kỹ thuật ước lượng doa trong anten thông minh

GVHD: PHAN HONG PHUONG SVTH: NGO THUY LOAN CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ MÔI TRƯỜNG VÔ TUYẾN Nhược điểm của thông tin di động là khả năng thông tin vô tuyến ít tin cậy giữa một trạm gốc cố

Trang 1

TRUONG DAI HOC DAN LAP KY THUAT CONG NGHE

TP HO CHi MINH KHOA BIEN ~ BIEN TỬ

BỘ MON SIEN TU VIEN THONG

LUAN VAN TOT NGHIEP

KY THUAT UGC LUONG DOA

TRONG ANTEN THONG MINH

: TS PHAN HONG PHUONG : NGO THUY LOAN

: 10101109 : 01DT2

Trang 2

GVHD: PHAN HONG PHUONG

SVTH: NGO THUY LOAN

NOI DUNG LUAN VAN

CHUONG 1: TONG QUAN VE MOI TRUONG VO TUYEN

I Biéu dién twong đương dãi nỄn HH

II Các yếu tố quan trọng của lan truyền đa tia 13

1 Suy hao đường truyền 11C

1 Tán sắc thời gian và Fading Iva chọn tân số 2 23

2 Tán sắc tần số và Fading lựa chọn thời gian 25

I Vi trí của anten trong kỹ thuật vô tuyến điện 26

11 Sự khác biệt giữa anten thông thường và anten thong minh 27

UI Cac dinh DEN se

29

IV Anten thôn ø minh hoạt động như thế nào 2

30

Trang 6

Trang 3

HH Biểu diễn toán học của mô hình dãy tuyến tính 51

IV Tính toán ma trận vector của =2

IV Các thuật toán sử dụng vector TIÊNH

Trang 4

GVHD: PHAN HONG PHƯƠNG

SVTH: NGÔ THÚY LOAN

V Dự đoán hướng đến của các tín hiệu tương quan bằng phương pháp làm phẳng Không BÌAN

80

2 Dự đoán tuyến tính chu S T“HA|ẲẨẲỈ:|:(

1X So sánh ưu - khuyết điểm của các phương pháp dự đoán DOA .90

CHƯƠNG 6: MÔ PHỎNG CHƯƠNG TRÌNH

1 Mục đích và giới thiệu Hee

95

HH Mô hình mô phỏng 2 02222

EEEEE 97

2 Tính toán tín hiệu nhận tại dãy anten 22 tt 99

IH Kỹ thuật DOA 0 191911101 TH HH KH HH HH no, 99

L Conventional DỌA Estimator 22 1E

101

2 Phương pháp “ Capon”s Minimum Variance * —— 102

3 - Phương pháp dự đoán tuyến tính 22 103

Trang 5

SVTH: NGO THUY LOAN

CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ MÔI

TRƯỜNG VÔ TUYẾN

Nhược điểm của thông tin di động là khả năng thông tin vô tuyến ít tin cậy giữa một trạm gốc cố định và thiết bị di động Như ta đã biết , truyền dẫn vô tuyến trong các môi trường trong nhà và ngoài trời rất phức tạp Tín hiệu đến bộ

thu thông qua không gian tự do nên bị ảnh hưởng bởi các yếu tố môi trường như :

> Khí hậu, thời tiết, địa hình, nhà của, cây cối

> Suy hao trong môi trường

Ảnh hưởng nhiễu từ các thiết bị khác

Do tác động của môi trường nên tín hiệu đến trạm thu bị phản xạ, tán Xa tín

thuộc vào độ dài đường truyền, kích cỡ và kiến trúc của vùng trong nhà và ngoài

Hài của các đường truyền, dẫn đến những thay đổi lớn về pha trong tín hiệu nhận

được Do vậy mức năng lượng và pha của tín hiệu nhận được ở máy thu rất khác

nhau gây ra hiện tượng fading, gây nhiễu nhiều tia ở trạm thu Điều này đòi hỏi

œ ác hệ thống truyền dẫn vô tuyến phải được trang bị các hệ thống và thiết bị hống fading hữu hiệu

Q

Trang 9

Trang 6

GVHD: PHAN HONG PHƯƠNG |

SVTH: NGO THUY LOAN

I Biểu diễn tương đương dải nền :

1 Tín hiệu thông dải :

Một tín hiệu thông dãi x(t) tập trung xung quanh tần số sóng mang f, có thể được biểu diễn dưới dạng hình bao phức u(t) như sau :

X(t) = Re[u(te2* Ly

Hình bao phức là một hàm có giá trị phức Như vậy, chúng ta đang biểu diễn tín hiệu thông dải giá trị thực như là một tín hiệu thông dải giá trị phức Để biểu diễn được như vay, x(t) phải là tín hiệu giới hạn băng, có phổ năng lượng tập

=A,(e!?® | x(t) c6 thé biểu diễn như sau:

X(t) = A,(cos(2 7 f.t + Øø„()

Hai ham A,(t) va 27 ft + ø„() tương ứng gọi là hình bao tức thời và pha tức thời của x() Tần số tức thời của x(t) 1A vi phân theo thời gian của pha tức thời chia cho 2z:

l đọ (0)

dt

đồng pha và vuông pha q(f) như sau :

Trang 10

Trang 7

GVHD: PHAN HỒNG PHƯƠNG |

SVTH: NGO THUY LOAN

X(f) = 1/2[ UE - f.) + U" (-f ~ £,)]

của tín hiệu thong dai x(t) tập trung xung quanh tần số f,, phổ của u(t) tập trung

gọi là tín hiệu tương đương dải nền

fourier, nhưng ta vẫn có mối quan hệ tương ting giữa phổ năng lượng :

G,(Ð = 1⁄4 [G, (Í— f,) + Gụ (-f— f.)]

GuŒ) =4G7(f + £,)

Trong đó G}ˆ(Ð tương đương với phổ năng lượng của Gx(Ð của x(t) đối với

tần số dương và bằng 0 đối với tần số âm

Một trường hợp quan trọng đặc biệt của tín hiệu ngẫu nhiên dừng thông dải

phổ nang ludng N,/2 trong băng thông B là 2N với {f{<B/2, và bằng 0 ở những nơi khác ,

Trang 1]

Trang 8

GVHD: PHAN HONG PHUONG 2

SVTH: NGO THUY LOAN

2 Hé thống thông dải tuyến tính :

y(t) = x(t)*h(t)

h(t) 1a tín hiệu thông dải, ta tính được hình bao phức g (t) khi hình bao phức của tín hiệu x(t) 14 u(t) va hinh bao phức của tín hiệu thông dải y(t) là VỆ), ta có :

V(t) = u(t)*1/2g (t)

tính là hình bao phức của nó chia cho 1⁄2 ; Nghĩa là :

g(t) = 1/2 g(t)

hệ :

HẠ) = G(F- f) + G”Cf ~ £,)

Và ta có thể dùng chính xác mối quan hệ ngõ vào — ngõ ra cho các bộ lọc

V(t) = u(t)*g(t)

Vf) = UG(f)

Trang 12

Trang 9

SVTH: NGO THUY LOAN

tương đương có đáp ứng Xung giá trị thực Nếu không đáp Ứng xung phức sẽ đưa

vào tín hiệu ngo ra

VỆ) = vi(t) + jva(t) = u(t)*g(t) = Lui() + jva(f)]*[g;() + jg(0)]

Như vậy :

Vi(t) = uj(t)*g;(t) — ug(t)*g,(t)

vạ() =u¡() *g;@) + u,(t) *gi(t)

1 Suy hao đường truyền :

> Suy hao đường truyền tỉ lệ thuận với bình phương độ cao anten BS

3 Suy hao liên quan đến tần số bởi:

Trang 13

Trang 10

SVTH: NGO THUY LOAN

Proc f" với 2< „<4

hơn hay bằng 5 khi đường truyền đi qua tường hay trần nhà

Có nhiều mô hình khác nhau để dự đoán mức suy hao đường truyền, nhưng

mô hình Hata được sử dụng rộng rãi Đây là mô hình suy hao đường truyền từ một

vùng đến một vùng (area to area) Nó dùng để dự đoán suy hao đường truyền qua

một địa hình chung mà không biết địa hình cụ thể giữa BTS và MS Hata đã phát triển mô hình suy hao đường truyền dựa trên sự đo đạc của Okumura ở Tokyo (Nhat) Ta tom tat lai theo bảng dưới đây

Trang 11

SVTH: NGO THUY LOAN

Mô hình Hata cho các vùng địa lí khác nhau

Thành phố cỡ nhỏ và trung bình : a(hw) = [1 llog() — 0.7]hụ — 1.56log(f) + 0.8

Thành phố lớn thì phụ thuộc vào tần số như sau :

4 Đối với vùng nông thôn chuẩn ta thường thêm độ dự trữ 6-10 đB vào suy

hao đường truyền được dự đoán trong mô hình Hata

Trang 12

SVTH: NGO THUY LOAN

5 Trong các vùng nông thôn có rừng rậm người ta thường cộng thêm 10 dB suy hao và suy hao đường truyền để bù vào suy hao do tán xạ

6 Trong mô hình Hata, một thành phố rộng lớn được hiểu là có nhiều building cao hơn 4 tầng được xây dựng Thành phố được xem là nhỏ và

trung bình khi độ cao building trung bình thấp hơn

(point to point) có thể làm giảm độ lệch này bằng cách thêm thông tin chỉ tiết đường bao địa hình vào trong mô hình dự đoán suy hao đường truyền Đặc biệt đối với các microcell (bán kính <1 km) sự đóng góp của từng building vào Suy

hao đường truyền là rất quan trọng Vì vậy tính toán suy hao đường truyền cho

building vào đường truyền

1.1 Sự khác nhau giữa suy hao và nhiễu :

Suy hao là độ giảm mức tín hiệu khi qua đường truyền

Trang 16

¬

` -«<d(Ag.gA

Trang 14

K 1 S(f) = af, ea In 5

Với K là hằng số

Khi đó là hàm tự tương quan của tín hiệu nhận được là :

R,(t) = K.cos(2z f.t).J,(2 2 tt) Với J¿ là hàm Bessel bậc không

3 Méo biên độ :

3.1 Mô hình fading Rayleigh:

Trang 15

P(r) = -=e-r? /2ơ” ,r>0 ơ Với o là phương sai

Và phân bố của ø là :

P(ø)= + ›Ú<Ø<2z

2z P(r)

Hàm pdf theo phân bố Rayleigh

như đường trực tuyến, các thành phần

đồng pha và vuông pha không còn có trung bình không dù phương sai của chúng

giống nhau Khi đó hàm pdf của tín hiệu nhận được có phân bố Rician:

Trang 19

Trang 16

SVTH: NGO THUY LOAN

Trang 20

Trang 17

SVTH: NGO THUY LOAN

Il Théng ké ctia fading :

1 Fast fading :

Fast fading lién quan đến tốc độ thay đổi của kênh do sự chuyển động

trong một chu kỳ symbol, va thường do phản xạ nhiều tia của sóng truyền, do các

vật thể tán Xạ như: nhà cửa, building,

Người ta thường xét fading trong từng 1⁄2 bước sóng Hình bao của tín hiệu nhận được có fast fading thường theo phân bố Rayleigh hoặc Rician

fast fading trung binh

gian chia cho chính khoảng thời gian đó Nếu biết được thời gian fast fading trung Đình ta có thể chon kĩ thuật mã hóa kiểm

soát lỗi thích hợp trong truyền dẫn số

— Đà) SS » > wet a 5 G9 &) & Ss &

Trang 18

SVTH: NGO THUY LOAN

2 Slow fading :

hao lan truyền,

3 Các biên pháp chống fading : w% Để chống fading người ta sử dụng các biện pháp sau đây:

> Sử dụng nhiều sóng mang (MC: Multi Carrier)

> Phan lap

> C4n bing thich Ứng

> Trãi phổ

> Máy thu RAKE (ở thông tỉn di dong CDMA)

® Mã phát hiện lỗi: mã khối tuyến tính

® Mã sửa lỗi: mã khối tuyến tính

Trang 22

Trang 19

SVTH: NGO THUY LOAN

Trang 20

SVTH: NGO THUY LOAN

Băng thông kết hợp ( coherence

bandwidh ) B, là giới hạn thống kê khoảng

nhau và pha tuyến tính Giá trị của B, là :

B, = ——

mọi tần số của tín hiệu sẽ bị fading giống nhau, fading này gọi là fading

phẳng

bằng thông kết hợp B

Trang 24

Trang 21

GVHD: PHAN HỒNG PHƯƠNG

SVTH: NGO THUY LOAN

Đối với các tín hiệu có dịch Doppler

theo phổ Doppler kinh điển ( classian ), Người ta thường lấy độ dịch Doppler

cực đại làm độ trải Doppler

Thời gian kết hợp Teoh được định

đổi, giá trị T,„ tính bởi công thức :

Trang 25

Trang 22

|

SVTH: NGO THUY LOAN

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ KỸ

THUẬT ANTEN THÔNG MINH

I Vị trí của anten trong kỹ thuật vô tuyến điện :

Việc truyền năng lượng điện từ trong không gian có thể được thực hiện

theo hai cách :

- Đức xạ sóng ra không gian, sóng này sẽ được truyền đi dưới dạng sóng

bên ngoài gọi là anten

Anten có hai loại : anten thu và anten phát

> Anten phát có nhiệm vụ biến đổi sóng điện từ ràng buộc trong đường truyền năng lượng điện từ (gọi là fide ) thành sóng điện từ tự do bức xạ ra không gian

> Anten thu c6 nhiệm vụ ngược lại vỚới anten phát, nghiã là tiếp nhận sóng điện từ tự do từ không gian ngoài và biến đổi chúng thành sóng điện từ rằng

Trang 26

Trang 23

SVTH: NGO THUY LOAN

thanh, truyền hình

xa chi tap trun 8 vào một góc rất hẹp trong không gian

H Sự khác biệt của anten thông

thường và anten thong minh :

Trang 27

Trang 24

GVHD: PHAN HONG PHUONG _

SVTH: NGO THUY LOAN

lượng tốt hơn

Hình bức xạ đắng hướng của anten

Trang 28

Trang 25

theo ting trang thái tế bào lúc bay gid Theo hinh vé, ky thuat anten thông minh

như thu ) của riêng nó

IHL Các định nghĩa :

tcn dãy là sự kết hợp chính xác ngÕ ra của từng antcn thành phan nay Anten

Trang 29

Trang 26

khéng dang hướng, theo nguyên lý nhân

đồ thị ( Pattern Multiplication ) 46 thi

tử

IV Anten thông minh làm việc như thế nào :

[ong nghệ cũ :

^

” Công suất thu

Trang 30

Trang 27

t

SVTH: NGO THUY LOAN

Interference Ratio)

Những Anten ở trạm phát sóng thông thường là loại Omni hoặc Sector

Những Anten Omni Đức xạ công suất bằng nhau ra tẤt cả các hướng (360), còn thông thường Anten Sector chia thành

ba góc 120° - mỗi một Anten bức Xạ toàn

bộ công suất theo hướng của mình, Cả hai loại Ante này đều lãng phí công suất tín hiệu bởi vì nó bức Xạ rộng theo các hướng trong khi chỉ cần bức xạ về phía một

thuê bao nào đó

Những công nghệ sử dụng trong điện thoại di động thường điều khiển công xuất phat dé đảm bảo phía thu nhận được tín hiệu rõ ràng Nếu như thuê bao ở xa trạm phát thì công suất được nâng lên để duy trì kết nối Nhưng đôi khi công

Công nghệ anten thông minh:

Định hướng âm thanh Của con người:

Công nghệ Anten thông minh giống như việc định hướng âm thanh của con

và bộ não dé suy nghĩ - định hướng (xử lí, phân tích tín hiệu)

" = Fab] ao oO Ss lay @ 2 QQ = S

js €ng goi du lén để người A nghe thấy và một điều rất quan trọng là bạn nhận ra

Trang 31

Trang 28

|

SVTH: NGO THUY LOAN

tin từ một mớ những tạp âm ôn ào, Người

A quay về phía tiếng Bọi và nói to dé trả lời Bằng càch này, người A đã cộng thêm

tiếng ồn vào trong những âm thanh của

~

hội trường và làm cho những cuộc hội thoại của những người khác rất khó nghe

Trang 29

SVTH: NGO THUY LOAN

V Phan loai :

Phan lam hai loại :

thuật toán chọn búp sóng

1 Switched Beam :

búp sóng khác tốt hơn để đáp ứng sóng tới do

Swiched beam sẽ thực hiện như sau :

Trang 33

Trang 30

GVHD: PHAN HONG PHUONG :

độ đã thay đối

]

Hình sóng mẫu của hệ thống swi4ehed beam

2 Dãy tự thích nghị;

Trang 34

Trang 31

GVHD: PHAN HỒNG PHƯƠNG |

SVTH: NGO THUY LOAN

‹ - Tín hiệu

Cin thu

(User)

Tín hiệu xuyên lẳn

Trang 32

Phương pháp mà bộ xử lý dùng để thay đổi các trọng số gọi là thuật toán

thích nghỉ Các thuật toán thích nghỉ tìm bằng cách :

Đưa ra một số tiêu chuẩn chất lượng,

được các tiêu chuẩn đề ra

Một số tiêu chuẩn thường dùng là: MMSE

( minimum mean square error ),

MSINR ( maximum Signal — to — interface

~ and — noise ratio ), ML ( maximum

cá ách giữa các thành phần là nữa bước

sóng ( 2 _ ) Hai user gỞi tín hiệu vô tuyến 2 t) và sa(t) đến đãy ( array ) từ các hướng 60° và 120°, khoảng cách từ hai user

Trang 36

Trang 33

Với k là hệ số thể hiện mức độ năng

lượng nhận được tại dãy từ các user,

Xét 2 cách kết hợp sau :

yilt) = wy"x(t) = [1 j l1 -j]x@)

Trang 34

GVHD: PHAN HONG PHƯƠNG ,

lí hoạt động của hệ thống anten thông minh

Trang 38

Trang 35

Beam fomer Pattern

Hinh đồ thị bức xạ thu của 2 user

Và user2

C6 hai van dé dat ra 1a -

1 Làm thế nào tính được trọng số vector ?

2 Khi đã có trọng số vector ta sẽ xử lí tín hiệu tại các phần tử anten như thế

nào để khôi phục tín hiệu gởi đến các user đồng kênh ?

Có 2 cách thực hiên :

—=>*<t‹äch thực hiện

^ > = ® 5 [= ` © a Đ ce) @ & 3 Q Ss 5 a *Ð > 2 < & s ” § = 5 oa _ œ® E 3 a e› 5 os a Q bụng D> _ @ fat) ® ® E oO gS > ® le) i

Trang 36

Phương thức Phương thức

chuyển beam thích nghị

Hình so sánh dạng sóng búp sóng —anten chuyển vùng — và anten thích nghỉ Vùng phủ sóng _— Tùy theo môi trường vô tuyến về các phan cimg/phan

Sử dụng mà công nghệ chuyến beam có thể tăng phạm vị hoạt động của trạm

t hướng

ne Pi Sng cũng có nghĩa làm giảm chí phí cho nhà cung cép dich vo va do do

Trang 40

Trang 37

SVTH: NGO THUY LOAN

nhiều sọ với Anten chuyền beam,

do vay chi phi dau tu cao hơn nhiều

E o C

dùng phức tạp nhất của an ten thông minh

là SDMA, đây là phương thức sử dụng

ký

wt

Trang 38

| ——

GVHD: PHAN HỒNG PHƯƠNG ô

phân bổ các kênh tần cho mỗi sector theo yêu cầu tại thời điểm đó: Điều này cho

phép nâng cao khả năng tái sử dụng kênh tần số, thậm chí có thể tái sử dung kênh

tan trong cing mét cell

Việc xử lí không gian đòi hỏi phải

tích hợp việc đo đạc và phân tích môi trường vô tuyến ở mức độ cao, do vay Anten thích nghi thích hợp hơn Anten chuyên beam nhiều trong việc thực hiện Công việc này,

VI Lợi ích của anten thông ee anten thong minh minh :

Anten thông minh đóng góp hai lợi ích chính đối với đường truyền vô tuyến

`

là :

3 Tôi ưu hóa công suất

> Giảm nhiễu đường truyền

Bởi vì Anten thông minh đặc biệt hiệu

quả trong việc tăng công suất tín hiệu thu được và glảm công suất phát đến ngưỡng

nhỏ nhất Bên cạnh đó, nó được sử

oO ¬ =¡j = _— ® k wn q QO & 5 53 = 2 a 5 0a 3 " < E 3

Trang 39

nhất là tính tiện lợi

Trang 40

thống anten thích nghi

Hệ thống với búp sóng chuyển mạch

thay đổi đáp ứng của hệ thống theo sự

di chuyển VỊ trí, Cường độ tín hiệu của thiết bị di động theo chương

Tiêu đề	Kỹ Thuật Ước Lượng Doa Trong Anten Thông Minh
Thể loại	Báo cáo tốt nghiệp

Định dạng
Số trang	110
Dung lượng	3,79 MB