto prestazioni simili per la maggior parte delle impostazioni. Tuttavia, l'algoritmo MUSIC ha superato i nostri metodi in termini di accuratezza, principalmente perché assume che l'accoppiamento reciproco sia noto in anticipo.

#Risultati della Seconda Simulazione

Per il secondo insieme di simulazioni, ci siamo concentrati sul tempo di calcolo per vedere quanto rapidamente ciascun metodo potesse fornire risultati. Abbiamo scoperto che il nostro secondo metodo è stato il più veloce, impiegando meno tempo sia del primo metodo che dell'algoritmo MUSIC. La significativa riduzione del tempo lo ha reso una scelta più pratica per applicazioni nel mondo reale.

#Conclusione

In questo articolo, abbiamo presentato due metodi per localizzare sorgenti near-field, considerando gli effetti dell'accoppiamento reciproco tra le antenne. Il primo metodo, sebbene accurato, richiede un calcolo sostanziale, mentre il secondo metodo offre un livello di accuratezza simile con un tempo di calcolo notevolmente ridotto.

Questi metodi consentono una localizzazione efficace delle sorgenti senza la necessità di stimare i coefficienti di accoppiamento reciproco, semplificando il processo e rendendolo più veloce. I nostri risultati suggeriscono che per applicazioni che richiedono una localizzazione rapida e affidabile delle sorgenti, il secondo metodo è particolarmente vantaggioso.