Nghiên cứu đánh giá phẩm chất bộ định hướng vô tuyến sử dụng anten thích nghi

MỤC LỤC DANH SÁCH HÌNH VẼ 2 DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT 4 LỜI NÓI ĐẦU 6 TỔNG QUAN VỀ ANTEN THÍCH NGHI 8 1.1 Nhu cầu thông tin vô tuyến 8 1.2 Đa truy nhập 10 1.3 Bộ định dạng búp sóng số (DBF – Digital Beamforming) 15 1.4 Anten thích nghi là gì 19 1.5 Các lợi điểm của anten thông minh 23 1.6 Tóm tắt 31 NGUYÊN TẮC CƠ BẢN CỦA ANTEN DÀN 32 2.1 Các khái niệm cơ bản 32 2.2 Mô hình tín hiệu dàn 34 2.3 Định dạng búp sóng thích nghi 37 2.4 Tiêu chuẩn thực hiện tối ưu 41 2.4.1 Minimum Mean Square Error (MMSE) 41 2.4.2 Maximum Signal to Interference plus Noise Ratio (MSINR) 43 2.4.3 Maximum Likelihood (ML) 44 2.4.4 Minimum Variance (MV) 46 2.5 Các thuật toán thích nghi 47 2.5.1 Least Mean Square (LMS) 47 2.5.2 Sample Matrix Inversion (SMI) 49 2.5.3 Recursive Least Squares (RLS) 49 2.6 Tóm tắt 51 CÁC PHƯƠNG PHÁP ƯỚC LƯỢNG GÓC TỚI 53 3.1 Khái niệm về phương pháp ước lượng góc tới 53 3.2 Các phương pháp ước lượng góc tới hiện tại 54 3.2.1 Phương pháp bộ định dạng búp sóng (Beamformer) 56 3.2.2 Phương pháp Capon 60 3.2.3 Phương pháp dự đoán tuyến tính 61 3.2.4 Chương trình mô phỏng 64 3.2.5 Kết quả mô phỏng 68 3.3 Tóm tắt 70 KẾT LUẬN 71 TÀI LIỆU THAM KHẢO 74

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

CHUYÊN NGÀNH ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ PHẨM CHẤT BỘ ĐỊNH HƯỚNG

VÔ TUYẾN SỬ DỤNG ANTEN THÍCH NGHI

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ

HOÀNG THU HƯƠNG

NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ PHẨM CHẤT BỘ ĐỊNH HƯỚNG

VÔ TUYẾN SỬ DỤNG ANTEN THÍCH NGHI

MỤC LỤC

DANH SÁCH HÌNH VẼ 5

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT 6

LỜI NÓI ĐẦU 9

TỔNG QUAN VỀ ANTEN THÍCH NGHI 11

1.1Nhu cầu thông tin vô tuyến 11

1.2Đa truy nhập 13

1.3Bộ định dạng búp sóng số (DBF – Digital Beamforming) 18

1.4Anten thích nghi là gì 22

1.5Các lợi điểm của anten thông minh 26

1.6Tóm tắt 35

NGUYÊN TẮC CƠ BẢN CỦA ANTEN DÀN 36

2.1Các khái niệm cơ bản 36

2.2Mô hình tín hiệu dàn 38

2.3Định dạng búp sóng thích nghi 41

2.4Tiêu chuẩn thực hiện tối ưu 45

2.4.1Minimum Mean Square Error (MMSE) 45

2.4.2Maximum Signal to Interference plus Noise Ratio (MSINR) 47

2.4.3Maximum Likelihood (ML) 48

2.4.4Minimum Variance (MV) 50

2.5Các thuật toán thích nghi 51

2.5.1Least Mean Square (LMS) 51

2.5.2Sample Matrix Inversion (SMI) 53

2.5.3Recursive Least Squares (RLS) 53

2.6Tóm tắt 55

CÁC PHƯƠNG PHÁP ƯỚC LƯỢNG GÓC TỚI 57

3.1Khái niệm về phương pháp ước lượng góc tới 57

3.2Các phương pháp ước lượng góc tới hiện tại 58

3.2.1Phương pháp bộ định dạng búp sóng (Beamformer) 60

3.2.2Phương pháp Capon 64

3.2.3Phương pháp dự đoán tuyến tính 66

3.2.4Chương trình mô phỏng 69

3.2.5Kết quả mô phỏng 73

3.3Tóm tắt 74

KẾT LUẬN 76 Sau 3 tháng làm đồ án, em đã được tìm hiểu về công nghệ anten thích nghi và khả năng ứng dụng thực tế của công nghệ này vào hệ thống

thông tin di động hiện nay .76

Từ việc sử dụng dàn anten thích nghi, hệ thống thông tin di động hiện nay có khả năng mở rộng nhiều hơn nữa các dịch vụ của nó Điều này có được là nhờ rất nhiều các ưu điểm của anten thích nghi khi được kết hợp trong hệ thống thông tin di động Anten thích nghi làm cải thiện chất lượng tín hiệu do có khả năng cung cấp tăng ích anten phụ, điều này phụ thuộc vào số lượng phần tử dàn sử dụng, do đó dẫn tới việc cải thiện tỉ số tín/nhiễu và tạp âm (SINR); thứ hai, anten thích nghi làm tăng dung lượng của hệ thống vì anten thích nghi có khả năng cân bằng ở mức

trung bình bằng cách tăng đồng thời mức độ tín hiệu thu có ích và giảm mức độ nhiễu, như vậy tỉ số SIR sẽ tăng, với hệ thống TDMA thì ý nghĩa của việc tăng tỉ số SIR chính là giảm khoảng cách tái sử dụng tần số Thứ

ba, sử dụng anten thích nghi làm tăng bán kính phủ sóng do anten thích nghi có tính định hướng cao hơn anten vô hướng hay anten dẻ quạt, nhờ

đó phạm vi phủ sóng sẽ tăng lên, dẫn đến hiệu quả hơn về mặt chi phí Ngoài ra, anten thích nghi còn làm giảm truyền dẫn đa đường do sử dụng anten có búp sóng hẹp tại trạm gốc, có khả năng làm giảm công suất phát yêu cầu của trạm gốc do dàn thích nghi cho tăng ích dàn lớn Cuối cùng

sử dụng anten thích nghi rất dễ dàng cho việc triển khai các dịch vụ mới

và đồng thời khả năng bảo mật của anten thích nghi là rất lớn 76 TÀI LIỆU THAM KHẢO 78

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 1.1 Mô hình tế bào hình quạt 120 trong đó các tần số o

sóng mang khác nhau được sử dụng trong mỗi tế bào, những tần số này lại được tái sử dụng lại ở các hình quạt khác trong các tế bào khác

12

Hình 1.2 Mô hình tế bào trong đó thông tin được truyền đi

đồng thời giữa người sử dụng và trạm gốc bằng cách sử dụng độc lập các búp sóng lái có tăng ích lớn ở cùng tần số sóng mang

13

Hình 1.3 Mô hình thông tin vệ tinh bao phủ đồng thời các

vùng địa lý khác nhau trên cùng một tần số sóng mang nhờ sử dụng các búp sóng hẹp độc lập

14

Hình 1.6 Minh hoạ sự khác nhau giữa mô hình phát xạ trạm

gốc truyền thống và trạm gốc anten thích nghi

20

Hình 1.9 Sơ đồ mô phỏng tín hiệu đầu ra SNR ngược với số

lượng phần tử dàn

24

khoảng cách tái sử dụng tần sốHình 1.11 Sơ đồ mô phỏng vùng phủ sóng được mở rộng nhờ

sử dụng anten thích nghi

27

Hình 2.4 Cấu trúc của bộ định dạng búp sóng băng hẹp thích

nghi

38

Hình 3.5 Sơ đồ mô phỏng của cả 3 phương pháp

Beamformer, Capon và Linear Prediction

AOA Angle of Arrival

DCMP Directionally Constrained Minimization of Power

ESPRIT Estimation of Signal Parameters Via Rotational Invariance

Techniques

MVDR Minimum Variance Distortion-less Response

SINR Signal to Interference plus Noise Ratio

SS/TDMA Satellite-Switched TDMA

LỜI NÓI ĐẦU

Xã hội càng phát triển, nhu cầu về thông tin di động của con người trong xã hội ngày càng trở nên mạnh mẽ, đòi hỏi nâng cao dịch vụ cả về chất lượng và số lượng Các nhà khai thác muốn cung cấp dịch vụ thông tin di động cho càng nhiều người càng tốt trong giới hạn đầu tư về công nghệ, về chi phí sử dụng tài nguyên phổ tần số … Còn mỗi người sử dụng đều mong muốn chất lượng dịch vụ tốt hơn, giá thành rẻ hơn, sử dụng dịch vụ thuận tiện hơn, nhiều loại dịch vụ hơn nữa, đặc biệt là các dịch vụ truyền số liệu, dịch vụ hình ảnh, âm thanh, v v…

Có thể nói nhu cầu về thông tin di động hiện nay là cực kỳ to lớn, cần thiết, nó thúc đẩy sự phát triển của thông tin di động theo hướng toàn cầu hoá

về mọi phương diện Tuy nhiên muốn làm được điều này, chắc chắn phải dựa trên các kỹ thuật và công nghệ tiên tiến

Với lý do đó, luôn tồn tại một động lực mạnh mẽ thúc đẩy các công nghệ mới liên tục ra đời, phát triển và hoàn thiện nhằm hỗ trợ hệ thống thông tin di động tăng cường các khả năng dịch vụ của mình Đồng thời 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 của các nước đang phát triển như Việt Nam

Để cải thiện các chỉ tiêu hệ thống, nâng cao khả năng cung cấp dịch vụ của hệ thống thông tin di động, hiện nay có một công nghệ mới đang trong giai đoạn đầu được nghiên cứu, thử nghiệm và triển khai áp dụng vào thực tế,

đó là công nghệ anten thích nghi

Công nghệ anten thích nghi hay anten thông minh trong thông tin di động đã thu hút được sự quan tâm to lớn trong những năm gần đây trên phạm

vi toàn thế giới Nguyên nhân cơ bản để anten thích nghi ra đời là nó tạo ra khả năng tăng dung lượng cao trong hệ thống thông tin di động, tăng bán kính phủ sóng do anten thích nghi có tính định hướng cao, làm giảm công suất phát yêu cầu của trạm gốc, làm giảm truyền dẫn đa đường, có khả năng bảo mật và triển khai các dịch vụ mới

Xuất phát từ những ưu điểm nổi trội và khả năng triển khai thực tế của công nghệ anten thích nghi trong các hệ thống thông tin di động hiện nay, nên

em đã chọn nghiên cứu đề tài:

“Nghiên cứu đánh giá phẩm chất bộ định hướng vô tuyến sử dụng anten

thích nghi”

Nội dung đồ án bao gồm 3 chương:

Chương 1: Tổng quan về anten thích nghi

Chương 2: Nguyên tắc cơ bản của anten dàn

Chương 3: Các phương pháp ước lượng góc tới

Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Trần Xuân Nam - giáo viên

hướng dẫn trực tiếp cùng các thầy cô giáo trong khoa Điện tử viễn thông - Học viện Kỹ Thuật Quân sự đã tạo điều kiện và giúp đỡ em hoàn thành đồ án này

Em xin chân thành cảm ơn

Sinh viên Hoàng Thu Hương

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ ANTEN THÍCH NGHI

1.1 Nhu cầu thông tin vô tuyến

Thập kỷ 1990 được mô tả như là thập kỷ của ngành viễn thông không dây Quá trình phát triển viễn thông, ban đầu từ những chiếc điện thoại có dây cho tới các dịch vụ thông tin cá nhân (Personal Communications Services: PCS), dẫn đến sự có mặt của các dịch vụ không dây mà không cần phải xem xét đến thực tế trước đó Bằng việc cung cấp các loại hình dịch vụ không dây khác nhau như cố định, di động, dịch vụ trong nhà và ngoài trời thì ngành công nghiệp thông tin vô tuyến đang trải qua một sự phát triển bùng nổ Ở Bắc Mỹ, tổng số lượng người tiêu dùng dịch vụ không dây đã vượt quá 17 tỉ đôla vào năm 1992 Theo như ước tính của Uỷ ban Viễn thông Quốc tế và Tổ chức Liên Hợp Quốc thì trên thế giới đã mất khoảng 535 tỉ đôla vào viễn thông năm 1992 Con số này đang tăng trưởng mỗi năm khoảng hơn 10%

Trong thông tin di động, việc tăng nhanh chóng số lượng điện thoại tế bào đòi hỏi phải tăng dung lượng cho các hệ thống thông tin di động tương lai Từ đầu năm 1990, chỉ riêng đối với Mỹ thì đã có 4.5 triệu điện thoại tế bào, 6.5 triệu máy nhắn tin, và 25 triệu điện thoại không dây Cuối năm 1992,

số lượng điện thoại tế bào ở Mỹ đã tăng trên 11 triệu, tương ứng với sự nhảy vọt 150% trong vòng 3 năm Tổng sản lượng điện thoại không dây hàng năm vượt quá 200 tỉ được coi là bước ngoặt của thế kỷ, và 300 tỉ vào năm 2010 Cho dù ngành công nghiệp thông tin di động vẫn đang trong giai đoạn tăng trưởng, thì một thế hệ dịch vụ thông tin mới vẫn hiện ra một cách rõ nét và nhanh chóng trở thành xu hướng phổ biến của cuộc sống – đó là công nghệ

PCS Các dịch vụ mà PCS cung cấp sẽ vượt xa so với hệ thống di động ngày nay bởi PCS gồm có hệ thống mở rộng mạng vô tuyến trên cả thoại và dữ liệu Về cơ bản, PCS sẽ trở nên tinh vi và phổ biến hơn nhiều so với các hệ thống tế bào và di động Khi đã hoàn thiện, PCS sẽ bao gồm hệ thống vô tuyến toàn cầu có thể nhận biết người sử dụng ở bất kỳ đâu trên thế giới và có thể bám theo từng cá nhân dù họ có ở vị trí nào đi nữa – có trên boong máy bay, trong thang máy, hay đi bộ trên phố hay không Chính vì PCS có thể cung cấp các dịch vụ thông tin lan rộng khắp nơi nên nó sẽ yêu cầu mức độ dung lượng hệ thống cao hơn so với các hệ thống tế bào hay di động.

Một trong những nhiệm vụ của PCS là cung cấp các dịch vụ ở bất cứ mọi nơi trên thế giới Vệ tinh sẽ đóng một vai trò quan trọng và duy nhất trong việc thực hiện nhiệm vụ đó Các vệ tinh có thể cung cấp các dịch vụ tới những người sử dụng ở vùng nông thôn và các vùng xa xôi hẻo lánh nằm ngoài phạm vi hệ thống viễn thông mặt đất Các dịch vụ viễn thông cá nhân

và di động mà vệ tinh cung cấp đó là kết quả của việc nghiên cứu một lĩnh vực mới của các kĩ sư thông tin vệ tinh Các dịch vụ này đang trở nên có giá trị cho hàng không, hàng hải và các ứng dụng di động trên đất liền, nhờ đó việc thông tin sẽ rất dễ dàng giữa các mạng mặt đất và trên không, tàu biển,

và các phương tiện di động Nhờ việc sử dụng hệ thống thông tin vệ tinh di động số, người sử dụng ở bất kỳ nơi nào trên thế giới cũng đều có thể truy nhập thông tin thoại và dữ liệu thông qua mạng toàn cầu trong khi du lịch như các hành khách trên máy bay, trên tàu hay thuyền Ở thời điểm hiện tại, một

số lượng các hệ thống vệ tinh thông tin đang được thiết kế và xây dựng để cung cấp các dịch vụ thông tin trên một phạm vi rộng Chúng bao gồm

INMARSAT và MSAT giữ các quỹ đạo đồng bộ (Geosynchronous Orbits:

GEO); ODYSSEY điều khiển quỹ đạo trái đất ở độ cao trung bình so với mặt biển (Medium-Altitude Earth Orbit: MEO); và IRIDIUM và GLOBALSTAR

được thiết kế cho quỹ đạo trái đất tầm thấp (Low Earth Orbits: LEO) Tuy nhiên, các dịch vụ mới này càng đòi hỏi các vệ tinh thông tin phải có dung lượng cao.

1.2 Đa truy nhập

Thực tế cho thấy, nhu cầu thông tin vô tuyến càng lớn thì càng đòi hỏi dung lượng hệ thống phải lớn Dung lượng của hệ thống thông tin có thể được tăng lên trực tiếp bằng cách mở rộng băng thông của kênh thông tin hiện có, hoặc định rõ vị trí tần số mới đến dịch vụ đó Tuy nhiên, vì phổ điện từ là giới hạn

do đó tạo nên một nguồn giá trị lớn, và môi trường điện từ ngày càng trở nên tắc nghẽn vì sự tăng nhanh của nguồn nhiễu cố ý và không cố ý, do đó trong tương lai, khả năng tăng dung lượng hệ thống bằng 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 các kỹ sư thông tin chỉ nhằm mục đích là tăng dung lượng của một hệ thống thông tin

Qua bốn thập kỷ trước, các kỹ sư đã tiến hành làm tăng dung lượng của

hệ thống thông tin vô tuyến một cách đáng kể, đặc biệt là thông tin vô tuyến

số Bây giờ chúng ta có khả năng thu được tốc độ truyền gần đúng trong phạm vi hệ số 2 của tốc độ cực đại được xác định bởi công thức tính dung lượng của Shannon Bằng việc kết nối lợi ích của mã nguồn và mã kênh nên các kỹ thuật số có thể làm giảm một cách đáng kể công suất phát yêu cầu hoặc băng thông của kênh truyền, hoặc cả hai, cho hiệu suất và chất lượng tốt hơn so với các hệ thống tương tự Hơn nữa, với kỹ thuật số thì hiệu quả tần số

có thể được cải thiện bằng việc sử dụng các kỹ thuật đa truy nhập nhằm làm tăng dung lượng hệ thống Đa truy nhập dẫn tới việc truyền tin cùng một lúc bởi nhiều người sử dụng tới điểm thu tín hiệu chung.Về cơ bản, điều đó có nghĩa là số lượng người sử dụng trong trường hợp này nằm rải rác ngẫu nhiên với mỗi người một máy thu phát cầm tay, và có nhu cầu sử dụng hoặc muốn

truy nhập tới một nguồn thu chung với số lượng ít hơn nhiều so với số người

sử dụng, nguồn thu chung đó được gọi là trạm gốc Việc đa truy nhập được thực hiện bằng cách chia sẻ trạm gốc đó cho mỗi người sử dụng Có 4 phương pháp đa truy nhập, đó là đa truy nhập phân chia theo tần số, theo thời gian, theo mã và đa truy nhập phân chia theo không gian Trong đa truy nhập phân chia theo tần số (Frequency-Division Multiple Access: FDMA), phổ tần số bị phân chia thành các đoạn và tương ứng với các đoạn đó là những người sử dụng khác nhau Trong kỹ thuật số thì đa truy nhập phân chia theo thời gian (Time-Division Multiple Access: TDMA) đã trở thành một phương pháp truy nhập thực tế Trong đó, mỗi một người sử dụng lần lượt được chia theo các khe thời gian khác nhau một cách định kỳ Do đó việc truyền tin của người sử dụng sẽ là không liên tục, điều này được thấy rõ bởi một máy phát số có thể chứa các bit nguồn và sau đó được phát đi với tốc độ truyền lớn hơn so với tốc độ mà chúng tạo ra Một phương pháp đa truy nhập nữa là đa truy nhập phân chia theo mã (Code-Division Multiple Access: CDMA) CDMA sử dụng trải phổ điều biến (có nghĩa là dạng sóng tín hiệu số của mỗi người sử dụng được trải rộng trên toàn bộ dải tần được phân chia cho tất cả những người sử dụng trong mạng) Mỗi tín hiệu phát được điều biến với một mã riêng biệt nhận diện người sử dụng đó Sau đó người nhận sẽ sử dụng mã thích hợp để phát hiện ra tín hiệu đó

Một dạng đa truy nhập khác phải kể đến đó là đa truy nhập phân chia theo không gian (Space-Division Multiple Access: SDMA) Mặc dù thuật ngữ này không được quan tâm nhiều trong các tài liệu mở nhưng trên thực tế SDMA được sử dụng rộng rãi trong thông tin vô tuyến Ví dụ như trong mạng điện thoại tế bào, trong đó bao phủ lên một vùng địa lý rộng lớn nào đó và ở

đó có một số lượng lớn các máy thu phát di động thì vùng đó được phân chia thành một số lượng lớn các cell Điều này cho phép tần số sóng mang như

nhau có thể được dùng lại ở các tế bào khác nhau Trên thực tế thì đây là dạng nguyên gốc của SDMA, trong đó tín hiệu được phát đi ở cùng tần số sóng mang nhưng ở các cell khác nhau được phân biệt bởi khoảng cách không gian nhằm làm giảm mức nhiễu đồng kênh Về nguyên tắc nếu có một số lượng lớn các cell trong vùng, có mức độ tái sử dụng tần số cao thì dung lượng hệ thống sau đó sẽ tăng lên Đây là một trong những lí do khiến tại sao microcell

và picocell được đề nghị sử dụng trong PCS Tuy nhiên, tiêu chuẩn được sử dụng cho việc xác định các tế bào đồng kênh là khoảng cách giữa chúng đủ rộng để nhiễu xuyên giữa các tế bào thấp hơn so với giới hạn có thể chấp nhận được Với mức công suất phát của trạm gốc được định trước, nhiễu xuyên giữa các tế bào sẽ giới hạn số lượng tế bào có thể triển khai trên một khu vực địa lý Người ta nhận thấy rằng, để tăng dung lượng của tế bào lên nhiều lần thì rất cần thiết phải có những cải tiến cho SDMA Ví dụ, các búp hình quạt 120 ở các tần số sóng mang khác nhau có thể được sử dụng trong ophạm vi một cell và mỗi một búp hình quạt đó được sử dụng để phục vụ cho cùng một số lượng người sử dụng như được minh hoạ trên Hình 1.1

Hình 1.1: Mô hình tế bào hình quạt 120 Tập hợp các tần số sóng mang khác o

nhau được sử dụng trong các hình quạt Những tần số này được tái

sử dụng lại trong các hình quạt khác ở tế bào khác Mô hình tái sử dụng tần số được chọn để cực tiểu hoá nhiễu.

Với một kế hoạch sử dụng hợp lý phổ tần số thì dung lượng được tăng

3 lần và tỉ số công suất sóng mang/nhiễu (Carrier-to-Interference Ratio: CIR) được tăng lên Về cơ bản, SDMA sử dụng các búp sóng có tăng ích lớn ở cùng tần số sóng mang được lái độc lập để cung cấp các dịch vụ riêng biệt cho nhiều người sử dụng trong phạm vi một tế bào, minh họa được chỉ ra trên Hình 1.2 Theo đó nhiều kết nối thông tin có thể được thực hiện một cách đồng thời giữa người sử dụng và trạm gốc Dạng mới nhất của SDMA thường

sử dụng dàn anten thích nghi Hệ thống loại này gần đây mới được chú ý tới trong các ứng dụng thông tin trên diện rộng Trong các ứng dụng thực tế, dàn thích nghi sử dụng phương pháp định hướng búp sóng số (sử dụng kỹ thuật

Trong thông tin vệ tinh, hiệu quả tần số được cải thiện bằng việc sử dụng các búp sóng định hướng của anten Việc sử dụng búp sóng định hướng chính là một dạng của SDMA, nó cho phép một vệ tinh thông tin đồng thời phủ nhiều tín hiệu cùng tần số trên các vùng khác nhau Ở Hình 1.3, vệ tinh đang tái sử dụng tần số để tăng dung lượng toàn thể của nó Phương pháp này thường cho ta một hệ số tái sử dụng tần số bằng số lượng các vết búp sóng độc lập Có thể cải thiện dung lượng nhiều hơn nữa bằng cách sử dụng chuyển mạch anten kết hợp đồng bộ với tốc độ khung TDMA, còn được gọi

là satellite-switched TDMA (SS/TDMA)

Hình 1.3: Thông tin vệ tinh có thể bao phủ đồng thời các vùng địa lý khác

nhau ở trên cùng một tần số sóng mang nhờ việc sử dụng các búp sóng hẹp độc lập (bóng hình tròn)

Để dung lượng SDMA hoặc mức tái sử dụng tần số là lớn nhất người ta mong muốn tạo ra một số lượng lớn các vết búp sóng hẹp di động có tăng ích cao được lái một cách độc lập Tuy nhiên, thật là khó để thu được mà lại sử dụng kỹ thuật định dạng búp sóng tương tự hiện đang được dùng trong các hệ thống anten thông tin vệ tinh Các anten vệ tinh thông thường chỉ tạo được một số lượng rất nhỏ các vết búp sóng cố định vị trí và vùng phủ Do đó, dung

lượng của SDMA bị giới hạn Để tạo ra các búp sóng có độ khuếch đại lớn độc lập thì kỹ thuật định dạng búp sóng tương tự tùy thuộc vào giới hạn trên

về mặt dung lượng Ở thời điểm hiện tại thì thật khó để xác định giới hạn trên

ở một mức chính xác nào đó Theo lý thuyết, đối với dàn phát xạ hướng trực tiếp và các máy thu phát được định vị trên từng phần tử của dàn thì dạng tạp

âm dàn được xác định một cách chính xác bởi tạp âm máy thu phát Nếu hệ thống này sử dụng công nghệ mạch in đa lớp để định dạng búp sóng ở mức độ thấp thì về mặt lý thuyết số lượng búp sóng tương tự có thể được định dạng là rất lớn Ở một điểm nào đó thì các thiệt hại trong việc định dạng búp sóng sẽ dẫn đến suy giảm chất lượng của hệ thống đó Với việc ứng dụng công nghệ mạch in đa lớp thì có thể tạo ra 16 búp sóng thông qua việc ghép nối các ma trận định dạng búp sóng Butler Vì nghĩ rằng với sự phát triển của kỹ thuật trong thời điểm đó thì có thể định dạng đến 50 búp sóng, do đó người ta đã đưa ra kiến nghị rằng nên giới hạn số lượng búp sóng cho bộ định dạng búp sóng tương tự là 100 búp sóng Vì một số lí do đảm bảo an toàn, người ta nhận thấy để định dạng 1000 búp sóng thì chỉ có thể sử dụng công nghệ định dạng búp sóng số Một số năm gần đây, các khái niệm về việc ứng dụng công nghệ DBF trong thông tin vệ tinh tương lai đã được đề cập đến như là cơ sở của công nghệ truyền thông Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, hệ thống thông tin vệ tinh có thể hỗ trợ đến 7000 kênh Với hệ số tái sử dụng tần số là 5, hệ thống đó có thể tạo ra 1400 kênh tần số độc lập Nếu mỗi kênh chiếm dụng một búp sóng thì sẽ phải có 7000 búp sóng sẽ phải được tạo ra Công nghệ định dạng búp sóng số là công nghệ duy nhất có khả năng tạo ra số lượng búp sóng định dạng lớn như vậy

1.3 Bộ định dạng búp sóng số (DBF – Digital Beamforming)

Các định nghĩa cơ sở của định dạng búp sóng số được phát triển trước hết hướng tới các ứng dụng trong các hệ thống sonar và radar DBF mô tả một

bước nhỏ trong quá trình hoạt động phức tạp của anten Nó dựa trên các khái niệm đã được thiết lập, các khái niệm này giờ đây có giá trị ứng dụng cao, có thể so sánh nó với các cải tiến gần đây như công nghệ xử lý tín hiệu số (Digital Signal Processing: DSP) và mạch tích hợp vi ba nguyên chiếc (Monolithic Microwave Integrated Circuit: MMIC) Công nghệ DBF đã được nghiên cứu đầy đủ để ứng dụng nâng cao chất lượng của hệ thống thông tin

vô tuyến Việc ứng dụng DBF không chỉ còn là khả năng mang tính lý thuyết

mà đã nhanh chóng trở thành hiện thực Hơn thế nữa, do yêu cầu nâng cao dung lượng của các hệ thống thông tin liên lạc nên đã nảy sinh việc kết hợp DBF trong các hệ thống vô tuyến tương lai

DBF là sự kết hợp giữa hai lĩnh vực kỹ thuật anten và kỹ thuật số Một

hệ thống anten DBF được mô tả như trong Hình 1.4 Nó bao gồm ba bộ phận chính là dàn anten, máy thu phát và bộ xử lý tín hiệu số

Hình 1.4: Hệ thống anten DBF

Trong một hệ thống anten DBF, các tín hiệu thu được được tách và số hóa từ các phần tử mức cơ sở Bằng cách điều chế thông tin vô tuyến theo dạng một chuỗi tín hiệu số, chúng ta đã mở ra một cánh cửa đi tới miền ứng dụng các thuật toán và các kỹ thuật xử lý tín hiệu trên miền không gian dữ

liệu Định dạng búp sóng số dựa trên việc giữ các tín hiệu vô tuyến ở trên mỗi phần tử anten và biến đổi chúng thành hai chuỗi tín hiệu băng gốc nhị phân (ví dụ như hai kênh đồng pha I và vuông pha Q) Quá trình biến đổi được thực hiện trên biên độ và pha của tín hiệu số băng gốc thu được trên từng phần tử của dàn Quá trình định dạng búp sóng được thực hiện bởi việc nhân trọng số với tín hiệu thu được, qua đó thay đổi được biên độ và pha của chúng trước khi cộng các tín hiệu đó với nhau Điều này có nghĩa là, các chức năng trước đây thường được thực hiện bởi các hệ thống định dạng búp sóng tương tự thì nay có thể được thực hiện bằng một bộ xử lý số Phương pháp này bảo vệ độ

mở của toàn bộ thông tin có sẵn Nó ngược với bộ định dạng búp sóng analog, chỉ thực hiện nhân trọng số và cộng các tín hiệu với nhau, do đó làm giảm tín

hiệu theo hướng từ K đến 1 (Hình 1.5) Điểm quan trọng của phương pháp

này là phải chuyển đổi chính xác tín hiệu tương tự thành tín hiệu số Để đảm bảo chuyển đổi chính xác, người ta sử dụng máy thu tín hiệu phách, tín hiệu này cần được biến đổi phù hợp với biên độ và pha của tín hiệu Việc này không yêu cầu phải biến đổi về phần cứng mà được thực hiện bằng một quá trình định cỡ giá trị của chuỗi dữ liệu trước khi định dạng búp sóng Máy thu thực hiện chuỗi chức năng như sau: đầu tiên là đổi tần xuống, lọc và khuếch đại, do đó mức tín hiệu sẽ phù hợp với yêu cầu đầu vào của bộ chuyển đổi tương tự-số (Analog-Digital Converter: ADC)

Lợi ích chính trong việc định dạng búp sóng dùng phương pháp số là mang lại tính mềm dẻo cao mà không làm giảm sút tỉ số công suất tín hiệu/tạp

âm (Signal-to-Noise Ratio: SNR) Trong nhiều trường hợp nó có thể được coi như là anten cơ bản, trong đó tất cả các thông tin đến bề mặt anten được thể hiện bằng các chuỗi số Tất cả các thông tin này được dùng để xử lý trong bộ định dạng búp sóng Có rất nhiều cấu hình thiết bị được sử dụng để thực hiện quá trình biến đổi số Vì cấu trúc bộ định dạng búp sóng được điều khiển bởi

phần mềm cho nên nó có tính mềm dẻo cao, ứng dụng rộng trong các dạng búp sóng bao gồm búp sóng quét, đa búp sóng, búp sóng được định dạng, và búp sóng lái tới điểm triệt tiêu.

Hình 1.5: Bộ định dạng búp sóng tương tự làm giảm số chiều tín hiệu từ K

chiều xuống 1 chiềuChúng ta thấy rằng bộ định dạng búp sóng có một số đặc điểm nổi bật như sau:

Thứ nhất là một số lượng lớn các búp sóng có độ khuếch đại lớn được lái theo các hướng khác nhau một cách độc lập mà không làm suy giảm tỉ số tín/tạp

Thứ hai là tất cả các thông tin đến dàn anten có thể tới được bộ xử lý tín hiệu để hiệu suất hệ thống đạt tối ưu

Thứ ba là các búp sóng có khả năng hướng về phía những người sử dụng khác nhau, nhờ đó độ khuếch đại là lớn nhất

Thứ tư là bộ định dạng búp sóng thích nghi có thể dễ dàng được thực thi

để cải thiện dung lượng hệ thống nhờ triệt nhiễu đồng kênh Các thuật toán

định dạng búp sóng được biểu diễn ở dạng toán học Bằng cách sử dụng bộ định dạng búp sóng thích nghi có thể làm hạn chế ảnh hưởng của pha-đinh đa đường.

Hơn nữa, các hệ thống DBF có thể thực hiện định cỡ thời gian thực cho hệ thống anten trong miền số Nhờ đó nó không đòi hỏi sự chính xác cao về biên

độ và pha bởi vì các sai lệch đó có thể được chỉnh sửa trong thời gian thực.Cuối cùng là bộ định dạng búp sóng số đem lại lợi ích lớn khi được sử dụng trong thông tin vệ tinh Sau khi vệ tinh được phóng đi, nếu thấy rằng hoạt động của bộ định dạng búp sóng cần phải được nâng cấp thì một phần mềm mới phù hợp sẽ được phát lên vệ tinh thông qua kênh vô tuyến để thay thế phần mềm cũ Điều này có nghĩa là thời gian sống của vệ tinh được kéo dài hơn và có thể được trang bị thêm một số chức năng mới trong quá trình nâng cấp

Tóm lại, công nghệ bộ định dạng búp sóng thích nghi cũng được đề cập đến như công nghệ anten thông minh trong một số tài liệu Do đó các tên gọi

“anten thích nghi” hay “anten thông minh” có thể thay thế cho nhau Tuy nhiên chúng ta sẽ sử dụng tên gọi “anten thích nghi” hay “định dạng búp sóng thích nghi” vì phần cơ bản tạo nên sự thích nghi của anten là bộ định dạng búp sóng thích nghi và tên gọi này đã được sử dụng trong một thời gian dài, được ứng dụng trong các lĩnh vực thông tin vệ tinh, radar và các bộ cảm biến điều khiển

1.4 Anten thích nghi là gì

Anten trạm gốc cho đến ngày nay vẫn thường là anten vô hướng hoặc anten

dẻ quạt Điều này gây nên một sự lãng phí công suất vì hầu hết chúng được phát xạ ra các hướng khác nhau hơn là về phía người sử dụng Thêm vào đó, công suất đã phát xạ ở những hướng khác đó sẽ là nguồn nhiễu gây nên cho những người sử dụng khác Ý tưởng về anten thích nghi sử dụng mô hình

anten trạm gốc không cố định và thích ứng với những điều kiện vô tuyến hiện thời đã ra đời Điều này có thể được hình dung như một anten chỉ hướng chùm tia về phía người sử dụng mong muốn Sự khác nhau giữa khái niệm anten cố định và anten thích nghi được minh hoạ ở Hình 1.6 Đối với anten cố định gồm 3 sector, giản đồ hướng anten được thu hẹp thành các góc 120 cố ođịnh Trong khi đó, anten thích nghi cho phép tạo nên búp sóng hẹp hướng về phía người sử dụng mong muốn Hơn thế nữa, búp sóng được tạo ra còn có thể thích nghi theo hướng chuyển động của người sử dụng Anten thích nghi

sẽ dẫn đến việc sử dụng có hiệu quả hơn về mặt công suất và phổ tần số, tăng công suất thu có ích cũng như làm giảm thiểu nhiễu

Hình 1.6: Minh hoạ sự khác nhau giữa mô hình phát xạ trạm gốc truyền

thống và trạm gốc anten thích nghi

Chúng ta hiểu thuật ngữ “anten thích nghi” là như thế nào? Lý thuyết

về anten thích nghi không phải là mới Công nghệ này có từ rất nhiều năm trước và đã được sử dụng trong cuộc chiến tranh điện tử (Electronic Warfare: EWF) như là một biện pháp đối phó với nhiễu điện từ Trong hệ thống rada quân sự, kỹ thuật tương tự cũng được sử dụng trong chiến tranh thế giới thứ

hai Trong nguyên tắc này có một số phương thức tạo ra búp sóng anten điều chỉnh thích nghi, chẳng hạn như anten được lái bằng cơ học.

Các nguồn nhiễu hiếm khi có cùng vị trí địa lý với người sử dụng Bằng cách khuyếch đại độ tăng ích theo hướng mong muốn, đồng thời cực tiểu hoá

mô hình phát xạ theo hướng của nguồn nhiễu, chất lượng của tuyến thông tin

có thể được cải thiện đáng kể Trong các hệ thống thông tin di động và cá nhân, nguồn nhiễu là những người sử dụng khác với những người hiện đang

sử dụng

Một định nghĩa phù hợp có thể cho ta thấy sự khác nhau cơ bản giữa anten thông minh/ thích nghi và anten không thông minh/ anten cố định, đó là đặc tính có búp sóng anten thích nghi so với búp sóng cố định Hình 1.7 minh hoạ khái niệm anten thích nghi

Hình 1.7: Mô tả nguyên tắc của anten thích nghi

Thông thường, thuật ngữ “anten” chỉ bao gồm một cơ chế chuyển đổi

cơ khí sóng điện từ tự do (Electro-Magnetic: EM) thành tín hiệu tần số vô tuyến (Radio-Frequency: RF) di chuyển trên cáp bọc và các phần tử phát xạ Đối với anten thích nghi, thuật ngữ “anten” có nghĩa mở rộng hơn Nó bao

gồm một số các phần tử phát xạ, mạng kết hợp/chia tách và khối điều khiển Khối điều khiển có thể được coi là trí tuệ của anten thích nghi, thường được thực hiện bằng cách sử dụng một bộ xử lý tín hiệu số (DSP) Bộ xử lý điều khiển thông số phi-đơ của anten, dựa trên một số đầu vào để tối ưu hoá tuyến thông tin Các tiêu chuẩn tối ưu khác nhau có thể được sử dụng và sẽ được giải thích trong mục tiếp theo Điều này chỉ ra rằng anten thích nghi khái quát hơn nhiều so với thuật ngữ “anten” thông thường.

Dựa vào định nghĩa ở trên, có thể xác định được “mức độ thông minh” của anten Một tập hợp các định nghĩa sử dụng được mô tả dưới đây và được minh hoạ ở Hình 1.8

Hình 1.8: Các mức độ thông minh của anten

• Búp sóng chuyển mạch (SL – Switched Lobe) hay còn gọi là chùm

sóng chuyển mạch Đây là kỹ thuật đơn giản nhất, chỉ bao gồm một chức năng chuyển mạch cơ bản giữa các anten định hướng khác nhau hoặc giữa các chùm sóng được xác định trước của một dàn anten Sự chuyển mạch nhằm chọn ra được hướng tốt nhất, thường trong giới hạn công suất thu được Bởi

sẽ đạt mức độ định hướng cao so với anten truyền thống, nhờ đó tăng ích thu

sẽ lớn hơn Như vậy, anten kiểu này sẽ dễ thực hiện trong cấu trúc tế bào

đang tồn tại hơn là dàn anten thích nghi phức tạp, tuy nhiên nó đem lại mức

độ cải thiện có giới hạn

• Dàn pha động (PA - Dynamically Phased Array): Bằng cách sử dụng

thuật toán DoA (Direction of Arrival - hướng của tia tới) cho tín hiệu thu được từ người sử dụng, có thể thực hiện bám thuê bao liên tục và có thể được xem như là sự khái quát hoá của chuyển mạch búp sóng Trong trường hợp này, công suất thu được là lớn nhất

• Dàn thích nghi (AA - Adaptive Antenna): Trong trường hợp này, thuật

toán DoA có thêm chức năng xác định hướng về phía nguồn nhiễu Biểu đồ phát xạ lúc này được điều chỉnh về mức 0 Thêm vào đó, bằng cách sử dụng thuật toán đặc biệt và kỹ thuật phân tập không gian, biểu đồ phát xạ có thể được điều chỉnh thích nghi kết hợp các tín hiệu đa đường, sau đó kết hợp chúng lại thành tín hiệu có ích Nhờ vậy tỷ số tín/nhiễu (Signal to Interference Ratio: SIR) hoặc tín/tạp âm và nhiễu (Signal to Interference plus Noise Ratio: SINR) sẽ đạt cực đại

Các hệ thống di động truyền thống thường sử dụng một số loại phân tập anten (phân tập không gian hoặc phân tập phân cực) Anten thích nghi có thể được coi như là kỹ thuật phân tập mở rộng, có hơn hai nhánh phân tập Trong trường hợp này, dàn pha động sẽ có lượng tăng ích lớn hơn nhiều so với anten chùm sóng chuyển mạch vì tất cả mọi phần tử đều được sử dụng cho việc kết hợp phân tập

1.5 Các lợi điểm của anten thông minh

• Cải thiện chất lượng tín hiệu

Nhờ việc sử dụng nhiều phần tử dàn thích nghi nên có thể cung cấp tăng ích anten phụ, điều đó phụ thuộc vào số lượng phần tử dàn sử dụng Do đó dẫn tới việc cải thiện tỉ số tín/nhiễu và tạp âm (SINR) Xác định đầu vào SNRin

nếu số lượng của nhiễu là nhỏ hơn số lượng mức độ tự do (Degree of Freedom: DoF) DoF=M −1, tín hiệu đầu ra SINR trong một môi trường truyền đơn (không có pha-đinh đa đường) có thể xác định như sau

SINRout dB = 10log M + 10log 2 + SNRin dBĐiều này cho thấy rằng tăng ích phân tập thêm 3dB thu được trong môi trường pha-đinh đa đường Trong môi trường giàu pha-đinh đa đường thì tăng ích phân tập thu được nhiều hơn Sơ đồ hình 1.9 cho thấy tín hiệu ra SNR ngược với số lượng phần tử dàn sử dụng

Hình 1.9: Tín hiệu đầu ra SNR ngược với số lượng phần tử dàn

• Tăng dung lượng hệ thống

Nguyên nhân cơ bản để anten thích nghi nhận được sự thu hút lớn chính là sự tăng dung lượng Hệ thống di động ở vùng đông dân cư thường bị giới hạn bởi nhiễu, nghĩa là nhiễu từ những người sử dụng là nguồn gây ra tạp âm chính đối với hệ thống Điều này cũng có nghĩa là tỷ số tín/nhiễu (SIR) lớn hơn nhiều so với tỷ số tín/tạp âm nhiệt (SNR) Anten thích nghi sẽ cân bằng ở mức trung bình, bằng cách tăng đồng thời mức độ tín hiệu thu có ích và giảm mức độ nhiễu, như vậy tỷ số SIR sẽ tăng Đặc biệt, dàn thích nghi sẽ cho một

sự cải thiện đáng kể Kết quả thực nghiệm cho thấy có thể tăng mức SIR trung bình lên tới 10 dB trong khu vực đô thị

Trong hệ thống TDMA, ý nghĩa của tăng tỷ số SIR chính là giảm khoảng cách tái sử dụng tần số Ví dụ được chỉ ra ở hình 1.10, trong đó cụm 7

tế bào thông thường được giảm xuống thành cụm 3 tế bào Như vậy sẽ làm cho dung lượng tăng 7/3 lần vì tất cả các tế bào sẽ được cấp phát tổng số lượng sóng mang nhiều hơn

Hình 1.10: Tăng dung lượng bằng cách giảm khoảng cách tái sử dụng tần số

a) Cụm 7 tế bào truyền thống

b) Số cụm cho phép nhờ giảm nhiễu bằng cách sử dụng anten thích nghi

Mô phỏng quá trình được thực hiện trên hệ thống mạng FH-GSM với khoảng cách tái sử dụng là 1/3, theo báo cáo về SFIR cho thấy việc tăng dung lượng lên tới 300% là có thể thực hiện được

Hệ thống CDMA, như trong IS-95 hoặc UMTS, cần hạn chế nhiễu nhiều hơn so với hệ thống TDMA Nguồn tạp âm chính trong hệ thống này chủ yếu là nhiễu từ những người sử dụng 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 phải lớn hơn so với TDMA Đối với CDMA thì dung lượng tăng lên 5 lần

• Tăng bán kính phủ sóng

Ở những vùng nông thôn và vùng dân cư thưa thớt, cần chú trọng đến sóng vô tuyến hơn so với dung lượng, điều này dẫn tới việc triển khai 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 vô hướng 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 đến hiệu quả hơn về mặt

chi phí Tăng ích anten so với anten một phần tử sẽ tăng lên bằng số lượng số phần tử dàn anten, ví dụ 8 phần tử dàn có thể tăng lượng tăng ích lên 8 lần (9dB).

Từ (1.2), rõ ràng rằng tăng ích dàn thu được bởi một dàn thích nghi là

10

10log

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 (Range Extension Factor: REF) cho bởi

α

Trong đó, r conv và r array là phạm vi bao phủ lần lượt bởi anten quy ước (với

phần tử đơn) và anten dàn (đa phần tử) Hệ số bao phủ vùng mở rộng (Extended area Coverage Factor: ECF) là

Hình 1.11: Mở rộng vùng phủ sóng nhờ anten thích nghi

• Công suất phát giảm

Như đã thấy ở trên, việc sử dụng dàn thích nghi có thể cho tăng ích dàn lớn, tăng ích này dẫn tới việc giảm công suất phát yêu cầu của trạm gốc Nếu bộ nhạy thu đòi hỏi như nhau thì công suất đáp ứng của trạm gốc dùng dàn M

phần tử được giảm bớt tới M−1 và do đó công suất đầu ra yêu cầu của bộ

khuếch đại công suất trạm gốc có thể được giảm tới M−2 Việc giảm công

suất phát là có lợi cho sức khỏe của con người, tuy nhiên giá trị để thực hiện

bộ khuếch đại công suất tần số cao thường rất đắt

• Khả năng triển khai các dịch vụ mới

Khi sử dụng anten thích nghi, mạng sẽ sử dụng vị trí thông tin không gian của người sử dụng Thông tin này được dùng để tính toán vị trí của người sử dụng

chính xác hơn nhiều so với việc xác định trong các mạng hiện thời Việc xác định vị trí có thể được sử dụng trong các dịch vụ như các cuộc gọi khẩn cấp

và tính cước theo vị trí Uỷ ban Thông tin Liên bang Mỹ (FCC) đã quyết định vào tháng 10 năm 2001, thông tin vị trí của người sử dụng phải được cung cấp với độ chính xác có sai số trung bình 125 m

• Bảo mật

Khi sử dụng anten thích nghi, việc nghe trộm sẽ khó khăn hơn nhiều Để có thể nghe trộm được thì kẻ xâm nhập phải ở cùng hướng với người sử dụng theo hướng nhìn từ trạm gốc xuống máy di động, xác suất thực hiện được điều này là rất bé so với không có điều kiện ràng buộc về không gian

• Giảm truyền dẫn đa đường

Bằng cách sử dụng anten có búp sóng hẹp tại trạm gốc, truyền dẫn đa đường phần nào sẽ được giảm thiểu Việc giảm thực tế tuỳ thuộc vào từng hoàn cảnh, và không đáng kể Mặc dù bộ san bằng kênh và máy thu RAKE hầu như thường xử lý, thậm chí khai thác thành phần đa đường, tuy nhiên không phải

sự giảm này luôn quan trọng đối với hệ thống, chẳng hạn như kết nối tốc độ cao Việc giảm truyền dẫn đa đường có thể giúp đơn giản hoá nhu cầu thiết kế modem trong tương lai

Mặc dù lợi ích từ việc sử dụng anten thích nghi trong thông tin di động

là rất lớn, nhưng đây là một công nghệ phức tạp nên việc thực hiện trên thực

tế gặp không ít khó khăn Sau đây là những vấn đề cơ bản đang cần được cải tiến, hoàn thiện để đưa công nghệ anten thích nghi áp dụng rộng rãi vào cuộc sống

• Sự phức tạp của thiết bị thu phát

Ta có thể nhận thấy ngay được là máy thu phát anten thích nghi phức tạp hơn rất nhiều so với máy thu phát trạm gốc truyền thống Anten thích nghi sẽ cần

một chuỗi các máy thu phát riêng rẽ cho mỗi phần tử anten và hiệu chỉnh thời 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 mẽ trên máy tính, đặc biệt khi dàn anten thích nghi được sử dụng Điều này có nghĩa

là phải có các bộ xử lý dữ liệu rất mạnh Đây là nhu cầu ngày càng lớn đối với việc phát triển các thuật toán hiệu quả để bám tín hiệu và tối ưu hoá thời gian thực Vì thế các trạm gốc anten thích nghi thường đắt hơn nhiều so với các trạm gốc thông thường

• Yêu cầu cao về điều hành mạng

Anten thích nghi chủ yếu là một công nghệ vô tuyến, nhưng chúng cũng đặt

ra những yêu cầu mới trong các chức năng mạng của hệ thống di động, chẳng hạn như quản lý di động và nguồn tài nguyên Khi một kết nối mới được thiết lập hay một kết nối đang tồn tại được chuyển giao cho trạm gốc mới, không

có thông tin về góc nào là sẵn sàng cho trạm gốc mới và việc “tìm thấy” trạm

di động là cần thiết

Có thể giải quyết điều này bằng cách cho trạm gốc liên tục quét qua tế bào với chùm sóng “tìm kiếm” để phát hiện các trạm di động cần tham gia kết nối mới hay một cuộc chuyển giao sắp xảy ra

Một khả năng khác là sử dụng hệ thống bên ngoài để xác định vị trí, chẳng hạn như hệ thống định vị toàn cầu GPS (Global Positioning System)

Ở mức độ một cuộc chuyển giao thì khả năng thứ 3 là các thông tin định hướng từ tế bào đang tồn tại được sử dụng để cung cấp một “sự suy đoán khoa học” về việc tế bào này chuyển kết nối đi cho tế bào nào

Như đã biết, SDMA bao gồm những người sử dụng khác nhau dùng cùng một kênh thông tin vật lý trong cùng 1 tế bào, chỉ phân biệt bởi góc Khi tồn tại xung đột về góc giữa những người sử dụng, một trong chúng sẽ nhanh chóng chuyển sang một kênh khác để kết nối không bị mất đi Điều này có

nghĩa là trong các hệ thống cung cấp SDMA một cách đầy đủ, sẽ có các quá trình chuyển giao trong tế bào nhiều hơn nhiều so với các hệ thống TDMA hay CDMA truyền thống, và như vậy là cần thiết phải kiểm soát qua mạng nhiều hơn, yêu cầu điều hành mạng cao hơn.

• Kích thước vật lý của anten thích nghi

Đối với anten thích nghi, để có được độ tăng ích chấp nhận được, cần thiết phải có một dàn anten với một số các phần tử nhất định Dàn tiêu biểu thực tế gồm có 6-10 phần tử phân biệt nằm ngang, được đề nghị cho môi trường di động bên ngoài trời Khoảng cách cần thiết giữa các phần tử là 0.4 – 0.5 độ dài bước sóng 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 khai anten thích nghi ở thuê bao di động

• Yêu cầu thiết kế vô tuyến và mô hình kênh không gian

Một khó khăn cho khâu thiết kế vô tuyến là do các đô thị nhỏ, các anten trạm gốc được đặt dưới các nóc nhà nên tín hiệu từ người sử dụng mong muốn và nguồn nhiễu đều có xu hướng đi dọc theo các hẻm, đường phố, như vậy sẽ rất khó khăn để phân biệt chúng về phương vị Trong trường hợp này rất cần các mẫu kênh không gian để làm các phép kiểm tra và giúp thiết kế vô tuyến cho

hệ thống sử dụng anten thích nghi Hiện nay các mô hình kênh không gian chưa đầy đủ, vì vậy có nhu cầu rất lớn về các mẫu kênh không gian chính xác, phù hợp với môi trường sử dụng anten thích nghi

1.6 Tóm tắt

Trong chương 1, chúng ta đã tìm hiểu khái niệm về anten thích nghi cũng như

sự cần thiết và lợi ích sử dụng anten thích nghi trong thông tin di động, tạo ra một cách nhìn toàn diện hơn về anten thích nghi trong hệ thống thực tế Đây

là những phần cơ bản nhất để giúp cho việc khảo sát các tiêu chuẩn tối ưu và các thuật toán thích nghi khi sử dụng anten thích nghi Vấn đề này sẽ được trình bày ở chương 2

CHƯƠNG 2

NGUYÊN TẮC CƠ BẢN CỦA ANTEN DÀN

Chương này giới thiệu những khái niệm cơ bản của anten dàn Cụ thể hơn, nó bao gồm mô hình tín hiệu dàn, các phương pháp tạo búp sóng thích nghi khác nhau, các tiêu chuẩn thực hiện tối ưu, và các thuật toán xử lý tín hiệu thích nghi của dàn thích nghi

2.1 Các khái niệm cơ bản

Một dàn thích nghi (Adaptive Array) là một hệ thống bao gồm một dàn các phần tử anten và bộ xử lý thích nghi thời gian thực có nhiệm vụ điều chỉnh hệ thống búp sóng một cách tự động nhờ việc điều khiển các trọng số theo hướng tối ưu hóa của một vài tiêu chuẩn cho trước và phù hợp với thuật toán

đã chọn Đôi khi dàn thích nghi cũng có thể được gọi là anten thích nghi (Adaptive Antenna: AA) hay anten thông minh (Smart Antenna) Cấu hình tiêu biểu của dàn thích nghi được minh họa trên Hình 2.1

Các phần tử anten có thể được sắp xếp theo những cấu hình hình học khác nhau mà phổ biến nhất là dạng tuyến tính, dạng hình tròn và dạng phẳng (Hình 2.2) Một dàn tuyến tính (Linear Array) bao gồm các phần tử dàn được sắp dọc theo một đường thẳng Nếu khoảng cách giữa các phần tử dàn liên tiếp bằng nhau thì nó được gọi là dàn tuyến tính cách đều (Uniformly spaced linear array) Tương tự như vậy, một dàn hình tròn (Circular Array) chứa các phần tử nằm trên một đường tròn Và cuối cùng, một dàn mặt phẳng (Planar Array) gồm các phần tử được đặt trên một mặt phẳng đơn Trong khi dàn tuyến tính và dàn hình tròn chỉ có thể thực hiện tạo búp sóng trong không gian

một chiều (mặt phẳng nằm ngang) thì dàn mặt phẳng được sử dụng để tạo búp sóng ở cả hai chiều (2-D) (cả mặt phẳng nằm ngang và thẳng đứng).

Mặc dù cấu hình hình học dàn là khác nhau nhưng nguyên tắc của các dàn thích nghi này là tương tự như nhau, để đơn giản thì việc phân tích và tổng hợp dàn cho dàn tuyến tính cách đều được xét đến dưới đây Mô hình toán học sau đó có thể được mở rộng cho các dạng hình học khác Vì vậy, đồ

án chỉ giới hạn việc nghiên cứu tới dàn tuyến tính cách đều

Hình 2.1: Dàn thích nghi với M phần tử

Hình 2.2: Các cấu hình hình học khác nhau của dàn thích nghi

2.2 Mô hình tín hiệu dàn

Xét dàn tuyến tính cách đều với M phần tử được minh họa trên Hình 2.3,

trong đó d là khoảng cách giữa các phần tử kề nhau.

Hình 2.3: Mô hình tín hiệu dàn thích nghi

a Dàn tuyến tính cách đều

Hướng mở dàn Hướng tia tới

Mặt phẳng tới

Giả thiết rằng có sóng phẳng tới dàn từ một hướng θ nào đó ở bên ngoài hướng mở của dàn Góc θ được đo theo chiều kim đồng hồ tính từ hướng mở dàn được gọi là hướng tới (Direction of Arrival: DOA) hoặc góc tới (Angle of Arrival: AOA) của tín hiệu thu Mặt sóng tới phần tử thứ m+1 chậm hơn so

với tới phần tử thứ m một khoảng là sin d θ Chúng ta lấy phần tử đầu tiên là phần tử tham chiếu và đặt tín hiệu trên phần tử tham chiếu là s t , khi đó trễ ( )

pha của tín hiệu ở phần tử thứ m so với phần tử thứ nhất là (m−1)kdsinθ , trong đó k 2π

Vectơ x( )t được gọi là vectơ dữ liệu đầu vào (Input data vector) và a( )θ

được xem như vectơ đáp ứng mảng (Array response vector) hay vectơ lái (Steering vector) Vectơ đáp ứng mảng trong trường hợp này chỉ phụ thuộc vào góc tới của tín hiệu thu Trong trường hợp chung, nó cũng phụ thuộc vào đáp ứng của các phần tử riêng biệt, dạng hình học dàn và tần số tín hiệu Tập