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.