Nghiên cứu thiết kế anten dùng cho thông tin di động GSM1800

Nhà cung cấp dịch vụ nào cũng khẳng định đã phủ sóng rộng khắp nhưng nhìn chung mật độ không đều và chất lượng cuộc gọi chưa ổn định. Các trạm thu phát sóng (BTS) thường dày đặc ở thành thị và những điểm đông dân nhưng lại thưa thớt ở các vùng nông thôn, miền núi. Đôi khi ngay cả các địa phương giáp ranh với các thành phố lớn vẫn có những lời phàn nàn về hiện tượng ít sóng. Để giải quyết triệt để tình trạng này, các nhà cung cấp dịch vụ đã và đang tiến hành mở rộng khá nhiều trạm BTS. Mục tiêu của các nhà cung cấp trong năm nay là phải xây dựng được 15.000 trạm thu phát mới trong đó mạng GSM chiếm tới hai phần ba. Trong đó, MobiFone dự kiến thêm 4.500 BTS mới trong khi phải mất 13 năm hãng mới lắp được 2.500 BTS đầu tiên. VinaPhone phấn đấu đến hết năm nay sẽ có thêm 5.000 BTS.

Mục lục

Lời nói đầu……… 6

Chương 1 TỔNG QUAN MẠNG GSM VÀ ANTENNA GSM 1.1 Cấu trúc mạng di động GSM……… 8

1.1.1 Phân hệ trạm gốc……… 8

1.1.2 Phân hệ chuyển mạch mạng NSS……… 11

1.1.3 Bộ ghi nhận dạng thiết bị EIR……… 13

1.1.4 Trạm di động GSM……… 14

1.2 Antenna dùng trong mạng GSM……… 15

1.2.1 Chức năng và nhiệm vụ của antenna trong trạm BTS… 15 1.2.2 Các hệ thống antenna trong thông tin di động………… 17

1.2.3 Một số loại antenna di động GSM……… 24

Chương 2 CÁC THAM SỐ CỚ BẢN CỦA HỆ THỐNG ANTENNA 2.1 Miền phát xạ của antenna……… 28

2.2 Hệ số định hướng……… 30

2.3 Hệ số khuếch đại……… 32

2.4 Độ rộng búp sóng antenna……… 33

2.5 Trở kháng và dải thông của antenna……… 35

2.6 Phân cực……… 37

Chương 3 PHƯƠNG PHÁP CẤP NGUỒN CHẤN TỬ MẠCH DẢI 3.1 Tham số tán xạ và hiệu suất……… 39

3.2 Bộ chia công suất……… 41

3.3 Phân bố công suất cho các chấn tử……… 43

Chương 4 THIẾT KẾ ĐƠN CHẤN TỬ MẠCH DẢI VÀ GIÀN ANTENNA MẠCH DẢI 4.1 Ưu nhược điểm và ứng dụng của antenna mạch dải………… 45

4.1.1 Ưu điểm của antenna mạch dải……… 45

4.1.2 Nhược điểm của antenna mạch dải……… 45

4.1.3 Ứng dụng của antenna mạch dải……… 45

4.2 Phương pháp chọn mạch dải cho chấn tử……… 46

4.3 Mở rộng dải thông cho chấn tử mạch dải……… 49

4.3.1 Mở rộng băng thông BW bằng thay đổi hình dạng patch 49 4.3.2 Nhiều cộng hưởng phẳng……… 50

4.3.3 Cấu hình nhiều lớp……… 50

4.3.4 Phối hợp trở kháng làm tăng dải thông……… 52

4.3.5 Cấu hình loga chu kỳ……… 52

4.4 Thiết kế chấn tử đơn antenna mạch dải……… 53

4.4.1 Cấu hình antenna patch……… 53

4.4.2 Các bước thiết kế antenna patch……… 57

4.5 Thiết kế antenna GSM 1800……… 63

4.5.1 Tính năng kỹ thuật và công dụng………

4.5.2 Kết quả mô phỏng………

63 63 Kết luận………

Tài liệu tham khảo………

70 72

Bảng cỏc chữ viết tắt

AUC Authenticication centre Trung tâm chứng thực

BSC Base Transceiver Controller Bộ điều khiển trạm gốc

BSS Base Transceiver System Hệ thống trạm gốc

BTS Base Transceiver Station Trạm thu phát gốc

EIR Equipment Identity Register Bộ ghi nhận dạng thiết bị

FDD Frequency Division Duplex Song công chia tần số

FDMA Frequency Division Mutiple Access Đa truy nhập chia tần số

GPRS General Packet Radio Service Dịch vụ vụ tuyến gúi tổng hợpGSM Global System for Mobile Communications Hệ thống thông tin di động toàn cầuHLR Home Location Register Bộ đăng ký vị trí thờng trú

IMEI International Mobile Equipment Identity Danh tính thiết bị di động quốc tếISDN Integrated Services Digital Network Mạng số liên kết đa dịch vụ

IWF Intelligent Work Station Trạm làm việc thông minh

MSC Mobile Switching Centre Trung tâm chuyển mạch di độngNSS Nodal Switching System Hệ thống chuyển mạch của mạngPLMN Public Land Mobile Network Mạng di động cụng cộng mặt đấtPSTN Packet Switched Telephone Network Mạng điện thoại chuyển mạch côngcộng

SIM Subscriber Indentity Module Mô đun nhận dạng thuê bao

TDD Time Division Duplexing Song công chia theo thời gianTDMA Time Division Multiple Access Đa truy nhập chia theo thơì gianVLR Visitor Location Register Bộ đăng ký vị trí khách

VSWR Voltage Standing Wave Ratio Hệ số sóng đứng

LỜI NểI ĐẦU

Kể từ khi mạng di động đầu tiên tại Việt Nam, MobiFone chính thức đi

vào hoạt động đã 16 năm, ngành thông tin di động Việt Nam đó trải qua

những chặng đường phát triển đầy dấu ấn Hiện nay, ở Việt Nam có 3 mạng

thông tin di động GSM: Vinaphone, MobiFone và Viettel chiếm hơn 98% thị

phần các thuê bao di động Trong thời gian tới GSM vẫn chứng tỏ là công

nghệ phù hợp cho thông tin di động ở nớc ta

Các mạnh thông tin GSM đã hoạt động đợc gần 20 năm nên cơ sở hạ

tầng đã cũ và cần thay thế Để nâng cấp chất lợng, các nhà cung cấp dịch vụ

cồ gắng nâng cấp và thay thế các thiết bị trong đó có hệ thống antenna dùng

cho các trạm BTS Nhà cung cấp dịch vụ nào cũng khẳng định đó phủ súng

rộng khắp nhưng nhỡn chung mật độ khụng đều và chất lượng cuộc gọi chưa

ổn định Cỏc trạm thu phỏt súng (BTS) thường dày đặc ở thành thị và nhữngđiểm đụng dõn nhưng lại thưa thớt ở cỏc vựng nụng thụn, miền nỳi Đụi khingay cả cỏc địa phương giỏp ranh với cỏc thành phố lớn vẫn cú những lờiphàn nàn về hiện tượng ớt súng Để giải quyết triệt để tỡnh trạng này, cỏc nhàcung cấp dịch vụ đó và đang tiến hành mở rộng khỏ nhiều trạm BTS Mụctiờu của cỏc nhà cung cấp trong năm nay là phải xõy dựng được 15.000 trạmthu phỏt mới trong đú mạng GSM chiếm tới hai phần ba Trong đú, MobiFone

dự kiến thờm 4.500 BTS mới trong khi phải mất 13 năm hóng mới lắp được2.500 BTS đầu tiờn VinaPhone phấn đấu đến hết năm nay sẽ cú thờm 5.000BTS

Thực trạng hiện nay ở Việt Nam là hầu hết các thiết bị đều nhập từ nớcngoài, chúng ta chỉ khai thác sử dụng Vì vậy, chúng ta không làm chủ đợccông nghệ và kiểm soát đợc chất lợng sản phẩm Việc nghiên cứu, thiết kế chếtạo các thiết bị viễn thông trong đó có anten là rất cần thiết

Do vậy, em chọn đề tài “ Nghiên cứu thiết kế antenna dùng cho thông tin di động GSM-1800” Cấu trúc đồ án tốt nghiệp:

Chương 1: Tổng quan mạng GSM và antenna GSM;

Chương 2: Cỏc tham số cơ bản của antenna;

Chương 3: Phương phỏp cấp nguồn chấn tử mạch dải;

Chương 4: Thiết kế đơn chấn tử mạch dải và antenna mạch dải

Mục tiêu của đồ án tốt nghiệp là nghiên cứu thiết kế antenna băng tần 1760MHz đến 1840 MHz dùng cho trạm BTS của các nhà cung cấp dịch vụ di

động GSM-1800

Do hạn chế về thời gian cũng nh kinh nghiệm trong nghiên cứu nên nộidung đồ án còn sơ sài kính mong các thầy giáo trong hội đông chấm thi xemxét giúp đỡ

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN MẠNG GSM VÀ ANTENNA GSM

1.1 CẤU TRÚC MẠNG GSM

Mạng GSM có thể phân chia thành: Phân hệ trạm gốc BSS, phân hệchuyển mạch mạng NSS và các trạm di động MS Kiến trúc của một mạngGSM phân bố theo địa lý và kết nối của nó đợc thể hiện trên hình 1.1

Hình 1.1- Kiến trúc mạng GSM

1.1.1 Phân hệ trạm gốc

a Trạm thu phát gốc

Phân hệ trạm gốc gồm nhiều trạm thu phát BTS cho phép kết nối khôngdây từ trạm di động tới mạng thông qua giao diện Um hoặc vô tuyến (hình1.2) Cùng với bộ thích nghi tốc độ chuyển đổi mã TRAU và trạm thu phátgốc BTS đảm nhiệm tất cả chức năng thông tin liên lạc giữa mạng và trạm di

động Những công việc này gồm: mã kênh, xen kênh, bảo mật kênh, điều chế

và giải điều chế khoá dịch tối thiểu Gaussian Sơ đồ nguyên lý trạm thu phátBTS đợc biểu diễn hình 1.2

Hình 1.2 - Sơ đồ nguyên lý trạm thu phát BTS

b Bộ điều khiển trạm gốc

Tất cả trạm thu phát BTS của phân hệ trạm gốc BSS kết nối với bộ điềukhiển trạm gốc BSC thông qua giao diện Abis (hình 1.3) Bộ điều khiển trạmgốc kết nối tới trung tâm chuyển mạch dịch vụ di động MSC qua dao diện A

đợc hiểu nh là một chuyển mạch Bộ điều khiển trạm gốc giống một tổng đài

mở rộng nhằm giảm bớt gánh nặng của MSC khỏi tất cả các kết nối khôngdây Cụ thể là: ớc lợng kết quả đo lờng từ BTS và trạm di động MS khi tồn tạimột cuộc gọi để điều chỉnh công suất thích hợp từ những kết quả thay đổi đóhoặc điều khiển chuyển vùng Những chức năng điều chỉnh này hầu hết đợcthực hiện bởi BSC, mặc dù chuẩn GSM chỉ cho phép chuẩn bị sơ bộ của kếtquả đo lờng ở BTS

Cộng thêm chức năng điều khiển trạm gốc BSC là chức năng nganghàng của MS về phía giao thức quản lý nguồn tài nguyên sóng vô tuyến vàquản trị tài nguyên trên giao diện Abis và vô tuyến BSC nh một phần tử củamạng chuyển mạch kênh, là trở lực lớn đối với dịch vụ chuyển mạch gói Sơ

đồ mạch chính của BSC đợc minh hoạ trên hình 1.3

Hình 1.3 - Sơ đồ mạch chính của BSC Các chức năng của BSC không thích hợp cho dịch vụ chuyển mạch gói còn giao thức ngang hàng thì gây nhiều khó khăn khi điều chỉnh cho các yêu cầu của các dịch vụ chuyển gói.

c Khối điều chỉnh tốc độ và biến đổi mã TRAU

TRAU có nhiệm vụ nén tín hiệu từ tốc độ 64kb/s thành 16kb/s cho chế

độ toàn tốc hoặc 8 kb/s cho chế độ bán tốc TRAU thực hiện tạo nhiễu tạp âm

dễ chịu khi có đoạn ngng nói trong cuộc đàm thoại Điều quan trọng hơn vớiviệc hiểu cơ bản của quá trình xử lý tín hiệu trong GSM là chức năng khác củaTRAU: chuyển đổi hết toàn bộ thông tin từ MSC thành các khung TRAU.Quá trình biến đổi này áp dụng cho tín hiệu fax, truyền dữ liệu, thoại Nóicách khác: tất cả sự chuyển tải giữa MS và TRAU diễn ra chính ở khungTRAU Mỗi khung TRAU có độ dài 320 bit, cứ 20 ms thì có một khungTRAU đợc truyền hoặc phát Do đó có 16kb/s/kênh Thực tế số lợng bít tảiphụ thuộc vào loại khung TRAU hoặc ứng dụng Với thoại toàn tốc mỗikhung TRAU chứa 260 bit dữ liệu, bình thờng thì khung TRAU chứa 240 bittải Kênh tải 16kb/s đợc sử dụng là do khung TRAU giữa TRAU và BTS có

giao diện Abis Nói cách khác, nếu có hơn 16 kbps dữ liệu đợc truyền tải làmột vấn đề lớn Chuẩn GSM cho phép tích hợp TRAU trong BTS (hình 1.4).

Hình 1.4 - Sơ đồ khối của BSC

Tuy nhiên, mỗi nhà sản xuất đều đa ra một định hớng khác nhau và sử dụng

điều khiển TRAU Do yêu cầu giảm giá thành kết nối nên nếu TRAU đợc lắp

đặt ở MSC thì kênh 16 kb/s có thể đợc sử dụng ở tất cả các đờng kết nối từMSC đến BTS thay vì kênh 64 kb/s nh ở GSM Vậy nên một khối điều khiểnTRAU cho phép giảm giá thành kết nối đi 3/4

ở GSM, HLR lu giữ thông tin liên quan tới mọi thuê bao đã đăng ký hiệnthời

+ Trung tâm nhận thực AuC:

Là phần không thể thiếu của HLR, nó tính toán kết quả nhận thực tơng ứngSRES và các khoá mật Kc với việc sử dụng thuật toán A3, A8 và số ngẫunhiên RAND, khoá thuê bao Ki đợc lu trữ trong HLR Quá trình tính toán đợcminh họa ở hình 1.5 Xác định K c từ K ivà RAND; và hình 1.6 xác định SRES

b Trung tâm chuyển mạch dịch vụ di động và bộ ghi định vị tạm trú

Những năm của thập kỉ 80, trong quá trình phát triển GSM, MSC vàVLR đợc quan niệm nh hai phần tử mạng độc lập: MSC giống nh phần tửmạng đảm nhiệm chức năng điều khiển cuộc gọi, VLR đảm nhiệm chức năngcơ sở dữ liệu cho quản lý di động MM Cả hai giao thức điều khiển cuộc gọi

CC và quản lý di động MM là trong suốt với phân hệ vô tuyến và chịu trách

nhiệm xử lý tại MSC và VLR Đến gần những năm 90, quan niệm về hai phần

tử độc lập MSC và VLR không còn nữa thay vào đó là MSC/VLR Tuy nhiênviệc này không làm thay đổi giao thức độc lập của CC và MM MSC của GSMgiống nh một tổng đài ISDN Tuy nhiên tổng đài ISDN sử dụng chuyển mạchkênh

+ Trung tâm chuyển mạch di động cổng GMSC và chức năng phối hợp IWF:Hình 1.1 cho thấy một mạng di động mặt đất công cộng PLMN điển hìnhcùng với trung tâm chuyển mạch di động cổng khác Trong số MSC trênhình 1.1 thì chỉ có hai MSC có kết nối với mạng ngoài Các MSC đặc biệt này

đợc xem nh là trung tâm chuyển mạch di động cổng ở GSM Các nhà điềuhành mạng có quyền quyết định tất cả hoặc một số MSC có chức năng kết nốimạng ngoài Chức năng phối hợp IWF thờng đợc gọi là modem gốc vì nó đảmnhiệm chức năng thích nghi tốc độ RA trong các kết nối với mạng dữ liệungoài GSM hỗ trợ kết nối với các mạng ngoài khác nhau nh: Mạng dữ liệucông cộng chuyển mạch kênh PSPDNs, mạng chuyển mạch điện thoại cố địnhcông cộng PSTN, mạng số tích hợp đa dịch vụ ISDN và các mạng di độngkhác

1.1.3 Bộ ghi nhận dạng thiết bị EIR

EIR không quản lý dữ liệu thuê bao nên thiết bị di động đầu cuối tựquản lý dữ liệu Khác với VLR và HLR, EIR là phần tử tùy chọn của mạng, vìgiá của EIR cực nhỏ so với tổng đầu t GSM Lịch sử phát triển EIR: Theochuẩn GSM những năm 80 thì thiết bị di động và điện thoại di động rất đắt vàkhả năng chống sử dụng trái phép kém nên GSM mở cánh cửa mới cho thị tr-ờng đen phát triển do việc nhận dạng thuê bao tách khỏi việc nhận dạng thiết

bị Để giải quyết vấn nạn này, hai biện pháp đã đợc đa ra, thứ nhất: các máy di

động GSM không đợc thay đổi và nhận dạng IMEI Thứ hai: EIR có khả năng

lu trữ số IMEI EIR giúp cho việc bảo vệ mạng PLMN khỏi sự thâm nhập củacác thuê bao trái phép bằng cách so sánh số IMEI của thuê bao này gửi tới khithiết bị thiết lập thông tin với số IMEI lu trữ trong các danh sách trắng và xámtrong EIR nếu không tơng ứng thuê bao sẽ không truy nhập mạng đợc

1.1.4 Trạm di động GSM

Trạm di động GSM chỉ tồn tại khi thiết bị di động ME kết nối vật lý vớiSIM Một số đặc điểm của GSM đã đợc định nghĩa trong các thuật ngữ ở thiết

bị di động:

- Cấu hình mạng tổ ong với kích thớc tế bào tơng đối nhỏ cho phép truyền tiêuthụ năng lợng truyền dẫn thấp ở MS vì thế pin của MS vừa nhỏ và nhẹ.

- Điều chế GMSK đợc sử dụng nên cho phép sử dụng các bộ khuếch đại côngsuất giá rẻ, xử lý điều chế đơn giản nên giá thành sản xuất thấp

- Chuẩn GSM chuẩn không cho phép MS có khả năng thu phát tín hiệu đồngthời Nên bộ song công trên giao diện giữa đờng thu phát và antenna là khôngcần thiết do đó giảm độ phức tạp và giá thành của một MS

- Không giống với phần tử mạng khác trong NSS và BSS, các phần cứng cụ thểcủa giao diện ngời máy MMI đợc xác định cho MS

- Định nghĩa chính xác của chức năng bắt buộc và tùy chọn của trạm di độngGSM liên quan đến hiệu suất kiểm thử hàng trăm trờng hợp Mỗi MS phải quacác lần kiểm thử trớc khi đợc bán lẻ Thoạt tiên, sự hạn chế này có vẻ nh mộttrở ngại lớn nhng xem xét một cách sâu xa lại là những thuận lợi bởi vì nó

đảm bảo niềm tin cho khách hàng, giảm đáng kể số lợng cuộc nhỡ. Sự đơngiản hóa MS là một phần của công nghệ tốc độ cao Hình 1.7 cho thấy, một

Antenna trong các trạm BTS dùng để thu phát sóng bức xạ từ tổng đàitới các máy lẻ và ngợc lại Với các antenna có tính định hớng cao và hệ sốtăng ích còn giúp cho các công ty viễn thông tiết kiệm đợc công suất cũng nhcác lãng phí do việc phủ sóng toàn bộ.

Hiện nay các trạm BTS đã sử dụng các loại antenna tơng đối phức tạp có tính

định hớng cao và khả năng xử lý thông minh theo các chơng trình đã lập sẵn.Tuy nhiên, về cơ bản các antenna phức tạp đều dựa vào nguyên lý của cácantenna đơn giản đợc dùng khá phổ biến là antenna vô hớng (OmnidirectionalAntenna) hình 1.8 và antenna định hớng (Directional Antenna) hình 1.9

Hình 1.8 - Antenna vô hớng và vùng phủ sóng

Antenna vô hớng là một antenna đơn giản dùng để phát thu sóng đồng

đều trên tất cả các hớng Omnidirectional Antenna thích hợp cho vùng phủsóng có mật độ điện thoại trên thuê bao thấp Tuy vậy, antenna cũng làm phântán năng lợng và cờng độ tín hiệu phát ra Để khắc phục điều này ngời ta phảităng công suất phát nhng lại gây nên tăng xuyên nhiễu giữa các kênh Nóichung antenna vô hớng có nhiều hạn chế về độ tăng ích và khả năng tái sửdụng các kênh tần số

Antenna định hớng cũng là loại antenna đơn giản, nhng khác với loạiantenna vô hớng nó đợc thiết kế để phát và thu tín hiệu trong một hớng nhất

định Trong các hệ thống thông tin di động đặc tuyến phủ sóng của antenna

định hớng thờng có sector và góc mở 1200 So với antenna vô hớng thìantenna định hớng có độ tăng ích và hiệu năng tín hiệu cao hơn nhờ tập trungtín hiệu Tuy nhiên, nó vẫn không thể khắc phục đợc một nhợc điểm lớn củaantenna vô hớng là vấn đề xuyên nhiễu giữa các kênh

Hình 1.9 - Antenna định hớng và vùng phủ sóng

1.2.2 Các hệ thống antenna trong thông tin di động

Để khắc phục nhợc điểm của các loại antenna đơn giản ở trên ngời ta cốgắng kết hợp nhiều antenna với nhau để tạo thành một hệ thống antenna Cácantenna trong cùng một hệ thống phải làm việc đồng bộ với nhau nhằm nângcao độ tăng ích cũng nh mở rộng vùng phủ sóng Sau đây ta sẽ nghiên cứumột số hệ thống antenna đã đợc phát triển trong thông tin di động

a Hệ thống antenna sector

Hệ thống antenna sector (hình 1.10) kết hợp antenna định hớng đặt ởtrạm gốc (base station -BS) để chia các cell truyền thống thành từng phầnsector Mỗi cell thờng đợc chia thành 3 sector hoạt động nh các cell độc lập

Hệ thống antenna sector cho phép tái sử dụng các kênh tần số và giảm bớtxuyên nhiễu trong hệ thống thông tin di động

cải thiện độ lớn của tín hiệu thu đợc bằng cách sử dụng một trong hai phơngpháp sau:

- Antenna phân tập chuyển mạch (hình 1.11): sử dụng bộ chuyển mạch

để chọn kết nối với antenna nào ở vị trí thu đợc tín hiệu tốt nhất, hệ thống này

có khả năng cải thiện đợc hiệu ứng fading nhng không nâng cao đợc hệ sốtăng ích do tại mỗi thời điểm chỉ có một antenna đợc nối tới bộ thu

- Antenna phân tập kết hợp (Combining diversity): Thực hiện việc nhậncả hai tín hiệu từ cả hai antenna, sửa sự lệch pha nhằm phối hợp hai tín hiệu

để đa ra tín hiệu tốt nhất Hệ thống này không những cải thiện đợc hiện tợngfading mà còn tăng đợc độ tăng ích của antenna

Hình 1.11 - Antenna phân tập chuyển mạch

Hình 1.12 - Antenna phân tập phối hợp

Do cờng độ phát tín hiệu của trạm gốc (downlink) lớn hơn rất nhiều ờng độ phát tín hiệu phát ra từ mobile (uplink) nên hệ thống antenna phân tậpthờng đợc dùng ở các trạm gốc để cải thiện tín hiệu thu đợc từ mobile Tuy

c-vậy hệ antenna phân tập cha giảm đợc xuyên nhiễu giữa các kênh, nâng cao

độ nhạy, tăng khả năng tái sử dụng kênh tần số cũng nh tăng dung lợng của hệthống Các yêu cầu này dẫn đến việc đòi hỏi nghiên cứu các hệ thống antennathông minh hơn cho các hệ thống thông tin di động thế hệ mới, sau đây tatrình bày tổng quan về các antenna thông minh đang đợc phát triển hiện nay

c Antenna thông minh

Antenna thụng minh là một hệ thống gồm một ma trận cỏc antennaphối hợp với nhau bằng cụng nghệ số nhằm tối ưu hoỏ việc phỏt và thu tớnhiệu Cỏc antenna này cú khả năng tự động điều chỉnh hướng đặc tuyến phủsúng của mỡnh sao cho phự hợp nhất với mụi trường tớn hiệu Antenna thụngminh khụng những làm tăng chất lượng tớn hiệu mà cũn làm tăng dung lượng

hệ thống thụng qua việc tăng khả năng tỏi sử dụng kờnh tần số Một số đặcđiểm và lợi ớch nổi bật của antenna thụng minh được liệt kờ trong (bảng 1.1)

Bảng 1.1 - Ưu điểm antenna thông minh

Độ tăng ớch cao - Tớn hiệu vào từ

nhiều antenna được phối hợp để nõng

cao độ tăng ớch từ đú tối ưu hoỏ cụng

suất phỏt yờu cầu đối với một vựng

phủ súng nhất định

Mở rộng được vựng phủ súng - Việctập trung năng lượng truyền súng vàotrong cell cho phộp mở rộng vựngphủ súng của trạm gốc Mặt khỏctăng ớch trạm gốc lớn cho phộp giảmcụng suất phỏt yờu cầu của MS, từ đútăng thời gian sử dụng của pin và chophộp giảm nhỏ kớch thước cũng nhưtrọng lượng mobile

Chống xuyờn lẫn - Tỷ số tớn Tăng dung lượng - Việc tăng tỷ số C/

hiệu/xuyờn nhiễu (C/I) được nõng

cao nhờ giảm được số nguồn nhiễu

tỏc động lờn beam định hướng

I cho phộp giảm nhỏ khoảng cỏch tỏi

sử dụng, từ đú tăng thờm dung lượngcủa hệ thống

Sự phõn tập khụng gian - Cỏc tớn

hiệu từ ma trận antenna được phối

hợp nhằm giảm thiểu hiệu ứng

fading và cỏc ảnh hưởng khỏc của

hiệu ứng đa đường

Nõng cao khả năng chống hiệu ứng

đa đường - Cú thể giảm được tỏcđộng của việc trễ trong kờnh, chophộp nõng cao tốc độ (bit rate) màkhụng cần dựng đến bộ cõn bằng.Tối ưu hoỏ cụng suất phỏt -Kết hợp

tớn hiệu vào của nhiều antenna nhằm

tối ưu hoỏ độ tăng ớch đường xuống

Giảm chi phớ hệ thống - Giảm chi phớcho cỏc bộ khuếch đại, giảm mứctiờu thụ điện năng và nõng cao độ tincậy của hệ thống

Thớch ứng với hầu hết cỏc chuẩn

thụng tin vụ tuyến

Cú thể ỏp dụng cho hầu hết cỏc hệthống thụng tin di động sử dụng cỏcchuẩn truy nhập FDMA, TDMACDMA hay cỏc chuẩn song cụngFDD, TDD

Cú tớnh trong suốt đối với mạng lưới

- Khụng bị giới hạn bởi một phương

thức điều chế hay giao thức vụ tuyến

cụ thể nào

Cho phộp tạo ra cỏc sản phẩm vàdịch vụ chất lượng cao và đưa lại chocỏc nhà cung cấp dịch vụ một khảnăng cạnh tranh mạnh

Nguyên lý làm việc của các antenna thông minh là tự điều chỉnh nhằmhớng các búp sóng chính về phía ngời sử dụng mong muốn đồng thời cố gắngloại bỏ các xuyên nhiễu bên ngoài búp sóng chính Tại đờng lên các antennathông minh đo đạc cờng độ tín hiệu nhận đợc từ ma trận antenna và thực hiệncác điều chỉnh phức tạp về biên độ cũng nh về pha tín hiệu Điều này cho phépcác antenna thay đổi đặc tuyến làm việc để tối u hoá tín hiệu nhận đợc Cónhiều antenna thông minh đang đợc ứng dụng và phát triển, trong bản đồ ánnày đề cập đến 2 loại antenna thông minh đơn giản điển hình đó là antenna

chuyển búp (chuyển Beam) và antenna ma trận thích nghi (gọi tắt là antennathích nghi)

- Antenna chuyển búp (beam) bao gồm các antenna có búp sóng cố định đợc

định dạng để tăng độ nhạy ở một hớng xác định Hệ thống này đo cờng độ tínhiệu để chọn một búp thích hợp tại thời điểm nhận tín hiệu để phục vụ và nó

sẽ chuyển từ búp này sang búp khác khi máy mobile di chuyển vị trí trongsector Thay vì định dạng các búp sóng bằng cách thay đổi cấu trúc vật lý cácchấn tử theo kiểu antenna định hớng, antenna chuyển búp kết hợp đầu ra củanhiều antenna một cách đặt biệt nhằm đạt đợc sự sector hoá chùm beam mộtcách tinh vi và linh hoạt hơn nhiều Hình 1.13 đặc tuyến phủ sóng của antennachuyển beam

Hình 1.13 - Đặc tuyến phủ sóng của antenna chuyển beam

Đặc tuyến bức xạ của antenna chuyển búp sóng chính là phơng pháp

mở rộng của phơng pháp sector hoá nhằm chia nhỏ các ô Antenna chuyểncác búp sóng chính chia các macrosector thành các microsector nhằm cảithiện phạm vi phủ sóng và dung lợng Mỗi một microsector chứa một búp cố

định với độ nhạy đợc tập trung tối đa ở vùng trung tâm và giảm tối thiểu ở cácvùng khác Tuỳ theo số búp sóng trong hệ antenna mà độ rộng của từng búp

có thể là 200 hoặc 300 thậm chí nhỏ hơn Thiết kế này đòi hỏi các chấn tửphải có độ tăng ích lớn và chùm beam hẹp Tại mỗi thời điểm antenna chuyểnbeam chọn trong số các beam cố định một beam có cờng độ tín hiệu lớn nhấtcho ngời sử dụng mong muốn.Việc lựa chọn đợc điều khiển bằng tín hiệu caotần hoặc các thiết bị phần cứng hay phần mềm xử lý số Khi ngời dùng đi vàomột macrosector, antenna sẽ lựa chọn microsector có tín hiệu lớn nhất để phục

vụ ngời đó, trong suốt cuộc gọi hệ thống sẽ kiểm tra cờng độ tín hiệu và thựchiện việc chuyển sang beam khác khi cần thiết

- Antenna thích nghi là loại antenna thông minh nhất hiện nay, bằngcách sử dụng nhiều thuật toán xử lý tín hiệu mới, nó có khả năng v ợt trội hơnhẳn trong việc định vị, theo dõi và xử lý nhằm giảm thiểu độ xuyên nhiễucũng nh tăng tối đa cờng độ tín hiệu cần nhận Tuy cả 2 loại antenna chuyểnbeam và antenna thích nghi đều cố gắng tăng độ tăng ích, tuy nhiên chỉ cóantenna thích nghi có thể cho một độ tăng ích tối u cùng với việc định vị, theodõi và giảm thiểu xuyên nhiễu Đặc tuyến phủ sóng của antenna thích nghihình 1.14.

Hình 1.14 - Đặc tuyến phủ sóng của antenna thích nghi

Nếu antenna chuyển beam dựa vào cường độ tớn hiệu tại mỗi thời điểm

để chọn một beam thớch hợp thỡ antenna thớch nghi lại dựng cỏc dữ liệu mụitrường vụ tuyến (RF) để tối ưu hoỏ kết nối với người dựng Đặc tuyến phỏt xạcủa antenna thớch nghi được điều chỉnh liờn tục theo sự thay đổi của mụitrường vụ tuyến nhằm đảm bảo cho hoạt động của hệ thống là tối ưu Antennathớch nghi sử dụng kỹ thuật xử lý số để phõn biệt tớn hiệu mong muốn, tớnhiệu do hiệu ứng đa đường và nguồn xuyờn nhiễu, đồng thời tớnh toỏn xỏcđịnh hướng xuất phỏt của cỏc thành phần này Nú liờn tục điều chỉnh đặctuyến làm việc dựa vào sự thay đổi vị trớ cũng như cường độ của cả tớn hiệulẫn xuyờn nhiễu Sự thay đổi liờn tục như thế đảm bảo bỳp súng lỳc nào cũnghướng về phớa tốt nhất, điều này làm cho antenna thớch nghi vượt trội hơn hẳnantenna chuyển beam về mặt chất lượng hoạt động (sự thay đổi beam trongantenna chuyển beam là khụng liờn tục) Hỡnh 1.15 miờu tả một vớ dụ so sỏnh

dạng bỳp súng mà antenna chuyển beam và antenna thớch nghi cú thể chọntrong cựng một điều kiện giống nhau.

Hình 1.15 - So sánh dạng búp sóng mà antenna chuyển beam (trái) và antenna thích nghi (phải) có thể chọn trong điều kiện tín hiệu ngời dùng và

xuyên nhiễu giống hệt nhau

Yếu tố làm cho các hệ thống antenna thông minh trở thành hiện thựcchính là nhờ công nghệ kỹ thuật số Ta biết so với tín hiệu tơng tự thì tín hiệu

số truyền từ đầu phát đến đầu thu với một độ chính xác cao và độ suy giảm rấtnhỏ Tín hiệu âm thanh dạng tơng tự đã đợc thu lại, điều chế chuyển sang tínhiệu số để truyền đi và điều chế lại ở dạng tơng tự ở đầu nhận Trong hệ thôngantenna thích nghi khả năng này còn đợc hỗ trợ thêm bởi các kỹ thuật xử lýtinh xảo nhằm điều khiển sự phối hợp antenna một cách rất tinh vi phù hợpvới điều kiện hoạt động Điều này làm antenna thích nghi hoạt động hiệu quảhơn hẳn các loại antenna khác

1.2.3 Một số loại antenna di động GSM

Các antenna GSM hiện nay đợc ứng dụng từ nguyên lý cơ bản và cácantenna đơn giản, tuy nhiên do yêu cầu về cấu trúc nên xu hớng phát triển củaantenna GSM là có kết cấu nhỏ gọn vì vậy antenna hiện đại phát triển nhiềucác loại antenna cần, antenna chấn tử cỡ nhỏ và antenna mạch in (microtrip)dới đây là giới thiệu qua một số antenna và cùng các tham số đặc trng hoạt

động

a Antenna cần (hình 1.16)

BY-GSM-04 BY-GSM-02 BY-GSM-20 BY-GSM-01-02

- Hệ số khuếch đại( dBi) 3,5

- Năng lợng đầu vào lớn nhất (W) 60W

- Hệ số khuếch đại (dBi) 2,15

- Năng lợng đầu vào lớn nhất (W) 50W

Antenna BY-AMPS/GSM-01

- Tần số trung tâm 880 MHz 960 MHz;1710 MHz 1910 MHz (GSM)

- Trở kháng 50 

- Khuếch đại đặc trng 2 dBi+/-1 dB tại 850 MHz;

2 dBi+/-1 dB tại 900 MHz; 1 dBi+/-1 dB tại 1800 MHz

- Kích thớc của miếng antenna 64  40  0,8 mm

- Hệ số khuếch đại (dBi) 1

- Năng lợng đầu vào lớn nhất (W) 50W

- Trở kháng đầu vào () 50; - Dạng phân cực đứng

- Kích thớc antenna (mm) 35,8  7  0,5

CHƯƠNG 2

CÁC THAM SỐ CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG ANTENNA

2.1 MIỀN PHÁT XẠ CỦA ANTENNA

Khi nói về miền bức xạ của antenna người ta thường đề cập đến miềnbức xạ tương ứng với khoảng cách của nó so với antenna Miền phát xạ củaantenna h×nh 2.1

Trên hình 2.1 miền phát xạ chia làm 3 vùng:

+ Vùng I được gọi là miền trường gần tác động trở lại antenna Trongmiền này năng lượng cao tần bị lưu giữ và phản xạ lại antenna

+ Vùng II được gọi là miền trường gần hay còn gọi là miền Fresnel Đặctính của trường này là át trội trường vùng I và góc phân phối trường phát xạphụ thuộc vào khoảng cách

0 Z

x

y

I II III

Dipole

Hình 2.1- Miền phát xạ của antenna

+ Vùng III được gọi là miền trường xa Trong miền này trường phát xạchiếm ưu thế và góc phân bố trường độc lập với khoảng cách từ vị trí quan sáttới antenna Tại miền này véc tơ điện từ trường E và H là vuông góc với nhau

và cùng vuông góc với hướng quan sát r Trong thực tế, các hệ thống vô tuyếnthì hầu hết các antenna phát và antenna thu đều nằm ở vùng trường xa củanhau.Phân bố antenna trong không gian hình 2.2

z

y

x

0 ε

φ r.sinε.cosφ

Hình 2.2 – Phân bố antenna trong không gian

Đường biên của ba vùng I, II, III không rõ ràng và chính xác Địnhlượng nó chỉ là phép toán gần đúng và xác định điều kiện biên cho từng vùngnhư sau:

Trong phần lớn các hệ thống antenna, vùng biên của miền I, II, III đượcxác định bằng khoảng cách so với antenna như sau:

3 I

III

D r



 (2.3)

Trong đó:

+ D là chiều dài lớn nhất của antenna;

+  là bước sóng hoạt động của hệ thống

Tuy nhiên, để tăng độ chính xác về pha người ta tính điều kiện bờ cho

vùng trường xa theo tiêu chuẩn là

hướng là P T / 4 Do vậy ta có công thức sau:

λ

2

D2λ

Hình 2.3 - Phân bố miền phát xạ của antenna

Reactive Near

Field

Hình 2.4 - Giản đồ hướng của antenna chấn tử so với phát xạ đẳng hướng

( , )( , )

/ 4

T

P D

Hình 2.4 giản đồ hướng của antenna chấn tử so phát xạ đẳng hướng

Từ hình 2.4 ta nhận thấy cùng một công suất, phát xạ ở các hướng làkhác nhau giữa antenna đẳng hướng và antenna chấn tử

Hệ số định hướng D( , ) cho ta một ý nghĩa như sau: Tại hướng phát

xạ mà ta quan tâm có thể giảm công suất của máy phát bao nhiêu lần để bằngmức phát xạ của antenna đẳng hướng

Hệ số định hướng D được định nghĩa là giá trị lớn nhất của D( , )

ax ( , )

D M D   (2.5)

Antenna đẳng hướng

Antenna chấn tử

Hình 2.5 - Sơ đồ tương đương của antenna

Đối với chấn tử  / 2 thì hệ số định hướng D=1.64 lần, D=2.15dB Điều

đó có nghĩa rằng đối với cùng mức công suất của máy phát thì chấn tử nửasóng có mức phát xạ công suất theo hướng chính lớn gấp 1.64 lần so vớiantenna đẳng hướng

2.3 HỆ SỐ KHUẾCH ĐẠI

Hình 2.5 sơ đồ tương đương của một antenna

Hàm hệ số khuếch đại G( , )  là tỉ lệ giữa công suất phát xạ P( , )  sovới công suất P in / 4 thực sự vào antenna:

( , )( , )

/ 4

in

P G

Hệ số khuếch đại G được định nghĩa là giá trị lớn nhất của hàm G( , )  :

Hình 2.6 - Mặt cắt của búp sóng chính

t in

2.4 ĐỘ RỘNG BÚP SÓNG NỬA CÔNG SUẤT

Độ rộng búp sóng nửa công suất (hình 2.6) AW tính ở mức ½ công HP

suất lớn nhất máy phát (hoặc máy thu) Trên hình 2.6 ta thấy

10 * log(0.5) 3.01

HP

AW   dB Như vậy AW được tính trên cơ sở từ giá HP

trị lớn nhất của búp sóng trừ đi 3dB về hai phía

Ngoài ra, ta còn tính đến đồ rộng búp sóng ở vị trí 0 thứ nhất của búpsóng chính gọi là AWFN Tiêu chuẩn của AWFN là từ vị trí lớn nhất của búpchính trừ đi về 2 phía 10dB

Hình 2.7 - Miêu tả cánh sóng phụ của antenna

Hình 2.8 - Mặt phẳng E và mặt phẳng H của anten chấn tử

Trên hình 2.7 miêu tả cánh sóng phụ SLL là mức cánh sóng phụ cao nhất

so với cánh sóng chính Tham số này là một trong những thống số quan trọngthể hiện đến chất lượng của antenna.Mặt cắt búp sóng bao gồm mặt cắt E và

H Mặt cắt E là mặt phẳng chứa vectơ điện từ trường và hướng phát xạ lớnnhất Mặt cắt H là mặt phẳng chứa véc tơ điện trường và hướng phát xạ lớnnhất Trong thực tế để định hướng antenna thì ít nhất một mặt phẳng chủ yếutrùng với mặt phẳng hình học trong không gian của antenna

Hình 2.8 mặt phẳng E và mặt phẳng H của anten chấn tử

2.5 TRỞ KHÁNG VÀ DẢI THÔNG

Antenna sẽ không bao giờ hoạt động đơn lẻ mà nó hoạt động trong một

hệ thống vô tuyến Vì vậy, bên cạnh đặc tính phát xạ chúng ta còn phải biếttrở kháng của nó

Nhìn vào đầu cuối của antenna chúng ta có trở kháng của antenna là Za

a a a

Z R JX (2.9)Trong đó R là thành phần thực, thuần trở của antenna a X là thành a

phần kháng của antenna Thành phần tiêu tán năng lượng R bao gồm hai a

phần:

a L r

R R R (2.10)Trong đó R là tổn hao do nhiệt, L R là thành phần năng lượng mong r

muốn phát xạ ra không gian R hay còn gọi là điện trở phát xạ của antenna r

Giả sử thành phần trở kháng của antenna bỏ qua R ( L R a R r) và antennađược nối với máy phát có trở kháng là R ta có sơ đồ tương đương hình 2.9 g

Hình 2.9 - Sơ đồ tương đương của máy phát và antenna

Công suất trung bình của mạch điện trên là:

Để tìm giá trịR của antenna nhằm có được công suất phát xạ lớn nhất ta r

thực hiện giải phương trình sau: 0

r

P R





Giải phương trình trên ta thấy công suất máy phát cực đại trên antenna khi

R +R (2.13)Khi R r R g ta nói rằng antenna phối hợp với máy phát và hệ số phản xạbằng không

Trở kháng của antenna là một hàm của tần số, do vậy khi tần số thay đổithì cũng thay đổi sự phối hợp Điều đó có nghĩa là antenna hoạt động tốt ởmột dải tần số nhất định,dải này được gọi là băng thông Tần số trung tâm sẽ

có phối hợp trở kháng là tốt nhất thay đổi tần số về hai phía của tần số trungtâm thì phối hợp trở kháng sẽ bị giảm dần Điểm xác định cận biên của tần số

có mức hệ số phản xạ -10dB (  2 0.1) hoặc là -15dB (  2 0.03) tuỳ thuộc

vào yêu cầu của người thiết kế Hình 2.10 hệ số phản xạ như hàm của tần số

Hình 2.11 - Hai thành phần trường E và E trong miền

Băng thông của antenna được xác định bằng phần trăm của tần số trungtâm, fo là tần số trung tâm, f là tần số cận trên của fo, u f là tần số cận dưới l

của fo Khi đó công thức tính dải thông là:

u l o

f -f

f (2.14)

2.6 PHÂN CỰC

Hình 2.11 hai thành phần trường E và E trong miền không gian

Ta tưởng tượng năng lượng từ gốc toạ độ O bức xạ ra không gian theohướng vector u , như vậy phân cực của antenna được xác định theo véc tơ r

điện trường E,là một hàm theo thời gian Khi quĩ đạo của nút vector điệntrường là một hình elip khi sai pha giữa các thành phần E là khác 90 độ ta có

Hình 2.10 - Hệ số phản xạ như hàm của tần số

Hình 2.12 – Phân cực của antenna

a -phân cực Elip, b- phân cực tròn, c- phân cực tuyến tính

phân cực tròn quay trái hay phải Khi quĩ đạo của vector điện trường là mộtđường thẳng ta sẽ có phân cực tuyến tính (hình 2.12)

Sau đây là bao loại phân cực được miêu tả trên hình vẽ: