Xử lý anten mảng theo không gian thời gian trong thông tin vô tuyến di động

Xử lý Anten mảng theo không gian - thời gian trong thông tin vô tuyến di động

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TẬP ĐOÀN BCVT VIỆT NAM

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

-

NGUYỄN QUANG HƯNG

XỬ LÝ ANTEN MẢNG THEO KHÔNG GIAN-THỜI GIAN

TRONG THÔNG TIN VÔ TUYẾN DI ĐỘNG

Chuyên Ngành: Mạng và kênh thông tin liên lạc

Mã số:2.07.14

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2006

Công trình được hoàn thành tại:

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Người hướng dẫn khoa học:

1 TS Đặng Đình Lâm

2 TS Chu Ngọc Anh Phản biện 1: GS TSKH Phan Anh

Phản biện 2: PGS TS Nguyễn Quốc Trung

Phản biện 3: PGS.TS Hoàng Thọ Tu

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp nhà nước họp tại: Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

vào hồi 16 giờ 00 ngày 24 tháng.04 năm 2007

Có thể tìm hiểu luận án tại:

1 Thư viện Quốc gia

2 Thư viện Học Viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

MỞ ĐẦU

Tính cấp thiết của đề tài

Các hệ thống thông tin di động đang phát triển bùng nổ trên thế giới và cả ở Việt Nam Trước yêu cầu ngày càng cao của người sử dụng dịch vụ thông tin di động về chất lượng, dung lượng và tính đa dạng của dịch vụ và đặc biệt là các dịch vụ truyền dữ liệu tốc độ cao và

đa phương tiện, việc nghiên cứu, ứng dụng các công nghệ và kỹ thuật tiên tiến đáp ứng nhu cầu này luôn là một đòi hỏi cấp thiết

Một trong số các kỹ thuật để có thể giúp cải thiện đáng kể chỉ tiêu

và dụng lượng của hệ thống đang được tập trung nghiên cứu trên thế giới trong thời gian gần đây là kỹ thuật xử lý không gian-thời gian Kỹ thuật này cho phép sử dụng tối đa hiệu quả phổ tần cho hệ thống thông tin vô tuyến nói chung và hệ thống thông tin di động tổ ong nói riêng Nhờ sử dụng nhiều phần tử anten, kỹ thuật này cho phép tối ưu hoá quá trình thu hoặc phát tín hiệu bằng cách xử lý theo cả hai miền không gian và miền thời gian tại máy thu phát

Việc tiếp tục nghiên cứu phát triển kỹ thuật này để tiến tới có được các sản phẩm hữu dụng có chỉ tiêu chất lượng cao, đồng thời phù hợp với khả năng xử lý, tính toán của các thiết bị hiện có cũng như ứng dụng nó vào trong các hệ thống thông tin di động hiện có một cách hiệu quả thực sự là vấn đề cấp thiết Việc thực hiện tốt những nghiên cứu này sẽ mang lại hiệu quả rất to lớn về dung lượng cũng như hiện thực hoá khả năng truyền dữ liệu tốc độ cao cho các hệ thống thông tin

di động như GSM hay CDMA hiện tại cũng như các hệ thống thông tin

di động thế hệ mới

Mục tiêu của luận án là nghiên cứu kỹ thuật xử lý không-gian thời

gian bằng anten thông minh cho thông tin di động với các trường hợp

cụ thể anten thông minh cho mạng GSM ở Việt Nam và các hệ thống CDMA

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án là tập trung giải

quyết những vấn đề sau:

- Nghiên cứu thuật toán tạo búp thích nghi có độ phức tạp tính toán thấp nhưng tốc độ hội tụ cao để phù hợp với khả năng của thiết bị thực tế

- Đánh giá hiệu quả của việc sử dụng anten thông minh trong hệ thống GSM có tính đến các điều kiện cụ thể của hệ thống GSM ở Việt Nam để đề xuất phương án ứng dụng, triển khai nhằm sử dụng tài nguyên một cách hiệu quả, có xem xét, đánh giá ảnh hưởng của pha-đinh và che khuất

- Nghiên cứu kỹ thuật nâng cao chỉ tiêu cho hệ thống anten thông minh cho W-CDMA, hệ thống thông tin di động thế hệ 3 IMT-2000

Phương pháp nghiên cứu được thực hiện là nghiên cứu lý thuyết

kết hợp với mô phỏng bằng chương trình máy tính để đánh giá kết quả: Với hệ thống GSM, có tính đến các tham số và điều kiện đặc thù của mạng lưới hiện đang triển khai ở Việt Nam; Với đề xuất cho hệ thống W-CDMA, kết quả đo kiểm thực hiện trên hệ thống thử nghiệm được

sử dụng để đánh giá độ tin cậy

Nội dung luận án bao gồm 4 Chương Sau phần Mở đầu, Chương

1 trình bày tổng quan về kỹ thuật xử lý mảng theo không gian-thời gian

và đặt vấn đề nghiên cứu Chương 2 đi sâu vào phân tích các anten

mảng nhiều phần tử được sử dụng trong thông tin di động với hai kỹ thuật phân tập và tạo búp Chương này cũng đã đề xuất sử dụng một thuật toán tạo búp thích nghi kết hợp cả kênh hoa tiêu và lưu lượng cho

hệ thống CDMA trải phổ trực tiếp Chương 3 đánh giá hiệu quả của

việc sử dụng anten thông minh trong các hệ thống thông tin di động tổ ong, đề xuất sử dụng cho hệ thống GSM ở Việt Nam có xem xét đến ảnh hưởng của pha-đinh và che khuất Trên cơ sở nhận xét về những hạn chế của hệ thống anten thông minh thử nghiệm cho W-CDMA, qua phân tích các đặc tính của kỹ thuật phân tập và tạo búp trong môi

trường pha-đinh và nhiễu đa truy nhập, Chương 4 đã đề xuất sử dụng

kỹ thuật phối hợp cho chép đạt được ưu điểm của cả hai kỹ thuật phân tập và tạo búp cho hệ thống W-CDMA Kết quả đo kiểm được thực hiện trên hệ thống anten thông minh thử nghiệm cho W-CDMA tại Viện nghiên cứu Điện tử Viễn thông Hàn Quốc (ETRI) để đánh giá độ tin cậy của phương án đề xuất Cuối cùng là phần kết luận và hướng phát triển tập trung vào những kết quả mới đạt được của luận án

Chương 1

TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ MẢNG THEO KHÔNG GIAN-THỜI GIAN

1.1 Sơ lược về quá trình phát triển kỹ thuật xử lý tín hiệu mảng

1.1.2 Tín hiệu trong miền thời gian, không gian

1.1.2.1 Biểu diễn tín hiệu theo thời gian

Tín hiệu thực s(t) có biến đổi Fourier là S(f)

Nếu nói tín hiệu là thực, nghĩa là ta chỉ xét các tần số dương Gọi

z(t) là đường bao phức của tín hiệu thực s(t), và Z(f) là biến đổi Fourier của z(t) Đường bao phức cho tần số f c nào đó (tần số sóng mang) được xác định trong miền Fourier là:

1 ) (

f

f f

Bằng cách sử dụng nhiều antnen có phân cực hoặc vị trí khác nhau

ở phía thu và hoặc phát, chiều không gian sẽ được thêm vào Việc xử

lý tín hiệu được thực hiện theo cả miền không gian và thời gian được gọi là xử lý không gian-thời gian Tín hiệu có thêm chiều không gian (không gian-thời gian) được biểu diễn như sau:

s(t,x,y,z) = s(t,r) (1.7) trong đó véc-tơ r biểu diễn 3 biến không gian (x,y,z)

1.1.2.3 Các kỹ thuật xử lý tín hiệu

Như vậy, ngoài kỹ thuật xử lý tín hiệu theo thời gian kinh điển, tín hiệu có thể được xử lý theo chiều không gian, hoặc cả không gian và thời gian (xử lý không gian-thời gian)

Hạn chế của mô hình không gian trong việc đánh giá tín hiệu là chỉ tiêu sẽ phụ thuộc hoàn toàn vào độ chính xác của mô hình, trong khi

luôn tồn tại một sự khác biệt giữa mô hình và hệ thống thực tế Do đó, anten mảng phải được định cỡ (điều chỉnh) để mô hình không gian này đúng với hệ thống thực Việc đánh giá kênh và vết không gian cũng có thể được cải thiện nếu ta kết hợp được một mô hình không gian với các đặc trưng thời gian

1.2.1 Mô hình hệ thống không gian-thời gian

Mô hình hệ thống xử lý không gian-thời gian tổng quát có nhiều phần tử anten được sử dụng tại máy phát và máy thu (MIMO) thường không được sử dụng trong thực tế, mà ta thường xét một số cấu hình kênh khác có một anten tại máy di động và nhiều anten tại trạm gốc

Kỹ thuật xử lý không gian - thời gian cho phép cải thiện chất lượng kênh truyền theo 2 cách: Cách thứ nhất là sử dụng phân tập để giảm thiểu ảnh hưởng của pha-đinh đối với tín hiệu thu được, cách thứ hai là làm thay đổi thích nghi giản đồ phương hướng của hệ thống anten để giảm thiểu mức nhiễu đa truy nhập (MAI) tại máy thu Khái niệm xử lý không gian-thời gian và anten thông minh được hiểu như sau:

• Xử lý không gian - thời gian là kỹ thuật giảm thiểu pha-đinh và

nhiễu đa truy nhập thông qua việc sử dụng tích hợp anten nhiều phần tử, kỹ thuật xử lý tín hiệu tiên tiến, cấu trúc máy thu tiên tiến

và sửa lỗi trước

• Anten thông minh là hệ thống kết hợp anten với các thuật toán xử

lý tín hiệu để tạo ra một hệ anten có các tính năng linh hoạt

Hình 1.3 Phân loại kỹ thuật xử lý không gian-thời gian và anten thông minh Tạo búp

Xử lý không gian-thời gian:

Giảm thiểu pha-đinh và MAI

Phân tập Chia séc-tơ

1.3 Phân loại anten

Các kỹ thuật anten thông minh có thể được phân thành ba loại chính: tạo búp sóng, phân tập, và chia séc-tơ (dẻ quạt) Tùy theo phương thức thực hiện mà các kỹ thuật tạo búp sóng và phân tập có thể tiếp tục được phân loại cụ thể hơn nữa như Hình 1.4

Hình 1.4 Phân loại anten thông minh

1.4 Đặt vấn đề nghiên cứu

Nhờ sử dụng nhiều phần tử anten, kỹ thuật xử lý không gian-thời gian cho phép tối ưu hoá quá trình thu hoặc phát tín hiệu bằng cách xử

lý theo cả hai miền không gian và miền thời gian tại máy thu phát Việc

xử lý tín hiệu trên anten mảng có thể dựa trên hai kỹ thuật chính là phân tập hoặc tạo búp Tuy nhiên, hai kỹ thuật này lại có phần trái ngược nhau Kỹ thuật phân tập có chỉ tiêu càng tốt khi mức độ tương quan của tín hiệu ở các nhánh càng nhỏ Điều này là ngược lại đối với

kỹ thuật tạo búp

Đối với kỹ thuật tạo búp, do khả năng xử lý của thiết bị thực tế còn nhiều hạn chế nên các hệ thống thử nghiệm đều chỉ sử dụng các thuật toán kinh điển như trung bình bình phương nhỏ nhất, bình phương nhỏ tối thiểu đệ qui Việc xem xét, phát triển các thuật toán tạo búp có tốc

độ hội tụ nhanh hơn nhưng không làm tăng độ phức tạp tính toán để phù hợp với khả năng xử lý của các thiết bị hiện có cho hệ thống CDMA trải phổ trực tiếp cụ thể sẽ làm cho việc ứng dụng anten thông minh có chỉ tiêu tốt cho các hệ thống CDMA khả thi hơn

Anten thông minh

Đối với hệ thống GSM, việc nghiên cứu hiệu quả của việc sử dụng anten thông minh đối với cấu hình hệ thống GSM hiện đang được triển khai ở Việt Nam và đề xuất sử dụng anten thông minh cho mạng GSM một cách phù hợp sẽ giúp tăng dung lượng mạng và có ý nghĩa thực tiễn cao

Mặc dù dựa trên nền tảng băng rộng, các hệ thống WCDMA hiện nay vẫn còn bị hạn chế rất nhiều về khả năng truyền dữ liệu tốc độ cao Việc nghiên cứu các kỹ thuật áp dụng cho anten mảng sao cho tận dụng được ưu điểm của việc giảm nhiễu búp sóng mà vẫn có được phân tập thu có khả năng cải thiện được chỉ tiêu hệ thống, giúp cho việc truyền

dữ liệu tốc độ cao trở nên khả thi

Có 3 cách cơ bản để kêt hợp tín hiệu trong một anten mảng phân tập : Chọn lọc, Tỉ lệ cực đại (MRC), và Tăng ích đều Phương pháp kết hợp tỉ lệ cực đại có chỉ tiêu tốt nhất nhưng cũng phức tạp nhất và được phân tích sâu để làm cơ sở cho những đề xuất, so sánh sau này

2.1.4 Ảnh hưởng của tương quan nhánh

Chỉ tiêu kỹ thuật phân tập sẽ giảm khi các nhánh không hoàn toàn bất tương quan với nhau Sự tương quan nhánh có thể bị ảnh hưởng với một số yếu tố như sự giải-trải góc của các sóng tới hay ghép cặp lẫn nhau giữa các phần tử anten Ví dụ, với một sóng tới phẳng, hai nhánh

sẽ luôn tương quan bất kể khoảng cách giữa chúng là bao nhiêu

Hệ số tương quan với sóng phẳng từ mặt phẳng xy là :

12 12

12

12 ( 1 | |)

|)

| 1 (

|

| 2

1 1 )

ρ

Với trường hợp đặc biệt là tương quan hoàn hảo, tức là ρ 12=1, biểu

diễn trên có thể rút gọn tương ứng với trường hợp M=1 (chỉ có 1 nhánh

anten)

2.2 Kỹ thuật tạo búp sóng

2.2.1 Chuyển búp sóng

Anten chuyển búp sóng tạo ra nhiều búp sóng kề nhau mà đầu ra

có thể chuyển tới một hoặc nhiều máy thu nhất định Do đó một ô được chia thành một nhóm các búp sóng liên tục Hệ thống chuyển búp sóng đơn giản chỉ yêu cầu một mạch tạo búp sóng, một chuyển mạch cao tần

có điều khiển logic để chọn búp sóng mong muốn Mỗi máy thu phải

có một cơ chế lựa chọn búp sóng để có thể chọn được búp sóng mong muốn dựa vào các vector trọng số đã định Cơ chế cho việc lựa chọn búp sóng hiệu quả khá phức tạp và phụ thuộc vào phương pháp truy nhập theo CDMA, TDMA hay FDMA

2.2.2 Tạo búp sóng thích nghi

Kỹ thuật tạo búp sóng thích nghi hiệu chỉnh một cách linh hoạt giản đồ phương hướng của anten mảng theo môi trường tín hiệu cao tần (RF), định hướng búp sóng tới người sử dụng mong muốn, đồng thời làm suy giảm tăng ích anten ở hướng gây nhiễu Tuy có chỉ tiêu tốt hơn, anten mảng thích nghi thường phải sử dụng những xử lý số phức tạp nên có chi phí tốn kém hơn hệ thống chuyển búp sóng

Hình 2.7 Anten mảng thích nghi

Điều khiển

Với anten mảng thích nghi như cho trong Hình 2.7, đầu ra của mảng được tính bằng:

y(t)=w H x(t) (2.41)

trong đó w H là biến đổi liên hợp phức chuyển vị của vectơ trọng số w

Các trọng số phức của mỗi phần tử của anten mảng có thể được tính toán nhằm tối ưu một vài đặc tính nào đó của tín hiệu thu được

2.2.2.5 Trọng số tối ưu

Để tối ưu các trọng số phần tử, chúng ta cần giảm thiểu lỗi trung

bình bình phương giữa đầu ra của mảng và tín hiệu chuẩn d(t) Việc tối

ưu hoá SINR sẽ làm cho các trọng số lệch đi một đại lượng nhân vô hướng so với các trọng số trình bày ở đây Xử lý chênh lệch này như đối với trường hợp các phần tử đẳng hướng, và nghiệm của các trọng

2.2.3 Các thuật toán thích nghi

2.2.3.1 Trung bình bình phương nhỏ nhất (LMS)

] [ ] [ ]

1 [ )

1

Ưu điểm: Luôn luôn hội tụ

Nhược điểm: Yêu cầu tín hiệu tham khảo

2.2.3.2 Nghịch đảo ma trận liên hợp lấy mẫu trực tiếp

Công thức cập nhật trọng số vẫn là công thức (2.48), nhưng R xx và

r xd được đánh giá từ dữ liệu được lấy mẫu trên một khoảng thời gian xác định

, ) ( ) (

*

N i

xd d i x i

Ưu điểm: Luôn luôn hội tụ; tốc độ hội tụ nhanh hơn LMS

Nhược điểm: Yêu cầu tín hiệu tham khảo; tính toán phức tạp

2.2.3.3 Thuật toán bình phương tối thiểu đệ quy

Thuật toán này ước lượng R xx và r xd sử dụng các tổng trọng số là:

(2.52)

(2.53)

Ưu điểm: Luôn luôn hội tụ; tốc độ hội tụ gấp 10 lần so với LMS

Nhược điểm: Cần đánh giá ban đầu về R xx -1 và tín hiệu tham khảo

2.2.3.4 Các thuật toán quyết định trực tiếp

Các trọng số có thể được cập nhật sử dụng bất kỳ thuật toán nào ở trên, nhưng tín hiệu chuẩn thu được từ quá trình thực hiện giải điều chế

tín hiệu y(t) Tức là không yêu cầu thông tin chuẩn từ bên ngoài, nhưng không đảm bảo sự hội tụ bởi vì y(t) có thể khác d(t)

2.2.3.5 Thuật toán hằng số theo khối

*

( +1) = ( ) - ( ) ( )

Ưu điểm: Không yêu cầu tín hiệu tham khảo

Nhược điểm: Về mặt lý thuyết, có thể không hội tụ

2.2.3.7 Nhận xét

Mỗi thuật toán khác đều có những ưu nhược điểm riêng Trong khi môi trường truyền sóng di động thay đổi liên tục, những hạn chế về khả năng tính toán tức thời của thiết bị thực tế chỉ cho phép các hệ thống thử nghiệm sử dụng các thuật toán kinh điển không đòi hỏi quá trình tính toán quá phức tạp Đổi lại, tốc độ hội tụ của thuận toán có thể chậm hơn hoặc thậm chí không được đảm bảo như với trường hợp thuật toán hằng số theo khối

2.3 Thuật toán tạo búp thích nghi có hỗ trợ của kênh hoa

tiêu cho đường lên DS-CDMA

2.3.1 Anten thông minh cho DS-CDMA

Đường lên của hệ thống DS-CDMA là nhất quán Để có thể tách tín hiệu nhất quán, hệ thống phải hỗ trợ một kênh hoa tiêu ở đường lên Phần này đề xuất sử dụng một thuật toán tạo búp thích nghi khác các thuật toán khác ở chỗ có sự hỗ trợ thêm của kênh hoa tiêu cho đường lên DS-CDMA nhất quán

Ngoài thuật toán LMS để cập nhật các trọng số của bộ tạo búp cho kênh hoa tiêu, thuật toán hằng số theo khối cũng được sử dụng để tận dụng thông tin trên kênh lưu lượng Nhờ phép cập nhật kết hợp cả

LMS và thuật toán hằng số theo khối, tốc độ hội tụ của bộ tạo búp thích nghi sẽ nhanh hơn

2.3.3 Kết hợp theo không gian ở máy thu trạm gốc

Định nghĩa véc-tơ trọng số đầu tiên của bộ tạo búp cho kênh hoa tiêu là:

T L

1[)

tận dụng để tìn một véc-tơ trọng số tốt hơn w 1 [n]

Hàm chi phí có thể được xác định để tìm véc-tơ trọng số w 1 là:

1 1

( ) (w E A w r n

Thuật toán hằng số theo khối gắn với C r (w) này được viết là:

] [ ] [ ]

1 [ ]

| ] [ ] 1 [

| ( ]

1 1

w 1 [n], ta sẽ sử dụng kết hợp đồng thời hai thuật toán này

Không làm mất tính tổng quát, giả sử rằng A 1=1 và A1=a Định

nghĩa hàm chi phí kết hợp là:

) ( ) 1 ( ) ( )

trong đó 0≤λ≤1 Thuật toán thích nghi gắn với hàm chi phí hỗn hợp là:

] [ ] [ )

1 ( ] [ ] [ ]

1 [ ]

1

* 1

w = − +λµpεLMS + −λ µrεCMS (2.87) Thuật toán thích nghi ở trên tạm gọi là thuật toán kết hợp LMS và hằng số theo khối So sánh (2.87) với công thức cập nhật trọng số LMS (2.81), ta thấy rằng với thuật toán mới, có thêm một đại lượng là phần cuối trong công thức (2.87), do đó rõ ràng là tốc độ hội tụ sẽ nhanh hơn

2.4 Tổng kết chương

Việc xử lý tín hiệu trên anten mảng có thể dựa trên hai kỹ thuật chính là phân tập hoặc tạo búp Với kỹ thuật phân tập, tín hiệu ở các nhánh anten khác nhau được giả thiết là không tương quan, nghĩa là chỉ tiêu hệ thống càng tốt khi mức độ tương quan của tín hiệu ở các nhánh càng nhỏ Trong khi đó, kỹ thuật tạo búp lại lợi dụng tính tương quan của tín hiệu ở các nhánh, do đó phát sinh mâu thuẫn giữa việc tránh làm nhiễu búp sóng và mong muốn có được phân tập thu

Chương này cũng đã đề xuất sử dụng thuật toán dùng cả kênh hoa tiêu và kênh lưu lượng cho kỹ thuật tạo búp Ngoài thuật toán trung bình bình phương nhỏ nhất để cập nhật các trọng số của bộ tạo búp cho kênh hoa tiêu, thuật toán hằng số theo khối cũng được sử dụng để tận dụng thông tin trên kênh lưu lượng Nhờ phép cập nhật kết hợp cả thuật toán này, tốc độ hội tụ của bộ tạo búp thích nghi sẽ nhanh hơn

Chương 3 HIỆU QUẢ VỀ DUNG LƯỢNG CỦA ANTEN THÔNG MINH

ĐỐI VỚI HỆ THỐNG GSM

3.1 Đánh giá hiệu quả về dung lượng khi sử dụng anten

thông minh chuyển búp sóng

Trong hệ thống thông tin di động tổ ong, nếu tổng số kênh phân bổ

cho một nhà cung cấp dịch vụ là N t, thì số kênh này thường được chia đều để sử dụng cho các ô trong một cụm (cluster), cấu trúc cụm này được tái sử dụng (lặp lại) trong toàn hệ thống Nếu số ô trong một cụm

là N thì số kênh trên một ô là:

Nếu giả sử lưu lượng tiêu biểu của người sử dụng là E u, số người

sử dụng K hỗ trợ trên một kênh là (E/N k )/E u Để tính lưu lượng với anten chuyển búp sóng, số kênh trên tổng kênh cần được dùng trong

(3.9) là số kênh hiệu dụng trên một ô, N ce Tổng số thuê bao trên ô, K sb