NGHIÊN cứu các THUẬT TOÁN điều KHIỂN TRONG ANTEN THÍCH NGHI

MỤC LỤC NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN i CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT iii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ v MỤC LỤC vii LỜI NÓI ĐẦU 1 CHƯƠNG 1 3 ĐẶC ĐIỂM TRUYỀN SÓNG VÀ MỘT SỐ VẤN ĐỀ KỸ THUẬT TRONG MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG TẾ BÀO 3 1.1. Khái quát chung 3 1.1.1. Tổn hao đường truyền 3 1.1.2. Phađinh 5 1.1.3. Hiệu ứng Doppler 6 1.1.4. Trải trễ 6 1.2. Một số vấn đề kỹ thuật trong thông tin di động tế bào. 7 1.2.1. Tái sử dụng tần số 7 1.2.2. Chuyển giao 8 1.2.3. Điều khiển công suất 9 1.3. Kết luận 10 CHƯƠNG 2 12 TỔNG QUAN VỀ ANTEN THÔNG MINH 12 2.1. Mở đầu 12 2.2. Hệ thống anten thông minh 12 2.2.1. Khái niệm 12 2.2.2. Nguyên lý hoạt động của anten thông minh 13 2.2.3. Cấu trúc sắp xếp của các phần tử giàn anten 14 2.2.4. Các tham số giàn anten 16 2.2.5. Mô tả định dạng không gian giàn tuyến tính 18 2.2.6. Phân loại anten thông minh 19 2.2.6.1. Anten chuyển búp 19 2.2.6.2. Anten giàn thích nghi 21 2.2.7. Dạng tín hiệu trong anten giàn thích nghi 22 2.2.8. Định dạng búp sóng thích nghi 25 2.3. Ưu điểm của anten thông minh trong thông tin di động 29 2.3.1. Cải thiện chất lượng tín hiệu 29 2.3.2. Giảm trải trễ và pha đinh đa đường 30 2.3.3. Giảm nhiễu đồng kênh 31 2.3.4. Tăng dung lượng hệ thống 31 2.3.5. Giảm chuyển giao 32 2.3.6. Tăng bán kính phủ sóng 32 2.3.7. Giảm công suất phát 33 2.4. Hạn chế của anten thông minh 34 2.4.1. Sự phức tạp của thiết bị thu phát 34 2.4.2. Kích thước vật lý của anten thích nghi 34 2.5. Kết luận 35 CHƯƠNG 3 36 NGHIÊN CỨU CÁC THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI TRONG ANTEN THÍCH NGHI 36 3.1. Tiêu chuẩn thực hiện tối ưu. 36 3.1.1. Maximum Signal to Interference plus Nosie Ratio (MSINR) 36 3.1.2. Minimum Mean Square Error (MMSE) 40 3.1.3. Maximum likehood (ML) 42 3.1.4. Minimum Variance (MV) 44 3.2. Các thuật toán điều khiển thích nghi 46 3.2.1. Least Mean Square (LMS) 48 3.2.2. Sample Matrix Inversion (SMI) 50 3.2.3. Recursive Least Squares (RLS) 51 3.3. Kết luận 53 CHƯƠNG 4 55 MÔ PHỎNG CÁC THUẬT TOÁN THÍCH NGHI 55 4.1. Thuật toán LMS 56 4.1.1. SNR thay đổi 56 4.1.2. Kích thước bước hội tụ thay đổi 61 4.1.3. Số phần tử anten M=8 63 4.1.4. So sánh BER của giàn khi M=4 và M=8 65 4.2. Thuật toán RLS 66 4.2.1. SNR thay đổi 66 4.2.2. Hệ số lãng quên (gama) thay đổi 71 4.2.3. Số phần tử anten M=8 72 4.2.4. So sánh BER của giàn khi M=4 và M=8 75 3.4. Kết luận 76 TỔNG KẾT 77 TÀI LIỆU THAM KHẢO 78 PHỤ LỤC 79

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ

NGUYỄN HỮU TRÍ KHÓA 2

HỆ ĐÀO TẠO KỸ SƯ DÂN SỰ

CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

AWGN Additive White Gaussian Noise Tạp âm Gauss cộng trắng

BPSK Binary Phase Shift Keying Khóa dịch pha nhị phân

CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo

mãDMSI Direct Sample Matrix Inversion Nghịch đảo ma trận mẫu trực

tiếp

ECF Extended area Coverage Factor Hệ số vùngphủ

FDMA Frequency Division Multiple

Access

Đa truy nhập phân chia theo tần số

nhất

MMSE Minimum Mean Square Error Sai số trung bình bình

phương cực tiểu

phươngMSINR Maximum Signal-to-Interference

plus Noise ratio

Cực đại tỉ số tín trên nhiễu cộng tạp âm

RF Radio frequency Tấn số vô tuyến

SDMA Space Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo

không gian

SINR Signal to Interference plus Noise

Ratio

Tỉ số tín hiệu trên nhiễu cộng

âm cộng với nhiễu

TDMA Time Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo

thời gian

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

2.1 Mở đầu 12

2.2 Hệ thống anten thông minh 12

2.2.1 Khái niệm 12

2.2.2 Nguyên lý hoạt động của anten thông minh 13

2.2.3 Cấu trúc sắp xếp của các phần tử giàn anten 14

2.2.4 Các tham số giàn anten 16

2.2.5 Mô tả định dạng không gian giàn tuyến tính 18

2.3 Ưu điểm của anten thông minh trong thông tin di động 29

2.3.2 Giảm trải trễ và pha đinh đa đường 30

2.3.3 Giảm nhiễu đồng kênh 31

2.3.5 Giảm chuyển giao 32

2.3.7 Giảm công suất phát 33

2.5 Kết luận 35

3.1.2 Minimum Mean Square Error (MMSE) 40

MỤC LỤC 2.1 Mở đầu 12

2.2 Hệ thống anten thông minh 12

2.2.1 Khái niệm 12

2.2.2 Nguyên lý hoạt động của anten thông minh 13

2.2.3 Cấu trúc sắp xếp của các phần tử giàn anten 14

2.2.4 Các tham số giàn anten 16

2.2.5 Mô tả định dạng không gian giàn tuyến tính 18

2.3 Ưu điểm của anten thông minh trong thông tin di động 29

2.3.2 Giảm trải trễ và pha đinh đa đường 30

2.3.3 Giảm nhiễu đồng kênh 31

2.3.5 Giảm chuyển giao 32

2.3.7 Giảm công suất phát 33

2.5 Kết luận 35

3.1.2 Minimum Mean Square Error (MMSE) 40

LỜI NÓI ĐẦU

Xã hội càng phát triển, nhu cầu về thông tin của con người trong càngtrở nên cấp thiết, đòi hỏi nâng cao dịch vụ cả về chất lượng và số lượng Cácnhà khai thác muốn cung cấp dịch vụ thông tin cho càng nhiều người sử dụngcàng tốt trong giới hạn đầu tư về công nghệ Còn mỗi người sử dụng đềumong muốn chất lượng dịch vụ tốt hơn, giá thành rẻ hơn, sử dụng dịch vụthuận tiện hơn, nhiều loại dịch vụ hơn nữa, đặc biệt là các dịch vụ đa phươngtiện

Trong đó nhu cầu về thông tin di động cũng rất to lớn trong thúc đẩy sựphát triển mạnh mẽ của thông tin di động theo hướng đa dạng, tiên tiến nhằmđáp ứng các đòi hỏi ngày càng cao của người sử dụng Tuy nhiên muốn làmđược điều này, chắc chắn phải dựa trên các kỹ thuật và công nghệ luôn đượcđổi mới

Với lý do đó, luôn có những động lực mạnh mẽ thúc đẩy các công nghệtiên tiến liên tục ra đời, phát triển và hoàn thiện nhằm hỗ trợ hệ thống thôngtin di động tăng cường các khả năng dịch vụ của mình Đồng thời nó cũng đặt

ra các yêu cầu tìm hiểu, ứng dụng các công nghệ mới vào hệ thống thông tin

di động sao cho phù hợp với điều kiện cụ thể của mỗi quốc gia

Để cải thiện các chỉ tiêu của hệ thống, nâng cao khả năng cung cấp dịch

vụ của hệ thống thông tin di động, hiện nay có một công nghệ mới đã và đangđược nghiên cứu, thử nghiệm và triển khai áp dụng vào thực tế, đó là côngnghệ anten thích nghi

Công nghệ anten thích nghi hay anten thông minh trong thông tin diđộng đã thu hút được sự quan tâm to lớn trong những năm gần đây Nguyênnhân cơ bản để anten thích nghi ra đời đó là khả năng tăng dung lượng trong

hệ thống thông tin di động, tăng bán kính phủ sóng do anten thích nghi có tínhđịnh hướng cao, làm giảm công suất phát yêu cầu của trạm gốc, giảm nhiễuđồng kênh, cải thiện chất lượng tín hiệu Xuất phát từ những ưu điểm nổi bật

và khả năng triển khai thực tế của công nghệ anten thích nghi trong các hệthống thông tin di động hiện nay nên em đã chọn đề tài:

“Nghiêu cứu các thuật toán điều khiển trong anten thích nghi”

Nội dung đồ án bao gồm 4 chương:

Chương 1: Đặc điểm truyền sóng và một số vấn đề kỹ thuật trong

mạng thông tin di động tế bào

Chương 2: Tổng quan về anten thông minh.

Chương 3: Nghiên cứu các thuật toán điều khiển thích nghi.

Chương 4: Mô phỏng các thuật toán điều khiển thích nghi

Em xin cảm ơn thầy giáo Trần Xuân Nam - giáo viên hướng dẫn trực

tiếp cùng các thầy cô giáo trong khoa Vô tuyến điện tử - Học viện Kỹ ThuậtQuân Sự đã tạo điều kiện và giúp đỡ em hoàn thành đồ án này

Em xin chân thành cảm ơn

Hà nội, tháng 4 năm 2008 Sinh viên

Nguyễn Hữu Trí

CHƯƠNG 1

ĐẶC ĐIỂM TRUYỀN SÓNG VÀ MỘT SỐ VẤN ĐỀ KỸ THUẬT TRONG MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG TẾ BÀO

1.1 Khái quát chung

Việc truyền sóng trong thông tin di động (TTDĐ) sử dụng giao diện vôtuyến với môi trường truyền dẫn tự do nên ảnh hưởng rất lớn đến chất lượngtruyền tin, bởi lẽ luôn phải chịu những ảnh hưởng của các yếu tố môi trườngbên ngoài như: thời tiết, khí hậu, địa hình, các nguồn nhiễu trong tự nhiên,hay các thiết bị vô tuyến khác, suy hao lớn,… do đó tín hiệu thu được ở máythu bị thay đổi so với tín hiệu đã phát đi cả về tần số, biên độ, pha và độ trễ.Các thay đổi này mang tính ngẫu nhiên và rất phức tạp Ở đây chúng ta xétmột số đặc điểm nổi bật gây ra như: tổn hao đường truyền, pha-đinh, hiệuứng Doppler và trải trễ

1.1.1 Tổn hao đường truyền

Tổn hao đường truyền là lượng suy giảm mức tín hiệu thu so với mứcphát, là yếu tố quyết định đến phạm vi phủ sóng của 1 trạm gốc (BS: Basestation) Theo lý thuyết truyền sóng, công suất sóng điện từ tại điểm thu P r

được xác định bởi biểu thức:

2 2

( )

4

t t r r

PG G

P d

d l

λπ

l: tổn hao của phần cứng hệ thống.

Công thức (1.1) cho thấy: trong không gian tự do, công suất tín hiệu trên

một đơn vị diện tích của mặt cầu sóng P t giảm dần theo bình phương khoảngcách giữa anten thu và anten phát nên mức điện thu trung bình của tín hiệuthu giảm dần theo bình phương khoảng cách từ máy phát tới máy thu

Trong TTDĐ ở môi trường khí quyển gần mặt đất, sóng điện từ bị môitrường hấp thụ, bị che chắn bởi địa hình, vật cản do đó tổn hao đường truyền

có thể lớn hơn rất nhiều so với tổn hao truyền trong không gian tự do Tổnhao đường truyền phụ thuộc vào tần số bức xạ, địa hình, độ cao anten, loạianten, tính chất môi trường, tốc độ di động của các vật cản…

Trong thông tin vô tuyến tế bào, tổn hao đường truyền được xác địnhtheo công thức:

2 0 0

trong đó d là khoảng cách từ anten thu tới anten phát sao cho công suất thu0

được tại điểm thu bằng công suất độ nhạy máy thu, d là khoảng cách từ anten thu tới anten phát Luật mũ n thường dùng cho tổn hao đường truyền trên cự

ly xa và luật mũ 4 (n = 4) thường dùng trong tổn hao đường truyền trong các

vùng đô thị nói chung

Mặc dù tổn hao đường truyền hạn chế kích thước tế bào và cự li liên lạcnhưng người ta có thể lợi dụng tính chất của tổn hao đường truyền để phânchia các tế bào và cho phép tái sử dụng tần số hiệu quả làm tăng hiệu quả sửdụng tần số Thực tế để khắc phục suy hao đường truyền, các máy phát ở trạmthu phát gốc (BTS: Base Transceiver Station) và trạm di động (MS: MobileStation) luôn thực hiện điều chỉnh công suất phát để máy thu luôn nhận đượccông suất tín hiệu cần thiết khi MS di chuyển Việc điều chỉnh công suất đượcgiải thích như sau: theo công thức (1.2) công suất tín hiệu thu tỷ lệ nghịch vớikhoảng cách thu phát, do đó để đảm bảo công suất thu không đổi khi MS ra

xa BTS (khoảng cách thu phát tăng), phải tăng công suất tín hiệu phát vàngược lại Khi đó nhiễu lẫn nhau giữa các kênh cùng tần số giảm và suy haođường truyền cũng được bù trừ.

1.1.2 Pha-đinh

Trong hệ thống thông tin vô tuyến nói chung và hệ thống TTDĐ nóiriêng pha đinh cũng là một trong những nguyên nhân gây suy giảm chấtlượng tín hiệu Tín hiệu truyền từ máy phát đến máy thu sẽ bị phản xạ, khúc

xạ, tán xạ tại những trướng ngại vật trên đường truyền (như nhà cửa, cây cối,đồi núi, xe cộ…) làm cho tín hiệu từ máy phát đến máy thu thông qua nhiềuđường (path) và tín hiệu đến máy thu là tổng hợp của tất cả các đường có biên

độ, pha và độ trễ khác nhau nên có thể kết hợp với nhau theo cách có lợi hoặckhông có lợi một cách ngẫu nhiên

Pha-đinh phẳng là hiện tượng mức tín hiệu thu được suy hao như nhautrong suốt cả dải băng tần của kênh Pha-đinh chọn lọc theo tần số là hiệntượng mức tín hiệu thu được suy hao đáng kể trong băng tần của tín hiệu Pha-đinh nhanh là hiện tượng mức tín hiệu thu tức thời thay đổi rấtnhanh làm giảm chất lượng tín hiệu Thực tế trong hầu hết các môi trườngmỗi tia sóng thu được tại máy di động đều chịu những thay đổi về pha, độ trễ,biên độ cũng như lượng dịch tần Doppler do các tia sóng trong quá trìnhtruyền bị khúc xạ, phản xạ, tán xạ bởi vật cản Khi đó ở đầu thu xảy ra hiệntượng tín hiệu thu được tại trạm di động thu bị thăng giáng so với bên phátgọi là pha-đinh đa đường (multipath fading) Khi pha-đinh xảy ra mạnh tỷ sốtín trên tạp giảm xuống rất thấp Để việc truyền dẫn không bị gián đoạn dopha-đinh thì cần phải có lượng dự trữ pha-đinh, nghĩa là giá trị trung bình củacường độ tín hiệu phải lớn hơn độ nhạy máy thu một lượng bằng lượng pha-đinh thăng giáng mạnh nhất Khi đó tín hiệu sau khi bị pha-đinh vẫn có cường

độ đạt mức yêu cầu

1.1.3 Hiệu ứng Doppler

Hiệu ứng Doppler là sự thay đổi tần số của tín hiệu thu được so với tínhiệu đã phát đi, gây bởi chuyển động tương đối giữa máy phát và máy thutrong quá trình truyền sóng Tần số tín hiệu thu bị dịch đi một lượng là:

cos

c

f v f

trong đó v là vận tốc của máy thu di chuyển so với máy phát.

i

a là góc tới của tia sóng thứ i so với hướng chuyển động của máy thu.

Tại máy thu, tần số của tín hiệu nhận được theo tia sóng thứ i sẽ là:

Tổng hợp tác động của mọi tia sóng tới máy thu theo mọi góc khác nhautrong trường hợp tín hiệu phát là một sóng mang đơn không điều chế dẫn đếntín hiệu nhận được tại máy thu là một tín hiệu trải rộng về tần số Hiệu ứngDoppler có thể làm cho chất lượng liên lạc suy giảm trầm trọng Hiệu ứngDoppler xảy ra mạnh nhất khi máy thu di động theo phương của tia sóng tới,điển hình là máy thu được đặt trên các xe di chuyển trên các xa lộ còn cácanten trạm phát được bố trí dọc theo xa lộ

1.1.4 Trải trễ

Trong thông tin di động số, việc truyền dẫn tín hiệu theo nhiều tia sóngkhác nhau trong môi trường di động sẽ gây ra hiện tượng trải trễ Do trênđường truyền luôn có vật cản, tín hiệu truyền đi sẽ bị phản xạ, khúc xạ, tán xạthành nhiều tia, đầu thu sẽ thu được nhiều tia sóng tương ứng có nhiều xungkhác nhau và kết thúc trước khi tín hiệu tiếp theo được phát đi Hiện tượngcác xung (tương ứng với các tia sóng) trải rộng ra ở phía thu gọi là trải trễ.Trải trễ lớn sẽ gây chờm lên nhau giữa các symbol trước và sau và gây nênnhiễu xuyên ký tự (ISI: InterSymbol Interference) Việc truyền số liệu với tốc

độ thấp sẽ dễ giải quyết trải trễ hơn khi tốc độ truyền cao, tỷ lệ lỗi bít (BER:

Bit Error Ratio) tăng đáng kể Để khắc phục, người ta sử dụng mạch sanbằng kênh hoặc thu hẹp kích thước tế bào lại.

1.2 Một số vấn đề kỹ thuật trong thông tin di động tế bào.

Cùng với các đặc điểm truyền sóng đã nêu ở trên thì trong mạng thôngtin di động tế bào luôn tồn tại các vấn đề kỹ thuật đòi hỏi các nhà khai thác vàquản lý mạng phải quan tâm thực hiện

Việc liên lạc thông tin vô tuyến di động tế bào được tiến hành giữa một

hệ thống trạm gốc cố định BS được bố trí theo các vùng địa lý và các trạm diđộng MS Diện tích địa lý trong đó các MS liên lạc trực tiếp với một BS đượcgọi là một tế bào, có thể coi biên của một tế bào được xác định bởi khoảngcách cực đại mà một MS có thể ra khỏi BS mà vẫn chấp nhận được

Về lý thuyết, các tế bào được bố trí dưới dạng tổ ong với kích thướcthích hợp cho phép tái sử dụng tần số nhằm đạt được mật độ người sử dụngthích hợp Trong thực tế, hình dáng và kích thước tế bào phụ thuộc vào địahình công suất phát, độ nhạy máy thu, mật độ người dùng, loại anten và độcao anten

1.2.1 Tái sử dụng tần số

Đặc điểm nổi bật của hệ thống thông tin di động tế bào là tái sử dụng tần

số Do tài nguyên tần số là hữu hạn cho mỗi mạng di động chính vì vậy vớicác cell cách nhau một cự ly nhất định thì có thể sử dụng lại tần số Việc tái

sử dụng tần số làm tăng hiệu suất sử dụng phổ lên rất nhiều tuy nhiên đi kèmvới nó là vấn đề can nhiễu giữa các cell có cùng tần số gọi là nhiễu đồng kênh(CCI: Co-Channel Interference) được minh họa trên Hình 1.1

Để tránh xuyên nhiễu lẫn nhau thì các cell lân cận sử dụng các tần sốkhác nhau Để chất lượng thoại được đảm bảo thì một trong các yêu cầu làmức thu của sóng mang mong muốn phải lớn hơn tổng mức nhiễu đồng kênh

và mức nhiễu kênh lân cận

Hình 1.1: Nhiễu đồng kênh CCI

Việc sử dụng lại tần số được áp dụng với các cell có cự ly đủ lớn, côngsuất phát đủ nhỏ để nhiễu lẫn nhau do cùng tần số không đáng kể, Hình 1.2minh họa một cấu trúc tái sử dụng tần số Khi số thuê bao di động tăng lên,chất lượng phục vụ giảm sút, mạng di động sẽ tiến hành chia nhỏ các cell.Việc chia nhỏ có thể không phải trên tất cả các cell mà chỉ tiến hành ở các cell

có lưu lượng lớn Khi đó cần quy hoạch lại các tần số Trong thông tin diđộng tế bào quy hoạch và sử dụng lại tần số là một vấn đề quan trọng vì nóliên quan đến hiệu suất của mạng

FG

ABC

ED

FG

ABC

FG

ABE

FG

AB

ED

FG

ABC

D

mới (Hình 1.3) Các MS sẽ yêu cầu kết nối với BTS của cell mới Quá trìnhchuyển kết nối từ BTS này sang BTS khác được gọi là chuyển giao Nếukhông thực hiện chuyển giao tốt thì có nguy cơ cuộc gọi bị cắt đứt khi đangdang dở Vậy hệ thống thông tin di động tế bào phải có khả năng điều khiển

và chuyển giao cuộc gọi từ cell này sang cell khác mà cuộc gọi được chuyểngiao không bị ảnh hưởng gì

Hình 1.3: Minh hoạ việc chuyển giao

1.2.3 Điều khiển công suất

Từ việc phân chia thành các cell và thực hiện tái sử dụng tần số trongmạng tế bào dẫn đến phải thực hiện điều khiển công suất nhằm tiết kiện nănglượng và giảm nhỏ xuyên nhiễu

Trong hệ thống thông tin di động tế bào mỗi MS nằm trong cell nào sẽkết nối trực tiếp với BTS của cell đó qua giao diện vô tuyến Giao diện vôtuyến kết nối qua môi trường không gian luôn chịu ảnh hưởng của hiệu ứng

xa gần (Near-far effect), hiệu ứng che lấp (Shadowing effect), hiệu ứngDoppler Để đảm bảo chất lượng thông tin hệ thống cần phải điều khiển côngsuất sao cho các MS có cụ ly tới BS khác nhau sẽ phát với công suất khácnhau để tín hiệu nhận được tại BTS có công suất như nhau Có nghĩa là BTSthay đổi công suất phát phù hợp để tín hiệu nhận được của MS ở cự ly khácnhau là như nhau Việc điều khiển công suất thực chất nhằm tối thiểu mức

Trạm gốc 2

Chuyển giao tới trạm gốc 2

nhỏ nhiễu của MS gây ra cho MS khác trong cùng cell và trong các cell lâncận Điều khiển công suất sẽ khắc phục được hiệu ứng xa gần Khi ở gầnBTS, MS sẽ phát công suất nhỏ hơn khi nó ở xa MS sử dụng năng lượng củapin, việc giảm nhỏ công suất phát sẽ giúp tiết kiệm nguồn năng lượng trongthời gian hoạt động.

Thực tế các máy phát MS và BTS đều tự động thực hiện điều chỉnh côngsuất máy phát để máy thu luôn nhận được công suất tín hiệu cần thiết dù MS

ở bất kỳ đâu Vì vậy, nhiễu lẫn nhau do việc sử dụng lại tần số là không đáng

kể và suy hao do mưa cũng được bù trừ

hệ thống đòi hỏi phải được tính đến ngay từ bây giờ Việc tăng dung lượng dotăng số người dùng trong mạng và sự phát triển các dịch vụ dữ liệu tốc độcao Dung lượng của hệ thống thông tin có thể được tăng lên trực tiếp bằngcách mở rộng băng thông của kênh thông tin hiện có, hoặc định rõ vị trí tần sốmới đến dịch vụ đó Tuy nhiên, vì phổ điện từ là một nguồn tài nguyên hữuhạn và môi trường điện từ ngày càng trở nên tắc nghẽn vì sự tăng nhanh củanguồn nhiễu cố ý và không cố ý do đó khả năng tăng dung lượng hệ thốngbằng cách mở rộng không gian phổ mới cho các ứng dụng thông tin vô tuyến

là rất khó thực hiện Bởi vậy hiệu quả sử dụng nguồn tần số là tới hạn nếu chỉnhằm mục đích là tăng dung lượng của một hệ thống thông tin

Để giải quyết bài toán trên đã có nhiều công nghệ được đưa ra một trong

số đó là công nghệ anten thông minh (anten thích nghi) Anten thông minhgiúp giảm trải trễ, giảm pha-đinh đa đường và nhiễu đồng kênh Anten thôngminh còn cải thiện chất lượng tín hiệu, tăng dung lượng hệ thống thông quaviệc tăng khả năng tái sử dụng kênh tần số, mở rộng vùng phủ sóng, giảmcông suất phát, kéo dài thời gian sử dụng pin của máy cầm tay… Công nghệanten thích nghi áp dụng kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo không gianSDMA, bên cạnh đó còn kết hợp các kỹ thuật đa truy cập khác như CDMA,TDMA và FDMA Anten thông minh với những ưu điểm vượt trội đã trởthành một giải pháp quan trọng được chú ý Các chương tiếp theo của đồ án

sẽ tìm hiểu kỹ hơn về anten thông minh và làm rõ các ưu điểm của nó

CHƯƠNG 2

TỔNG QUAN VỀ ANTEN THÔNG MINH2.1 Mở đầu

Những năm gần đây, cùng với sự phát triển không ngừng của thông tin

di động, công nghệ anten trong hệ thống thông tin di động đang rất được quantâm và đã có nhiều công trình nghiên cứu nhằm đáp ứng nhu cầu về chấtlượng phục vụ cho mạng di động

Anten thông minh là một trong những thành tựu quan trọng trong côngnghệ anten với nhiều ưu điểm đã cải thiện đáng kể chất lượng, dung lượngmạng thông tin di động

Trong chương 2, đồ án sẽ chỉ ra những nội dung cơ bản nhất của antenthông minh như khái niệm, nguyên lý hoạt động, cấu trúc sắp xếp các phần tửgiàn anten và các tham số của giàn, tìm hiểu giàn anten thích nghi và việcđịnh dạng búp sóng thích nghi Từ đó làm rõ các ưu điểm nổi bật của antenthông minh trong hệ thống thông tin di động

2.2 Hệ thống anten thông minh

2.2.1 Khái niệm

Anten thông minh là một hệ thống giàn anten gồm nhiều phần tử anten

có độ lợi thấp được bố trí trong không gian theo một trật tự nhất định và kếtnối với nhau thông qua một mạch kết nối và có khả năng thay đổi đồ thị bức

xạ thu hay phát (hay nói cách khác là các búp sóng) một cách linh hoạt saocho thích hợp với môi trường tín hiệu trong cell di động

Thường thì thuật ngữ “anten” chỉ bao gồm chuyển đổi cấu trúc cơ học từsóng điện từ tự do sang tín hiệu tần số vô tuyến truyền sóng trong môi trườngcáp và ngược lại Với anten thông minh, thuật ngữ “anten” có ý nghĩa mở

rộng hơn: nó bao gồm một mạng phân chia hoặc kết hợp và một đơn vị điềukhiển (UC: Unit Control) Đơn vị điều khiển thể hiện sự thông minh củaanten Nó dùng các thuật toán phức tạp để điều khiển anten Thông thường

UC là một bộ xử lý tín hiệu số (DSP: Digital Signal Processing) điều chỉnhcác tham số của anten dựa vào nhiều đầu vào, để tối ưu đường truyền thôngtin Như vậy anten thông minh tốt hơn nhiều so với anten thông thường nhưng

đồng thời nó cũng phức tạp hơn rất nhiều

2.2.2 Nguyên lý hoạt động của anten thông minh

Cho đến nay các anten trạm gốc vẫn là vô hướng hay anten dẻ quạt(anten sectơ), anten chỉ đơn giản là bức xạ và nhận năng lượng như nhau theomọi hướng Để truyền tín hiệu đến thuê bao, nó phát sóng đẳng hướng theophương ngang, khi truyền tín hiệu như vậy thì nó không có ý thức nào vềvùng lân cận thuê bao, năng lượng tín hiệu truyền đi một cách phân tán, phầnnăng lượng tín hiệu truyền đến thuê bao chỉ là một phần rất bé so với nănglượng mà anten truyền ra môi trường xung quanh Đây là một sự lãng phí lớn

Do hạn chế này mà công suất tín hiệu phát phải lớn hơn đầu thu mới nhận đủmột năng lượng tín hiệu cần thiết (SNR tại phía thu đủ lớn) Trong trường hợp

có nhiều thuê bao đồng kênh, khi nâng công suất truyền, phần năng lượngkhông đến được thuê bao mong muốn lại trở thành nguồn nhiễu đồng kênhcho người dùng khác ngoài ý muốn

Ý tưởng của anten thông minh là sử dụng giản đồ anten trạm gốc không

cố định mà biểu đồ bức xạ được biến đổi phù hợp với các điều kiện truyềnsóng hiện tại và có thể tạo ra các búp sóng theo ý muốn bằng cách khuếch đại

độ tăng ích của anten theo hướng có thông tin mong muốn đồng thời tạo ragiản đồ với hướng phát xạ nhỏ (thậm chí tới 0) về phía nguồn nhiễu Antenthông minh có thể tránh được những nguồn nhiễu không mong muốn và cũngtăng khả năng thu thông tin hữu ích, từ đó làm cho chất lượng của tuyến kết

nối thông tin có thể được cải thiện một cách đáng kể, với nhiều lợi ích khácnhau.

Hình 2.1: Sự thay đổi đồ thị bức xạ khi thuê bao di chuyển

Trước đây chỉ có trạm gốc mới có khả năng tích hợp anten thông minh,các thuê bao vẫn phát và nhận năng lượng một cách đẳng hướng Nhưng đã

có những nghiên cứu mới đây để anten thông minh đã được đưa vào sử dụngtại máy cầm tay

2.2.3 Cấu trúc sắp xếp của các phần tử giàn anten

Vị trí của các phần tử anten luôn đóng một vai trò quan trọng trong việctạo ra chất lượng của đồ thị bức xạ Một đồ thị bức xạ mong muốn trong antenthông minh là búp sóng chính lớn hơn rất nhiều so với các búp phụ khác vàhướng về phía thuê bao mong muốn, các nút sóng hướng về phía các thuê baonhiễu đồng kênh trong cell đó Các phần tử của anten có thể được sắp xếptheo các cấu trúc như Hình 2.2

Hình 2.2: Các loại cấu trúc anten thông minh

a Cấu trúc giàn đường thẳng (giàn tuyến tính) : Đây là cấu trúc thông

dụng nhất vì nó đơn giản, được sử dụng khi BS được chia thành nhiều vùngphủ sóng hình quạt Trong cấu trúc này, khoảng cách giữa các phần tử là ∆x.Búp sóng chính của hệ thống có thể phủ sóng trong một hình quạt

b Cấu trúc giàn hình tròn: Các phần tử anten tạo với tâm hệ thống một

N

p f

D = Búp sóng chính của đồ thị bức xạ phủ toàn vùng ngang.

c Cấu trúc giàn chữ nhật và cấu trúc giàn lập phương: Điều khiển búp

sóng theo cả hai phương dọc và ngang Hai cấu trúc này cần thiết cho môitrường truyền sóng phức tạp (đô thị đông đúc) Về mặt lý thuyết nếu hệ thống

có M phần tử anten, có thể tạo M −1 nút sóng hướng về phía các thuê baonhiễu đồng kênh trong cell Tuy nhiên trong môi trường đa đường thì con sốnày có thể nhỏ hơn

2.2.4 Các tham số giàn anten

Dưới đây là một số các định nghĩa được sử dụng để mô tả hệ thốnganten:

Mẫu bức xạ: Mẫu bức xạ của một anten là sự phân phối tương đối công

suất bức xạ như một hàm hướng trong không gian Mẫu bức xạ của một anten

là kết quả của một mẫu phần tử và hệ số giàn, hai khái niệm này được địnhnghĩa bên dưới Nếu f(θ,φ) là mẫu bức xạ của mỗi phần tử anten và

gồm các phần tử bức xạ đẳng hướng, trong đó φ là góc phương vị và θ là góccủa mặt phẳng chiếu trong không gian

Búp sóng chính: Búp sóng chính của một mẫu bức xạ anten là búp sóng

chứa hướng của công suất bức xạ lớn nhất

Búp sóng phụ: Búp sóng phụ là các búp sóng không tạo thành búp sóng

chính Chúng cho phép các tín hiệu được nhận theo các hướng khác hướngcủa búp sóng chính do đó các búp sóng này là không mong muốn nhưngkhông thể tránh khỏi

Hình 2.3: Hệ số giàn mẫu phần tử và mẫu phát xạ của giàn anten tuyến tính

Độ rộng búp sóng: Độ rộng búp sóng của một anten là độ rộng góc của

búp sóng chính Độ rộng búp sóng 3 dB là độ rộng góc giữa các điểm trên búpsóng chính đạt giá trị 3 dB bên dưới đỉnh của búp sóng chính Độ rộng búpsóng nhỏ hơn là kết quả của một giàn có kích thước rộng hơn nghĩa là khoảngcách giữa hai phần tử xa nhất của giàn

Hiệu suất anten: Hiệu suất anten là tỉ số của tổng công suất bức xạ của

anten trên tổng công suất đầu vào anten

Búp sóng nhiễu xạ: Khi khoảng cách giữa các phần tử giàn anten

2

d >λ

xuất hiện các búp sóng nhiễu xạ trong mẫu bức xạ Hiện tượng lấy mẫu khônggian dẫn đến sự không rõ ràng trong hướng của các tín hiệu đến, điều này cónghĩa là xuất hiện những bản sao của búp sóng chính trong những hướng

không mong muốn Do đó khoảng cách giữa các phần tử trong giàn phải được

chọn

2

d≤ λ

để tránh các búp sóng nhiễu xạ

2.2.5 Mô tả định dạng không gian giàn tuyến tính

Hình 2.4: Mô hình giàn tuyến tính

Xét một giàn anten gồm M thành phần anten vô hướng đặt tại vùng xacủa một nguồn phát như Hình 2.4 Giả thiết khoảng cách giữa các phần tử củagiàn là d và mặt sóng phẳng mở rộng trên giàn tại góc θ đối với pháp tuyếngiàn, khi đó sóng đến phần tử thứ m+1 trước khi đến phần tử thứ m một

khoảng là sind θ (xét theo khoảng cách dọc theo tia sóng) Bằng cách đặt phacủa tín hiệu sóng tới tại gốc toạ độ tại phần tử đầu tiên, do đó pha của tín hiệu

sóng tới tại phần tử thứ m sẽ có quan hệ với pha của phần tử thứ 1 là

2.2.6 Phân loại anten thông minh

Hệ thống anten thông minh có thể được chia thành hai loại: antenchuyển búp (SBA: Switched Beam Antenna) và anten giàn thích nghi (AAA:Adaptive Array Antenna)

2.2.6.1 Anten chuyển búp

Hệ thống SBA định rõ một con số xác định trên đồ thị mà ở đó địnhtrước các hướng bức xạ Hệ thống SBA được tạo bởi nhiều phần tử định trướcvới độ nhạy cao theo một hướng xác định Hệ thống anten này phát hiệncường độ tín hiệu, chọn từ một trong những phần tử cố định xác định mà nó

có khả năng phát và thu tốt nhất tín hiệu từ thuê bao gửi tới Khi thuê bao dichuyển cường độ tín mà BS nhận được do nó gửi về cũng thay đổi theo BS

“cảm nhận” được điều này và chuyển từ phần tử này đến phần tử khác khimáy di động di chuyển từ đầu đến cuối tế bào.

Hệ thống chuyển búp sóng kết hợp hướng bức xạ của nhiều anten giốngnhư làm mịn những phần tử phân đoạn để đạt được nhiều sự lựa chọn khônggian hơn Để tạo được đồ thị bức xạ theo hướng cố định xác định trước, hệthống SBA sẽ thực hiện như sau:

• Khi thu (uplink): Hệ thống SBA kết hợpcác tín hiệu thu được theomột quan hệ nào đó về pha và biên độ, điều này làm hệ thống anten thu nănglượng tập trung tại hướng mong muốn

• Khi phát (downlink): Hệ thống SBA truyền tín hiệu cần phát đến cácphần tử anten với cùng một dải tần vô tuyến, nhưng các tín hiệu này đượcthiết lập với những quan hệ khác nhau về pha và biên độ Bằng cách này đồthị bức xạ (phát hoặc thu) có búp hướng hẹp hơn nhiều so với việc chỉ dùngmột anten Hơn nữa khi muốn thay đổi hướng thu hoặc phát nếu chỉ dùng mộtanten ta phải thay đổi anten khác hoặc quay chính anten đó một cách cơ học.Trong khi ở hệ thống SB dễ dàng thay đổi đồ thị bức xạ bằng cách thay đổivectơ trọng số nghĩa là thay đổi cách kết hợp các tín hiệu cao tần (RF: Radiofrequency) thu được từ các phần tử anten khi thu hoặc thay đổi pha và biên độcác RF gửi đến các phần tử anten khi phát đi

• Cấu tạo: SBA có cấu tạo khá đơn giản, được mô tả trong Hình 2.5 Hệthống SB có cấu trúc giống với các anten thông thường, ngoài ra nó còn đượctrang bị thêm những bộ phận mới để phát triển mở rộng hệ thống tế bào,người ta có thể bổ sung bằng cách cộng thêm những địa chỉ thông minh cầnthiết trong mạng sau khi đã tính toán kỹ càng

Hình 2.5 mô tả một hệ thống SBA đơn giản bao gồm một mạng tạo búpsóng (Beamforming MxM network), các chuyển mạch RF và logic điều khiển

để lựa chọn búp sóng cho trước

Hình 2.5: Hệ thống SBA dùng một mạng tạoM búp sóng từ M phần tử anten

2.2.6.2 Anten giàn thích nghi

Hình 2:6: Cấu trúc giàn anten thích nghi

Trong hai loại anten thông minh nêu ở trên, anten chuyển búp có ưuđiểm là đơn giản, nhưng tính linh hoạt không cao Chính vì vậy ngày nayngười ta tập trung vào nghiên cứu hệ thống anten giàn thích nghi

Một giàn thích nghi (AAA: Adaptive Array Antenna) là một hệ thốngbao gồm một giàn các phần tử anten và một bộ xử lý thích nghi thời gian thựccho phép điều khiển búp sóng tự động thông qua các tiêu chuẩn lựa chọnthuật toán Một giàn anten thích nghi có cấu trúc cơ bản được đưa ra trongHình 2.6

Các phần tử của giàn anten thích nghi có thể được sắp xếp theo các cấutrúc hình học khác nhau

2.2.7 Dạng tín hiệu trong anten giàn thích nghi

Xét một giàn anten thích nghi đơn giản là một giàn cách đều tuyến tính

gồm có M phần tử Các phần tử cách đều nhau một khoảng là d.

Ta giả định rằng mặt phẳng sóng tới giàn anten lệch một góc θ so với pháp tuyến của hướng anten thu Góc θ được đo theo chiều kim đồng hồ tính từ hướng của anten thu, được gọi là hướng tới (DOA: Direction Of Arrival) hay góc tới (AOA: Angle Of Arrival) của tín hiệu tới Pha đầu của sóng tới tại

phần tử thứ m+1 sẽ chậm pha hơn tại phần tử thứ m một khoảng bằng

Hình 2.7: Mô hình tín hiệu giàn thích nghi tuyến tính

Viết tín hiệu thu x( )t dưới dạng vectơ, ta được:

Vectơ x( )t được gọi là vectơ dữ liệu đầu vào của giàn (Input data vector)

và a( )θ được gọi là vectơ đáp ứng (Array response vector) Tập hợp vectơ

đáp ứng trong trường hợp này chỉ phụ thuộc vào hướng của tín hiệu tới Nóichung, vectơ đáp ứng chỉ có thể phụ thuộc vào độ đáp ứng của các phần tửriêng lẻ, cấu trúc giàn và tần số tín hiệu tới Việc thiết lập một giàn anten vớivéctơ đáp ứng cho trước cho tất cả các hướng và các tần số sẽ cho ra một kếtquả hết sức đa dạng Xét một giàn đơn giản như giàn đều tuyến tính được nóiđến ở trên, sự đa dạng của giàn anten thích nghi sẽ được thể hiện trong việctính toán các tham số Trên thực tế, việc xác định một điểm nguồn đáp ứngcho các giá trị về hướng và tần số và quá trình xử lý sẽ cho phép thiết kế nênmột giàn thích nghi có kích cỡ xác định

Ta xét trường hợp xuất hiện tạp âm đầu vào, lúc này, tín hiệu đầu vàocủa các phần tử xét ở trên trở thành:

Trong trường hợp tổng quát, khi xuất hiện cả pha đinh đa đường và các

hiệu ứng người dùng Đặt U là tổng số người dùng với các tín hiệu tác động trên giàn và giả thiết rằng tín hiệu tới của người dùng thứ i là s t bao gồm i( )

i

p là chỉ số đường và p=1,2, ,K P i Vectơ tín hiệu thu được cho người dùng

thứ i có thể được biểu diễn như sau:

( ) , ( ) (, , , )

1

i P

Khi có ảnh hưởng của tất cả U người dùng và tạp âm nội bộ, vectơ dữ

liệu đầu vào có thể được viết dưới dạng chung như sau:

( ) , ( ) (, , , ) ( )

i

P U

số tín trên nhiễu cộng tạp âm (SINR) của tín hiệu thu mong muốn Tương tựnhư vậy, việc định dạng búp sóng được sử dụng ở đường xuống (từ trạm gốctới máy di động) để cực đại hoá công suất truyền của trạm gốc tới di độngmong muốn, do đó tỷ số SINR là lớn nhất trên đường xuống Khi định dạng,búp sóng được điều khiển bằng việc xử lý tín hiệu thích nghi, được gọi là địnhdạng búp sóng thích nghi (Adaptive Beamforming) thì trong một vài trườnghợp, chúng ta không mong muốn lái búp sóng mà là lái một tập hợp các điểmnull về một vị trí cụ thể nào đó để triệt nhiễu Quá trình xử lý định dạng búpsóng trong trường hợp này được gọi là định dạng triệt tiêu (Null-forming)

Một bộ định dạng búp sóng là bộ xử lý được sử dụng chung với một giàn

để thực hiện một cách linh hoạt việc định dạng bộ lọc không gian Có hai kiểu

bộ định dạng là bộ định dạng búp sóng băng hẹp (Narrowband Beamformer)

và bộ định dạng búp sóng băng rộng (Broadband Beamformer)

Bộ định dạng búp sóng băng hẹp lấy mẫu tín hiệu đầu vào trên miền không gian và thường được sử dụng để xử lý tín hiệu băng hẹp Cấu hình của

bộ định dạng búp sóng băng hẹp được miêu tả trong Hình 2.8

Hình 2.8: Cấu trúc của bộ định dạng búp sóng băng hẹp thích nghi

Đầu ra của bộ định dạng búp sóng băng hẹp là sự kết hợp tuyến tínhtrọng số của tín hiệu thu ở mỗi phần tử giàn và được cho bởi:

( ) H ( )

Trong đó x( )t là vectơ dữ liệu đầu vào, ( )H

tương ứng với phép toánHermitian của vectơ/ma trận (chuyển vị liên hợp phức), và vectơ trọng số

phức w được xác định như sau:

thời gian và được sử dụng để xử lý tín hiệu băng rộng Bộ định dạng búp sóngbăng rộng cũng được gọi là bộ xử lý không gian-thời gian (Spatio-temporalProcessor) hay bộ san bằng không gian-thời gian (Spatio-TemporalEqualizer) Cấu trúc của bộ định dạng băng rộng thường bao gồm các đườngdây trễ (Tapped Delayed Lines: TDLs) hay còn được gọi là các bộ lọc hoànhtuyến ở mỗi phần tử giàn riêng lẻ Nếu khoảng cách giữa các tap không gian

đủ dài và số lượng tap là lớn thì TDL sẽ giống như một bộ lọc lý tưởng cho

phép điều khiển chính xác lượng tăng ích và pha ở mỗi tần số trong phạm vibăng thông quan tâm Đường dây trễ TDL không chỉ hữu ích cho việc điềuchỉnh lượng tăng ích và pha như mong muốn trên băng tần quan tâm mà cònthích hợp cho các mục đích khác như làm giảm pha-đinh đa đường và bù đắp

sự hạn chế của trễ đường truyền và sự mất phối hợp giữa các kênh(Interchannel Mismatch) Bộ định dạng búp sóng băng rộng điển hình sửdụng TDLs được chỉ ra ở Hình 2.9

Từ mô hình bộ định dạng búp sóng băng rộng, ta sắp xếp tín hiệu và

trọng số phức ở K tap TDL của phần tử anten thứ m như sau

Hình 2.9: Bộ định dạng búp sóng băng rộng sử dụng đường dây trễ

Bộ định dạng búp sóng băng rộng sử dụng đường dây TDLs được coinhư một bộ xử lý trên miền thời gian Gần đây, bộ biến đổi Fourier nhanh(FFT: Fast Fourie Transform) thường được sử dụng để thay thế cho TDLs cho

ta một bộ định dạng búp sóng băng rộng trên miền tần số như được chỉ ra trênHình 2.10

Vì trọng số điều khiển thu độc lập với mỗi khe tần số (Frequency Bin)nên bộ xử lý chọn lọc trọng số có thể được thực hiện song song, dẫn tới việccập nhật trọng số sẽ nhanh hơn Thêm vào đó, nếu thuật toán thích nghi được

sử dụng (ví dụ như thuật toán bình phương trung bình cực tiểu (LMS: Least

Mean Squares) thì khoảng cách bước nhảy khác nhau có thể được áp dụng đốivới mỗi khe tần số, dẫn đến việc hội tụ nhanh hơn.

Hình 2.10: Bộ định dạng búp sóng trên miền tần số sử dụng FFT

2.3 Ưu điểm của anten thông minh trong thông tin di động

Việc sử dụng anten thích nghi mang lại nhiều lợi ích khác nhau chothông tin di động Có nhiều lợi ích đã được đưa ra trong nhiều tài liệu khácnhau, dưới đây là một số đặc điểm chính

2.3.1 Cải thiện chất lượng tín hiệu

Nhờ việc sử dụng nhiều phần tử giàn thích nghi nên có thể cung cấp tăngích anten phụ, điều này phụ thuộc vào số lượng phần tử giàn sử dụng Điềunày sẽ dấn tới việc cải thiện tỉ số tín/nhiễu và tạp âm (SINR) SINR của tín

S/P: Bộ chuyển đổi nối tiếp – song songP/S: Bộ chuyển đổi song song – nối tiếp

hiệu đầu ra trong một môi trường truyền không có pha-đinh đa đường và nếu

số nhiễu ít hơn số bậc tự do (DoF: Degree of Freedom) với DoF= −M 1 có

thể xác định như sau:

hoặc

trong đó M là số lượng phần tử giàn.

Trong môi trường pha-đinh đa đường, nếu việc xử lý tín hiệu được thựchiện trên cả miền không gian và thời gian thì tăng ích phân tập thu được cóthể lớn hơn phụ thuộc vào số lượng Tap được sử dụng và đặc điểm của pha-đinh Ví dụ đơn giản trong trường hợp mô hình pha-đinh 2 đường mà cácđường là không tương quan với nhau, thì SINR đầu ra được ước lượng bằng:

SINRout dB =10log M +10log 2 +SNRin dB (2.25)Điều này có nghĩa là tăng ích phân tập phụ 3dB đạt được trong môi trườngpha-đinh đa đường và tăng ích này lớn hơn khi môi trường giầu tia đa đườnghơn

2.3.2 Giảm trải trễ và pha đinh đa đường

Trải trễ do đường truyền đa đường gây ra, trong đó một tín hiệu đến từcác hướng khác nhau sẽ bị trễ do đi theo các khoảng cách khác nhau Ở phíaphát, một anten thông minh có thể tập trung năng lượng theo hướng yêu cầu,

hỗ trợ trong việc giảm phản xạ đa đường và do đó giảm trải trễ ở phía thu,giàn anten có thể thực hiện kết hợp tối ưu sau khi bù trễ cho các tín hiệu đađường tới giàn Những tín hiệu mà trễ không thể bù đắp có thể bị xoá bỏ dohình thành các nút sóng trong hướng của chúng

2.3.3 Giảm nhiễu đồng kênh

Giàn anten cho phép sử dụng phương pháp lọc không gian, phương phápnày được áp dụng cho cả bên thu cũng như bên phát để giảm nhiễu đồngkênh Khi phát, anten được sử dụng để tập trung năng lượng phát xạ nhằm tạo

ra một búp sóng có hướng trong vùng có bộ thu Điều này có nghĩa là có ítnhiễu hơn trong các hướng khác mà búp sóng không hướng đến Nhiễu đồngkênh bên phát có thể giảm bằng cách hình thành những nút sóng trong hướngcủa các bộ thu khác Mục đích của sơ đồ này là giảm năng lượng phát tronghướng của các bộ thu đồng kênh và do đó cần những thông tin về quyền ưutiên vị trí của chúng

2.3.4 Tăng dung lượng hệ thống

Ưu điểm nổi bật của việc sử dụng anten thích nghi trong thông tin diđộng chính là cho phép tăng dung lượng hệ thống Hệ thống di động ở vùngđông dân cư thường bị giới hạn bởi nhiễu, nghĩa là nhiễu từ những ngườidùng (nhiễu CCI và ACI) là nguồn tác động chính đối với hệ thống Điều nàycũng có nghĩa là tỷ số tín/nhiễu (SIR) lớn hơn nhiều so với tỷ số tín/tạp âmnhiệt (SNR) Anten thích nghi sẽ cân bằng ở mức trung bình, bằng cách tăngđồng thời mức độ tín hiệu thu có ích và giảm mức độ nhiễu, như vậy tỷ sốSIR sẽ tăng Đặc biệt, giàn thích nghi sẽ cho một sự cải thiện đáng kể Kếtquả thực nghiệm cho thấy có thể tăng mức SIR trung bình lên tới 10 dB trongkhu vực đô thị

Trong hệ thống TDMA, ý nghĩa của tăng tỷ số SIR chính là giảm khoảngcách tái sử dụng tần số Ví dụ được chỉ ra ở Hình 2.11, trong đó cụm 7 tế bàothông thường được giảm xuống thành cụm 3 tế bào Như vậy sẽ làm cho dunglượng tăng 7/3 lần vì tất cả các tế bào sẽ được cấp phát tổng số lượng sóngmang nhiều hơn

Hình 2.11: Tăng dung lượng bằng cách giảm khoảng cách tái sử dụng tần số

Hệ thống CDMA, như trong IS-95 hoặc UMTS, cần hạn chế nhiễu nhiềuhơn so với hệ thống TDMA Nguồn tạp âm chính trong hệ thống này chủ yếu

là nhiễu từ những người dùng khác do có những mã trải phổ trực giao không

lý tưởng Có nghĩa là việc tăng dung lượng đối với hệ thống CDMA còn phảilớn hơn so với TDMA Đối với CDMA thì dung lượng tăng lên 5 lần

2.3.5 Giảm chuyển giao

Khi lưu lượng trong một cell tăng vượt quá dung lượng của cell đó thìviệc phân tách cell thường được sử dụng để tạo ra những cell mới, mỗi mộtcell sẽ có một trạm gốc và một tần số cố định Việc giảm kích thước cell dẫnđến tăng số lượng chuyển giao được thực hiện Bằng cách sử dụng antenthông minh để tăng dung lượng của cell, số lượng chuyển giao cần thiết có thểđược giảm Vì mỗi búp sóng chỉ hướng đến một thuê bao, chuyển giao làkhông cần thiết trừ khi các búp sóng sử dụng cùng tần số giao nhau

2.3.6 Tăng bán kính phủ sóng

Ở những vùng nông thôn và vùng dân cư thưa thớt, cần chú trọng đếnvùng phủ sóng vô tuyến hơn so với dung lượng, điều này dẫn tới việc triểnkhai xây dựng trạm gốc theo hướng có bán kính phủ sóng lớn chứ không phải

là dung lượng cao Vì anten thích nghi có tính định hướng cao hơn anten vôhướng hay anten dẻ quạt, nhờ đó phạm vi phủ sóng sẽ tăng lên Điều này có

nghĩa là các trạm gốc có thể đặt ở những khoảng cách xa nhau hơn, dẫn đếnhiệu quả hơn về mặt chi phí Tăng ích anten so với anten một phần tử sẽ tănglên bằng số lượng số phần tử giàn anten, ví dụ 8 phần tử giàn có thể tănglượng tăng ích lên 8 lần (9dB).

Từ công thức (2.24), rõ ràng rằng tăng ích giàn thu được bởi một giàn thíchnghi là:

1010log

Lượng tăng ích thêm này cho phép mở rộng phạm vi bao phủ trạm gốc

Khi bề rộng góc là nhỏ và path loss được minh hoạ với số mũ α thì phạm vi

hệ số mở rộng (REF: Range Extension Factor) cho bởi

α

(2.26)

Trong đó, r conv và r array là vùng phủ lần lượt vủa anten thông thường (với đơn

phần tử) và anten giàn (đa phần tử) Hệ số vùng phủ mở rộng (ECF: Extendedarea Coverage Factor) là

2.3.7 Giảm công suất phát

Như đã trình bày ở trên, việc sử dụng giàn thích nghi có thể cho tăng íchgiàn lớn, tăng ích này dẫn tới việc giảm công suất phát yêu cầu của trạm gốc.Nếu độ nhạy thu đòi hỏi như nhau thì công suất đáp ứng của trạm gốc dùng

giàn M phần tử được giảm bớt tới M−1 và do đó công suất đầu ra yêu cầucủa bộ khuếch đại công suất trạm gốc có thể được giảm tới M−2 Việc giảm

giàn anten M phần tử thì tín hiệu thu ở trạm gốc tăng lên, do đó công suất

phát ở máy di động có thể giảm xuống M lần Vì vậy mà tuổi thọ pin của

máy di động lâu hơn, đồng thời lại có thể giảm được kích thước của pin, cảhai yếu tố này sẽ là một ưu điểm quan trọng cho máy cầm tay

2.4 Hạn chế của anten thông minh

Mặc dù lợi ích từ việc sử dụng anten thích nghi trong thông tin di động làrất lớn, nhưng đây là một công nghệ phức tạp nên việc thực hiện trên thực tếgặp không ít khó khăn Sau đây là những vấn đề cơ bản đang cần được cảitiến, hoàn thiện để đưa công nghệ anten thích nghi áp dụng rộng rãi vào cuộcsống

2.4.1 Sự phức tạp của thiết bị thu phát

Ta có thể nhận thấy ngay được là máy thu phát anten thích nghi phức tạphơn rất nhiều so với máy thu phát trạm gốc truyền thống Anten thích nghi sẽcần một chuỗi các máy thu phát riêng rẽ cho mỗi phần tử anten và hiệu chỉnhthời gian thực một các chính xác cho từng thành phần trong chúng Thêm vào

đó, việc định dạng búp sóng anten yêu cầu phải có khả năng xử lý mạnh mẽtrên máy tính, đặc biệt khi giàn anten thích nghi được sử dụng Điều này cónghĩa là phải có các bộ xử lý dữ liệu rất mạnh Đây là nhu cầu ngày càng lớnđối với việc phát triển các thuật toán hiệu quả để bám tín hiệu và tối ưu hoáthời gian thực Vì thế các trạm gốc anten thích nghi thường đắt hơn nhiều sovới các trạm gốc thông thường

2.4.2 Kích thước vật lý của anten thích nghi

Đối với anten thích nghi, để có được độ tăng ích chấp nhận được, cầnthiết phải có một giàn anten với một số các phần tử nhất định Giàn tiêu biểuthực tế có thể gồm có 6 - 10 phần tử, được đề nghị cho môi trường di động

out door Khoảng cách cần thiết giữa các phần tử là 0.4 - 0.5 độ dài bướcsóng, có nghĩa là một anten 8 phần tử sẽ xấp xỉ rộng 1.2 m ở 900 MHz và

60 cm ở 2 GHz Mặc dù không quá lớn, kích thước này vẫn gây ra cả một vấn

đề, từ việc triển khai anten thích nghi ở trạm gốc cho đến khả năng triển khaianten thích nghi ở thuê bao di động

2.5 Kết luận

Chương 2 đã trình bày một cách tổng quan nhất những vấn đề cơ bảnnhất về anten thông minh bao gồm khái niệm, nguyên lý hoạt động, cấu trúcsắp xếp cũng như các tham số của giàn anten

Tiếp đó, chương cũng đã đưa ra một mô hình giàn anten tuyến tính gồm

có M phần tử, từ mô hình tín hiệu này để có thể rút ra được tham số đặc trưng

nhất của một giàn anten đó là hệ số giàn F biểu thị cho giản đồ hướng của

giàn anten Hệ số giàn có thể được điều chỉnh thông qua việc tính toán matrận trọng số W từ đó điều chỉnh được giản đồ hướng của anten Ngoài rachương cũng đưa ra dạng tín hiệu trong anten giàn thích nghi và xem xét việcđịnh dạng búp sóng thích nghi Đây là những thành phần cơ bản cho việckhảo sát các tiêu chuẩn và thuật toán điều khiển thích nghi được trình bày ởchương sau

Cuối cùng, chương đã đề cập đến những ưu điểm khi sử dụng giàn antenthông minh trong thông tin di động so với khi sử dụng anten đơn phần tử vôhướng Cụ thể những ưu điểm đó là: cải thiện chất lượng tín hiệu,giảm trải trễ

và pha-đinh đa đường, giảm nhiễu đồng kênh, tăng dung lượng hệ thống,giảm chuyển giao, tăng bán kính phủ sóng và giảm công suất phát trạm gốccũng như trạm di động Bên cạnh đó là những hạn chế cần phải cần phải khắcphục của anten thích nghi

hoá các trọng số đó dựa trên một số tiêu chuẩn cụ thể là: Sai số bình phương trung bình cực tiểu (MMSE: Minimum Mean Square Error), Tỷ số tín hiệu trên nhiễu cộng tạp âm tối đa (MSINR: Maximum Signal to Interference plus Noise ratio), Phương sai cực tiểu (MV: Minimum Variance) và Hợp lẽ cực đại (ML: Maximum Likelihood).

Hơn nữa khi áp dụng các tiêu chuẩn để xác định trọng số của giàn antencần có thuật toán điều khiển các trọng số này thay đổi thích nghi theo sự biếnđổi của môi trường tín hiệu Có nhiều thuật toán đã được nghiên cứu và đưa

ra nhưng đồ án chỉ tập trung nghiên cứu 3 thuật toán được sử dụng phổ biến

đối với anten thích nghi trong thông tin di động là: Trung bình bình phương cực tiểu (LMS: Least Mean Square), nghịch đảo ma trận mẫu (SMI: Sample Matrix Inversion) và Đệ quy bình phương tối thiểu (RLS: Recursive Least

Squares)

3.1 Tiêu chuẩn thực hiện tối ưu.

3.1.1 Maximum Signal to Interference plus Nosie Ratio (MSINR)