Ανάπτυξη Κατανεμημένης Πλατφόρμας Βελτιστοποίησης Σμήνους Σωματιδίων και Εφαρμογή σε Προβλήματα Σύνθεσης Στοιχειοκεραιών

Abstract

Οι στοιχειοκεραίες αποτελούν αναπόσπαστο κομμάτι των σύγχρονων κεραιοσυστημάτων και ασύρματων τηλεπικοινωνιακών δικτύων καθότι μπορούν να επιτύχουν μοναδικά χαρακτηριστικά ραδιοκάλυψης τομέων ή συγκεκριμένων διευθύνσεων ενίσχυσης σήματος και απόρριψης των παρεμβολών. Η διαδικασία σύνθεσης των στοιχειοκεραιών συνίσταται στον προσδιορισμό της θέσης καθώς και των σχετικών φάσεων και πλατών των εφαρμοζόμενων διεγέρσεων στα στοιχεία τους, προκειμένου να επιτυγχάνονται τα επιθυμητά χαρακτηριστικά ακτινοβόλησης. Το πρόβλημα σύνθεσης των στοιχειοκεραιών έχει αποτελέσει και συνεχίζει να αποτελεί μια πολύ ενεργή περιοχή ερευνητικής δραστηριότητας. Το αντικείμενο της παρούσας διατριβής είναι η συστηματική αντιμετώπιση των προβλημάτων σύνθεσης στοιχειοκεραιών με τη βοήθεια του αλγόριθμου βελτιστοποίησης σμήνους σωματιδίων και η χρήση κατανεμημένων υπολογιστικών τεχνικών για την αντιμετώπιση του υψηλού υπολογιστικού κόστους, λόγω του μεγάλου αριθμού επαναλαμβανόμενων ηλεκτρομαγνητικών προσομοιώσεων των υποψηφίων σχεδιάσεων που απαιτούνται μέχρι να συγκλίνει ο αλγόριθμος. Αρχικά εξετάζεται η μέθοδος βελτιστοποίησης σμήνους σωματιδίων σε αλγοριθμικό επίπεδο και συμπεραίνεται ότι η αποτίμηση των υποψήφιων παραμετρικών σχεδιάσεων μπορεί να θεωρηθεί ως η μοναδιαία πράξη υπολογισμού, κατά την ασύγχρονη εκτέλεση της. Στη συνέχεια παρουσιάζονται τα αρχιτεκτονικά χαρακτηριστικά της κατανεμημένης πλατφόρμας βελτιστοποίησης, η οποία υλοποιείται βάσει του παραδείγματος των κινητών πρακτόρων καθώς αυτό διευκολύνει σημαντικά την χρήση των απομακρυσμένων υπολογιστικών πόρων και δεν απαιτεί την τροποποίηση των ήδη διαθέσιμων υπολογιστικών ηλεκτρομαγνητικών πυρήνων και προγραμμάτων προσομοίωσης. Ακολούθως, αναπτύσσεται η μεθοδολογία ανάλυσης των στοιχειοκεραιών δίνοντας έμφαση στις διαθέσιμες προσεγγιστικές εκφράσεις για την αποτίμηση των φαινομένων αμοιβαίας σύζευξης μεταξύ των γραμμικών ακτινοβολητών. Στη συνέχεια παρουσιάζονται τα αρχιτεκτονικά χαρακτηριστικά μιας γενικευμένης βιβλιοθήκης προσομοίωσης στοιχειοκεραιών που ενσωματώνει τις παραπάνω εκφράσεις και η οποία δύναται να συμπληρωθεί από υπολογιστικές ηλεκτρομαγνητικές μεθόδους ανάλυσης πλήρους κύματος, όπως η μέθοδος των ροπών. Ακολούθως διατυπώνεται το γενικευμένο πρόβλημα της σύνθεσης και αντιπαρατίθενται δύο παραδείγματα σύνθεσης στοιχειοκεραιών σταθερής και μεταβλητής γεωμετρίας. Αποδεικνύεται ότι οι κλασσικές μέθοδοι βελτιστοποίησης δεν μπορούν να αντιμετωπίσουν επαρκώς προβλήματα σύνθεσης που συμπεριλαμβάνουν στην περιγραφή τους τα φαινόμενα σύζευξης μεταξύ των ακτινοβολητών καθώς μεταβάλλεται η σχετική τους τοποθέτηση. Στη συνέχεια, συνθέτονται επιτυχώς, ορίζοντας κατά περίπτωση κατάλληλες συναρτήσεις αποτιμήσεων και χρησιμοποιώντας τον αλγόριθμο βελτιστοποίησης, τρεις διαφορετικές διαμορφώσεις στοιχειοκεραιών, με εφαρμογές στα ασύρματα δίκτυα επικοινωνιών: 1) στοιχειοκεραία μεταγωγής λοβών η οποία επιτυγχάνει την κάλυψη αλληλουχίας τομέων, βελτιστοποιώντας ταυτόχρονα τη θέση και τη διέγερση των στοιχείων της, 2) επίπεδη ομοιόμορφη κυκλική στοιχειοκεραία η οποία επιτρέπει τη στροφή του κυρίως λοβού ακτινοβολίας στην κατεύθυνση του επιθυμητού χρήστη ενώ παράλληλα επιβάλλει βαθείς μηδενισμούς σε κατευθύνσεις παρεμβολών, βελτιστοποιώντας τη διέγερση των στοιχείων της και 3) μιας γραμμικής ανομοιόμορφης στοιχειοκεραίας σταθμού βάσης που το διάγραμμά ακτινοβολίας συμμορφώνεται με την ορισμένη μάσκα ακτινοβολίας, βελτιστοποιώντας την χωρική κατανομή των στοιχείων της και τις φάσεις των εφαρμοζόμενων διεγέρσεων. Τέλος αποτιμάται η ευελιξία και η αποδοτικότητα της κατανεμημένης πλατφόρμας βελτιστοποίησης που αναπτύχθηκε στα πλαίσια της διατριβής. Χρησιμοποιώντας την εφαρμογή της κεραίας μεταγωγής λοβών εξετάζονται δύο διαφορετικά σενάρια κλιμάκωσης, οριζόμενα ως προς το μέγεθος του πληθυσμού των υποψήφιων λύσεων και ως προς τον αριθμό των συμμετεχόντων υπολογιστικών κόμβων. Αποδεικνύεται ότι μεγιστοποιούνται τα οφέλη από τη χρήση της κατανεμημένης πλατφόρμας, όταν το υπολογιστικό κόστος προσομοίωσης των αποτιμώμενων σχεδιάσεων είναι μεγάλο και όταν τα σωματίδια κατανέμονται πιο ομοιόμορφα σε μεγαλύτερο αριθμό κόμβων. Τέλος, εξετάζεται ένα πρωτότυπο πρόβλημα σύνθεσης μιας γραμμικής ανομοιόμορφης φασικής στοιχειοκεραίας μεταβλητής γεωμετρίας. Απαιτείται ταυτόχρονα η καταπίεση των πλευρικών λοβών του διαγράμματος ακτινοβολίας κατά τη σάρωσή της και η μεγιστοποίηση της χωρικής διαφορισιμότητας των στοιχείων της, ενώ επιβάλλονται επιπρόσθετοι περιορισμοί ως προς την αποδοτικότητά της. Καθώς οι αναφερόμενοι στόχοι είναι μερικώς αντικρουόμενοι χρησιμοποιείται η πολυκριτηριακή επέκταση του αλγορίθμου βελτιστοποίησης. Επίσης, η ανάλυση των χαρακτηριστικών ακτινοβόλησης της στοιχειοκεραίας πραγματοποιείται με τη μέθοδο των ροπών προκειμένου να υπολογιστούν με ακρίβεια τα φαινόμενα σύζευξης. Αποδεικνύεται ότι η συσχέτιση των τάσεων στους αποσυζευγμένους κλάδους του κυκλώματος λήψης της μπορεί να αντισταθμιστεί μόνο μερικώς από την ανομοιόμορφη τοποθέτηση των στοιχείων της που επιβάλλει ο στόχος της μεγιστοποίησης της καταπίεσης των πλευρικών λοβών.

Antenna arrays are a key part of the modern antenna systems and wireless telecommunications networks, since they can achieve unique radio coverage characteristics over areas or specific directions of signal amplification and rejection of interferences. Antenna array synthesis aims at determining the position and relative excitations applied to their constituting elements in order to achieve the desired radiation characteristics. Antenna array synthesis has been and still continues to be a very active research topic. The objective of this thesis is on one hand to systematically address the antenna array synthesis problem using the particle swarm optimization algorithm and on the other hand to successfully apply distributed computing techniques to alleviate the high computational cost incurred by the large number of recurring candidate designs’ electromagnetic simulations, before the algorithm finally converges. Initially, the PSO algorithm is reviewed and is concluded that candidate parametric designs’ evaluations can be considered as the unit computation operation, when the algorithm is asynchronously executed. Next, the architectural features of the distributed optimization platform are presented; the platform’s implementation is based on the mobile agents paradigm that greatly facilitates the access to remote computational resources while its application does not require the modification of already available computational kernels and electromagnetic simulation programs. Followingly, the methodology on antenna arrays analysis is developed focusing on the available approximate expressions for the evaluation of mutual coupling effects between the linear radiators. Next the architectural features of a generalized antenna array simulation library that incorporates the above expressions arepresented, which may be supplemented by computational electromagnetic full-wave analysis methods, such as the method of moments. Then, the generalized synthesis problem is formulated and two examples of antenna array synthesis of fixed and variable geometry are presented in contrast. It is hence shown that classical optimization methods cannot adequately address problems of synthesis that include in their description the coupling effect between radiators while their relative placement is changed. Next, three different configurations of antenna arrays were synthesized, with applications in wireless networks: 1) a switched-beam antenna array which achieves the radio coverage of sequential sectors, by optimizing the position and excitation of its radiators, 2) a planar uniform circular beamforming array which steers the main lobe to the direction of the desired user while imposing deep nulls to intereference directions, by optimizing its elements excitations and 3) a non-uniform linear base station array that its radiation pattern complies to a prescribed radiation mask, by optimizing the spatial distribution of its elements and the phases of the applied excitations. Followingly, the flexibility and the performance of the distributed optimization platform developed is evaluated. While optimizing a switched-beam antenna array using the platform, two different escalation scenarios are examined, accross the population size of the candidate solutions and the number of participating computing nodes. It is found that the distributed platform gains in terms of computational time are maximized, when the computational cost for simulating individual parametric designs is large and when the particles are distributed more evenly across a large number of computational nodes. Finally, a non-uninform linear phased antenna synthesis problem is considered. The synthesis problem dictates the maximization of the radiation pattern sidelobes suppression while the array is scanned and the maximization of the spatial diversity of its radiators, while imposing additional restrictions on its overall efficiency. Since these two goals are partially contradictory the multiobjective partical swarm optimization algorithm is employed. Additionally, the method of moments is used to analyze the antenna array radiation due to its ability to accurately calculate the coupling phenomena. It is concluded that there is a trade-off between the correlation of the voltages induced at the uncoupled branches of the receiver and the achieved suppression of the sidelobes that indirectly imposes the non-uniform placement of the array elements.