Dãy Antenna thích nghi và các ứng dụng trong truyền thông di động CDMA

Nếu chuyển giao cứng được sử dụng, điều này sẽ gây ra nhiễu dư thừa và giảm hiệu suất bởi vì các tín hiệu đến từ các trạm gốc khác nhau có độ lớn có thể so sánh được với trạm gốc hiện th

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

KHOA CÔNG NGHỆ

NGUYỄN HỮU QUỐC

DÃY ANTENNA THÍCH NGHI VÀ CÁC ỨNG DỤNG TRONG

TRUYỀN THÔNG DI ĐỘNG CDMA

LUẬN VĂN THẠC SỸ

Người hướng dẫn: GS.TS Phan Anh

Hà nội - 2003

Mục lục

Chương 1 Tổng quan trải phổ và công nghệ CDMA 1

I Giới thiệu chung 1

II Vai trò của DS-CDMA trong các hệ thống tế bào 3

III Các mục tiêu của IMT-2000 3

1 Đạt được tốc độ bit cao hơn 3

2 Nhiều dịch vụ đồng thời cho một thuê bao 4

3 Các dịch vụ yêu cầu QOS khác nhau .4

4 Hiệu quả sử dụng phổ cao 4

IV Kỹ thuật DS-CDMA 4

1 Mô hình hệ thống 4

2 Cấu trúc bộ phát 5

3 Cấu trúc bộ thu 6

V Mô hình kênh và bộ thu RAKE 7

VI Điều khiển Công suất 7

VII Các thuộc tính của dãy trực tiếp CDMA 10

1 Khả năng đa truy cập 10

2 Khả năng chống nhiễu trong trường hợp nhiễu băng hẹp 11

3 Loại bỏ nhiễu đa đường 12

4 Xác suất chặn thấp 12

5 Tính bảo mật 12

6 Các ưu điểm cài đặt 12

7 Tách tín hiệu đa thuê bao 13

8 Chuyển giao mềm 13

9 Lập kế hoạch hệ thống đơn giản 15

10 Chất lượng cuộc gọi được cải thiện 15

11 Cải thiện vùng phủ sóng 15

12 Độ rông băng theo yêu cầu 15

13 Tăng thời gian sống(talk time) 16

14 Giải quyết nghẽn mềm 16

15 Độ lợi dung lượng 16

16 Dung lượng đường xuống trong hệ thống tế bào CDMA 17

17 Dung lượng tuyến lên 18

18 Dung lượng Erlang của đường xuống 19

VIII Kết Luận 20

1 Ưu điểm 20

2 Nhược điểm 20

Chương 2 smart anten và ứng dụng trong hệ thống CDMA 22

I Hệ thống Anten 22

1 khái niệm về hệ thống Anten và anten thông minh 22

2 Một số khái niệm cơ bản có liên quan 22

3 Một số kiểu anten dùng trong thông tin di động 24

II Hệ thống anten thông minh .27

1 Các anten chuyển mạch búp sóng 27

2 Dàn anten định pha động .28

3 Dàn anten thích nghi 29

4 So sánh hai công nghệ búp chuyển mạch búp sóng và anten thích nghi 32

III ưu điểm của Smart Anten ứng dụng trong CDMA 33

1 Tổng hợp dải quạt 34

2 Độ lợi dung lượng 35

3 Giảm chuyển giao 35

Chương 3 Các thuật toán ứng dụng trong smart anten 36

I Các thuật toán thích nghi trong việc tạo dạng búp sóng 36

1 Tia tới tại dãy anten 36

2 Các kiểu bộ tạo dạng búp sóng 37

3 Thuật toán thích nghi dùng xử lý triệt búp sóng 40

II Các thuật toán đánh giá hướng tới (DOA-Direction Of Arrival) 43

1 Các phương pháp đánh giá DoA 43

2 Thuật toán MUSIC(Multiple Signal Classification) 47

3 Thuật toán ESPRIT-Đánh giá các tham số tín hiệu qua các kỹ thuật quay vòng bất biến 49

Chươgn 4 Chương trình mô phỏng 51

I Cài đặt hệ thống 51

1 Mô hình hệ thống 51

2 Bộ phát 56

3 Mô hình kênh vô tuyến 63

4 Bộ thu 66

II Đánh giá kết quả 70

1 Trường hợp không sử dụng anten thông minh 70

2 Trường hợp sử dụng anten thông minh 76

3 Kết luận và định hướng tiếp theo 80

Tài liệu tham khảo 82

Phụ lục 83

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TRẢI PHỔ VÀ CÔNG NGHỆ CDMA

I GIỚI THIỆU CHUNG

Con người mong muốn có thể nói chuyện được với nhau hoặc kết nối tới Internet

và gửi e-mail vào bất kỳ lúc nào, ở bất kỳ đâu Truyền thông không dây có thể làm điều này dễ dàng Tuy nhiên, vì phổ tần là khan hiếm, việc phân bổ một cách có hiệu quả môi trường truyền dẫn không gian có hạn chế này cho nhiều thuê bao là rất quan trọng Hiện nay có nhiều lược đồ đa truy cập Một trong số chúng là đa truy cập phân chia theo tần số(FDMA) Bằng phương pháp này, băng tần sẵn có được chia thành một

số các kênh tần số, mỗi kênh được cấp cho một thuê bao Lược đồ thứ hai là đa truy cập phân chia theo thời gian(TDMA), trong lược đồ này, thuê bao được phục vụ thứ tự theo thời gian Lược đồ thứ ba sẽ được tìm hiểu trong luận văn này, đó là lược đồ đa truy cập phân chia theo mã, CDMA Trong hệ thống CDMA, thuê bao được sử dụng toàn bộ phổ tần số sẵn có trong toàn bộ thời gian Thuê bao này được phân biệt với các thuê bao khác vì mỗi thuê bao có một mã giả ngẫu nhiên riêng Mã này không tương quan với các mã của các thuê bao khác đang thực hiện trên cùng một băng tần Hơn nữa, nó có thêm thuộc tính tự tương quan tốt

Có một vài lược đồ CDMA khác nhau Thông dụng nhất là trải phổ nhảy tần(FH)

và trải phổ dãy trực tiếp(DS-CDMA)

- Trong FH, mã giả ngẫu nhiên xác định tần số phát tức thời Bộ phát thay đổi tần

số phát theo chu kỳ nhảy tần Độ rộng băng tại bất kỳ lúc nào đều là nhỏ Tuy nhiên , băng tần tổng cộng là sự chồng chất tức thời các băng tần và vì vậy là lớn

Trong DS-CDMA, tại bộ phát, dòng dữ liệu lưỡng cực băng hẹp của thuê bao được nhân với một mã duy nhất và được gửi như một tín hiệu băng rộng Tại bộ thu, trong tầng đầu tiên, tín hiệu nhận được là sự chồng chất của dữ liệu băng rộng và nhiễu của tất cả thuê bao được nhân lại với mã của thuê bao đã phát Vì các mã của các thuê bao khác không tương quan với mã này, nên các tín hiệu vẫn ở lại trong vùng băng rộng, trong khi đó tín hiệu của thuê bao đã phát được chuyển lại thành tín hiệu băng hẹp gốc như lúc ban đầu

Trong luận văn này, tôi sẽ tập trung vào DS-CDMA và các thuộc tính của nó khi

nó được ứng dụng cho hệ thống tế bào Nó là công nghệ được lựa chọn cho các hệ thống tế bào băng rộng thế hệ 3

II VAI TRÕ CỦA DS-CDMA TRONG CÁC HỆ THỐNG TẾ BÀO

Đầu tiên, CDMA được sử dụng trong các ứng dụng quân sự Mục đích là muốn chống lại các nhiễu có chủ ý Vào thập kỷ 80, Qualcomm đã điều tra nghiên cứu khả năng áp dụng của DS-CDMA vào truyền thông tế bào Cuối cùng, họ đã giới thiệu chuẩn CDMA IS-95 băng hẹp vào năm 1993, và cũng chính trong năm này hoạt động thương mại trong lĩnh vực di động bắt đầu Từ năm 1990, các kỹ thuật CDMA được nghiên cứu và bây giờ các hệ thống tế bào CDMA được sử dụng ở Mỹ và Hàn quốc và

hy vọng sẽ bắt đầu ở Thỗ nhĩ kỳ vào năm 2005 Các hệ thống tế bào thế hệ 3 the o tiêu chuẩn IMT-2000 và UMTS ở châu âu sẽ mang đến dịch vụ chất lượng cao so với dịch

vụ của các hệ thống băng hẹp như GSM

Các hệ thống tế bào băng rộng có nhiều mục tiêu cần đạt như liệt kê dưới đây III CÁC MỤC TIÊU CỦA IMT-2000

1 Đạt được tốc độ bit cao hơn

- Mở rộng hoàn toàn độ bao phủ và tính di động cho thuê bao tại tốc độ 144kbps (tốc độ cơ sở ISDN), tốt hơn nữa là 384kbps (tốc độ cơ bản ISDN)

- Với tốc độ 2Mbps có hạn chế hơn về che phủ và di động

Tuy nhiên, nhu cầu mô hình thương mại sẽ xác định các tốc độ bit dữ liệu thực tế Hình 1 chỉ ra các tốc độ dữ liệu, mà các hệ thống tế bào khác nhau đưa ra tại các mức

di động khác nhau

Giới thiệu các dịch vụ mới mềm dẻo hơn

Hình 1: Tốc độ dữ liệu của các hệ thống tế bào khác nhau

2 Nhiều dịch vụ đồng thời cho một thuê bao

3 Các dịch vụ yêu cầu QOS khác nhau

4 Hiệu quả sử dụng phổ cao

IV KỸ THUẬT DS-CDMA

1 Mô hình hệ thống

Chúng ta sẽ bắt đầu từ nguyê n lý của hệ thống CDMA

Giả sử có N nguồn phát cùng chia sẻ giao diện không gian chung Bất kỳ nguồn

nào, chẳng hạn nguồn thứ i, muốn gửi dữ liệu Trong hình 2, S ni mô tả một tín hiệu băng hẹp cấn gửi đi Một xử lý trải phổ i () sẽ biến đổi tín hiệu băng hẹp tại điểm a

thành tín hiệu băng rộng tại điểm b, điểm b là đầu ra của anten phát Trong kênh

truyền, tín hiệu băng rộng Swi đƣợc trộn với N-1 tín hiệu băng rộng khác và với nhiễu

Một xử lý thu hẹp phổ i () tại bộ thu biến đổi thông tin băng rộng S wi thành tín hiệu

băng hẹp S ni và giữ các tín hiệu băng rộng khác vẫn ở lại trong vùng băng rộng Tỷ lệ phổ của các tín hiệu băng rộng và phổ nhiễu trong độ rộng băng thông tin cộng lên nhƣ

nhiễu cho S ni

Trên kênh, tất cả các tín hiệu băng rộng tạo ra tín hiệu băng rộng tổng cộng ∑S wk

∑Swk = ∑ k(Snk), k : Thuê bao thứ k trong cùng băng tần

k k k : Xử lý trải phổ của thuê bao thứ k

Tại bộ thu, xử lý thu hẹp phổ đƣợc thực hiện:

i -1

(∑Swk) = Sni + ∑ Swik

SW channel

inv{ i ( )} = i() Sni

n(t) i(t)

Hình 2 : Mô hình hệ thống truyền thông trải phổ CDMA

Bộ phát được cấu thành từ bộ trải phổ(bộ nhân) và bộ điều chế Sơ đồ khối của bộ

phát được chỉ ra trong hình 3 Nguồn dữ liệu S n (t) là một tín hiệu lưỡng cực có giá trị ±

1 trong một chu kỳ bit Tb Nó được nhân với tín hiệu trải phổ tần số cao hơn C(t), cũng là một tín hiệu lưỡng cực với giá trị ± 1 C(t) có chu kỳ Tc, được gọi là chu kỳ chip Tc thông thường nhỏ hơn nhiều Tb

Một ví dụ trải phổ được chỉ ra trong hình 4 Tín hiệu ra là S c (t) Tb là bội số của Tc

Hệ số nhân thực tế là độ dài mã Trong ví dụ này độ dài mã là 12

S c (t) là một tín hiệu băng rộng trong khi đó tín hiệu gốc S n (t) là một tín hiệu băng

hẹp Từ hình 4, chúng ta hiểu rằng độ rộng băng của S c (t) được xác định bởi C(t)

không phải S n (t) Vì vậy, việc tăng hệ số nhân Tb/Tc, sẽ làm tăng độ rộng băng S c (t),

và được cung cấp cho bộ điều chế Bộ điều chế có thể là các kiểu như bộ điều chế BPSK, QPSK, MSK Bộ điều chế này chuyển tín hiệu băng gốc sang một băng tần cao

3 Cấu trúc bộ thu

Bộ thu thực hiện chuyển ngược cái mà bộ phát thực hiện Nó thu hẹp phổ và giải điều chế tín hiệu thu được Nó cũng nên có một khối thực hiện đồng bộ, và sơ đồ khối của bộ thu được chỉ ra trong hình 5

Tại đầu ra của bộ thu sẽ thu được tổng các tín hiệu gốc, các tín hiệu nhiễu tương quan thấp và nhiễu

S w (t)

C(t) = +-1

Data Modulator (BPSK,QPSK,MSK,

.)

Carrier Generato

V MÔ HÌNH KÊNH VÀ BỘ THU RAKE

Kênh di động thường là kênh đa đường Vì thuộc tính vỗn dĩ tự tương quan tốt của

mã CDMA, nên nó có khả năng loại bỏ các thành phần đa đường tại bộ thu nhờ hệ số

độ lợi xử lý Gp Tuy nhiên, tiện lợi hơn nữa có thể thu được nếu các thành phần đa đường được kết hợp bởi một bộ thu Rake Một ví dụ mô hình kênh đa đường và cấu trúc bộ thu Rake tương ứng được chỉ ra trong hình 6

VI ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT

Đây là vấn đề được quan tâm trong luận văn này

Trong tuyến lên(từ máy di động tới trạm gốc), tín hiệu thu được từ một thuê bao gần sẽ là mạnh hơn tín hiệu thu được từ một thuê bao ở xa Đây là một vấn đề, bời vì thuê bao gần sẽ gây nhiễu cao cho tín hiệu của thuê bao ở xa Điều này được gọi là hiệu ứng xa-gần Để nhằm tránh điều này, điều khiển công suất nên được ứng dụng để công suất thu được trung bình từ tất cả thuê bao là như nhau

Data DeModulator

Carrier Generato

r

r(t)

Sn(t) + I(t)+n(t)

Despreading

Hình 6 a : Mô hình kênh đa đường

Kênh di động là kênh đa đường truyền dẫn các bản tin bị suy hao và trễ i ∑i biểu

thị trễ của thành phần đa đường thứ i và ai biểu thị suy hao của nó trong kênh Một

số hữu hạn các thành phần đa đường có công suất đáng kể Trong ví dụ này có ba thành phần

Hình 6 b : Sơ đồ khối của bộ thu Rake

Bộ thu Rake giành một nhánh cho mỗi thành phần đa đường Trong mỗi nhánh, tín hiệu thu được là tương quan với mã trải được đồng bộ

Các đầu ra được xử lý theo trọng số với các hệ số suy hao và sau đó lại kết hợp với nhau Vì đặc tính tự nhiên thay đổi theo thời gian của kênh di động, nên trễ và suy hao cũng thay đổi; vì vậy các hệ số của bộ thu Rake nên thay đổi theo hướng thích nghi

a 1

Trên đường xuống, vì tất cả các tín hiệu lan truyền qua cùng một kênh, chúng được thu bởi trạm di động với công suất ngang nhau Vì vậy, điều khiển công suất để loại bỏ hiệu ứng xa gần là không cần thiết Tuy nhiên điều khiển công suất có thể được ứng dụng để tránh nhiễu giữa tế bào này với các tế bào lân cận

Để bổ sung thêm cho việc tránh nhiễu có thể điều khiển công suất để bù vào mức mất mát của tín hiệu Cho rằng tín hiệu sẽ suy yếu một cách rõ rệt, nên nó có thể chuyển kênh fading thành kênh nhiễu trắng theo luật Gauss(AWGN) Hơn nữa, điều khiển công suất được sử dụng để giảm ảnh hưởng các hiệu ứng màn chắn(từ các vật cản nằm trên đường truyền giữa trạm gốc và trạm di động) và đảm bảo năng lượng phát thu tại thuê bao đạt mức tối thiểu Điều này sẽ kéo dài tuổi thọ của bộ pin trong các máy cầm tay

Có hai kiểu điều khiển công suất:

a Điều khiển công suất mạch hở(Open-loop Power Control, hay điều khiển

độ lợi tự động)

Trước khi trao đổi thông tin, trạm di động giám sát công suất tổng cộng nhận được

từ trạm gốc Công suất đo được cung cấp một thông báo khả năng liệu có dừng trao đổi của mỗi trạm di động hay không Trạm di động điều chỉnh công suất phát để nó tỷ

lệ nghịch với công suất tín hiệu tổng cộng mà nó thu được Nó có thể là cần thiết để điều khiển công suất tốt cho một dải động lên đến 80 dB

b Điều khiển công suất vòng kín(Closed Loop Power Control)

Đây là một phương pháp điều khiển công suất dài hạn hiệu quả hơn Trạm gốc cung cấp phản hồi liên tục cho mỗi trạm di động để trạm di động thay đổi công suất tương ứng Trạm gốc sẽ đánh giá công suất tín hiệu của thuê bao trên đường xuống và

so sánh nó với ngưỡng danh định mong muốn Dựa trên thông tin nếu nó cao hơn hay nhỏ hơn ngưỡng này, trạm gốc phát lệnh một bit “1” tới trạm di động để giảm hoặc tăng công suất phát theo một mức cố định Điều này được gọi là vòng điều khiển bang-bang Nếu điều chỉnh công suất theo fading đa đường nhanh, tốc độ điều khiển công suất phải cao hơn khoảng mười lần tốc độ fading cực đại

Trong một hệ thống thực, thường người ta kết hợp hai phương thức này

VII CÁC THUỘC TÍNH CỦA DÃY TRỰC TIẾP CDMA

1 Khả năng đa truy cập

Nếu có nhiều thuê bao trong kênh, thì sẽ có nhiều tín hiệu dãy trực tiếp DS chồng chất theo cả thời gian và tần số Cho rằng các tương quan chéo giữa mã của thuê bao mong đợi và các thuê bao khác là nhỏ, công suất nhiễu tại đầu ra của bộ thu sẽ nhỏ

hơn nhiều công suất tín hiệu mong muốn

Một ví dụ về khả năng đa truy cập kiểu kỹ thuật dãy trực tiếp DS-CDMA được chỉ

ra trong hình 7

Hình 7 : Ví dụ khả năng đa truy cập trình bày trong miền tần số

1 Tín hiệu phát:

Tín hiệu phát Sni(t) là tín hiệu băng

hẹp Mật độ phổ công suất PSD của

Sni(t) chiế m độ rộng băng Bi

f

Sn i n i (f)

2 Sau khi trải phổ:

Tín hiệu chiế m độ rộng băng cao hơn nhiều lần sau khi nó được trải

ra Mật độ phổ công suấtcủa nó lại nhỏ hơn sàn nhiễu

f

Sw i w i (f)

Sn i n i (f) + Sii(f)

4 Sau khi co phổ:

Co phổ khôi phục tín hiệu băng hẹp mong muốn Các tín h iệu băng rộng khác bị loại bỏ, nhiễu chỉ còn

trong băng thông tin Bi

f

Bi

f Sww(f)

3 Trên kênh truyền:

Tín hiệu băng rộng Swi(t) bị trộn

với các tín h iệu băng rộng của các

thuê bao khác trong kênh

2 Khả năng chống nhiễu trong trường hợp nhiễu băng hẹp

Nếu có nhiễu chủ động băng hẹp trên kênh, thì nhiễu này sẽ bị loại bỏ nhờ khối co phổ hẹp tại bộ thu Khối co hẹp phổ chuyển dữ liệu thuê bao băng rộng th ành dạng băng hẹp Tuy nhiên, vì xử lý co hẹp, thực tế là phép nhân, giống như xử lý trải phổ, nên nó đã trải tín hiệu nhiễu băng hẹp ra Do vậy, ảnh hưởng của dữ liệu nhiễu bị giảm Khả năng chống nhiễu của CDMA được chỉ ra trong hình 8

f

In

Sw

fIw

Sn

f

Sn + Iwr

Trên kênh truyền:

Trên kênh truyền tồn tại dữ liệu thuê bao băng rộng và dữ liệu nhiễu chủ động băng hẹp Như hình bên, nhiễu bị bóp méo chỉ là một phần nhỏ phổ của người dùng

Sau khi lọc thông dải:

Lọc : F(Sn+Iw) = Sn + Iwr

Chỉ còn một phần nhỏ công suất tín hiệu nhiễu truyền qua bộ lọc Tỷ lệ công suất nhiễu tổng thể và nhiễu ảnh hưởng có thể

được xác định theo tỷ lệ với Gp=Bw/Bn Đại

lượng này được gọi là độ lợi xử lý

Bw

BnHình 8 : Khả năng chống nhiễu trong trường hợp băng hẹp

Độ lợi xử lý Gp cho phép đánh giá có bao nhiêu tín hiệu nhiễu bị triệt Nếu mức nhiễu là quá cao, lược đồ được chỉ ra trong hình 8 có thể không đủ để khử ảnh hưởng của tín hiệu nhiễu Trong trường hợp này, xử lý lọc băng chặn dưới nên được áp dụng trước khi co hẹp phổ Điều này có thể, nếu băng tần hẹp của tín hiệu nhiễu được biết bởi đâu thu Đáng tiếc, khi bộ lọc này được áp dụng, tín hiệu của thuê bao mong muốn cũng bị mất mát Điều này có thể phải gánh chịu nếu tỷ lệ băng tần này với băng tần của thuê bao băng rộng tổng cộng là nhỏ hơn 1/5

Trước đây, xử lý tiền lọc hầu như được sử dụng trong lĩnh vực quân sự Ngày nay,

nó cũng được sử dụng trong các mạng kiểu CDMA Trong các mạng này, tín hiệu CDMA đồng tồn tại với các tín hiệu băng hẹp Các tín hiệu băng hẹp mức cao bị khử tại bộ thu bằng xử lýtiền lọc và trải phổ

3 Loại bỏ nhiễu đa đường

Một cách lý tưởng, dãy mã tốt cần có các thuộc tính sau:

- Hầu như không có tương quan chéo giữa các mã này Đây là chìa khoá của hệ thống CDMA, dựa trên các yêu cầu của chúng ta khi thảo luận khả năng đa truy cập và loại bỏ nhiễu băng hẹp

- Thuộc tính tự tương quan tốt có thể giải thích rằng dãy mã không nên có khả năng tự tương quan ngoài khoảng [-Tc,Tc] với Tc là khoảng chip

Nếu thuộc tính thứ hai thoả mãn, thì bộ thu xử lý các tín hiệu vào theo các đường khác bị trễ hơn 2Tc như các tín hiệu nhiễu và loại bỏ chúng

6 Các ưu điểm cài đặt

- Tín hiệu được mã hoá được tạo dễ dàng vì nó chỉ cần một phép nhân

- Tạo sóng mang là đơn giản, chỉ cần một tần số sóng mang

- Không đồng bộ là cần thiết cho nhiều thuê bao

7 Tách tín hiệu đa thuê bao

Các bộ thu CDMA sử dụng bộ thu RAKE coi tín hiệu của các thuê bao khác như nhiễu Điều này có nghĩa khi một vài thuê bao khác thâm nhập vào mạng, chất lượng dịch vụ suy giảm Tuy nhiên trong các bộ thu tối ưu, tất cả các tín hiệu sẽ bị tách cùng nhau và các tín hiệu nhiễu bị loại bỏ Điều này có thể được dựa trên vì các thuộc tính tương quan đã biết và cũng nói lên rằng có thể làm chủ được nhiễu

Tách tín hiệu đa thuê bao làm giảm ảnh hưởng nhiễu MAI(multiple access interference) và vì vậy giảm dung lượng Bên cạnh đó, nó giúp giải quyết bài toán gần-

xa nhờ việc tách tín hiệu mang công suất cao gần với trạm gốc và loại bỏ từ tín hiệu vào Tuy nhiên, điều này là rất phức tạp và thực tế không thể thiết lập được Vì vậy một vài bộ thu kèm các điều kiện tối ưu(suboptimum) được sử dụng Một trong chúng

là bộ thu khử nhiễu Nó đánh giá MAI và trừ bỏ khỏi tín hiệu thu được

8 Chuyển giao mềm

Trong các hệ thống tế bào dùng công nghệ FDMA, các tế bào lân cận sử dụng các tập tần số khác nhau Khi công suất tín hiệu thu của một đơn vị di động từ một trạm gốc lân cận vượt quá công suất tín hiệu trạm gốc của tế bào hiện thời theo một ngưỡng nào đó, đơn vị di động dừng trao đổi với trạm gốc hiện thời và kết nối tới trạm láng riềng Điều này được gọi là chuyển giao cứng(hard handover)

Trong hệ thống CDMA, các tế bào lân cận sử dụng cùng một băng tần Nếu chuyển giao cứng được sử dụng, điều này sẽ gây ra nhiễu dư thừa và giảm hiệu suất bởi vì các tín hiệu đến từ các trạm gốc khác nhau có độ lớn có thể so sánh được với trạm gốc hiện thời Thay cho điều này, phương pháp chuyển giao khác là chuyển giao mềm được sử dụng Trong phương pháp này, đơn vị di động bước vào trạng thái chuyển giao mềm khi độ lớn tín hiệu của tế bào lân cận vượt quá ngưỡng nào đó nhưng vẫn dưới mức của trạm hiện thời Trong trạng thái chuyển giao mềm, trạm di động được phép kết nối tới cả hai trạm và công suất phát của nó được điều khiển bởi trạm gốc có

độ lớn tín hiệu cao hơn Hình 9 minh hoạ chuyển giao mềm

CDMA là rất phù hợp cho chuyển giao mềm Trong tuyến lên, hai hoặc nhiều trạm gốc có thể nhận được tín hiệu của một trạm di động và trên đường xuống, đơn vị di động có thể thu kết hợp các tín hiệu từ các thuê bao khác nhờ bộ thu RAKE Điều này được gọi là tính thu phân tập quy mô lớn

CDMA cũng đề xuất các chuyển giao mềm hơn (softer handoffs) Một chuyển giao mềm hơn xảy ra khi một thuê bao đang giao tiếp đồng thời với một vài dải quạt(sector) trong cùng một tế bào

Các ưu điểm của chuyển giao như dưới đây:

- Chuyển giao mềm loại bỏ sự ngắt quãng rất ngắn trong lúc chuyển giao của âm thoại xảy ra với các công nghệ khác CDMA

- Một vài hệ thống tế bào chịu các hiệu ứng nhảy qua lại (pingpong) , tức là một cuộc gọi có thể chuyển sang hay về giữa hai tế bào khi đơn vị thuê bao đang ở biên giới giữa hai tế bào Trường hợp xấu nhất là làm rớt cuộc gọi nếu không cũng gây ra chuyển giao lộn xộn(noisier) Các chuyển giao CDMA tránh được hoàn toàn hiệu ứng này Cuối cùng, cuộc gọi CDMA có thể nằm trong một điều kiện chuyển giao mềm với ba tế bào tại cùng thời điểm Do vậy cơ hội mất kết nối sẽ giảm đáng kể

BSC

Base Station Base Station

Base Station Controller

Mobile Unit Hình 9 : Chuyển giao mềm với hai trạm gốc

Trong đường lên, tín hiệu trạm di động được thu bởi hai trạm gốc, sau đó được chuyển tới điểm kết hợp được gọi là bộ điều khiển trạm gốc để đánh giá Trong đường xuống, cùng một thông tin được phát qua cả hai trạm gốc tới đơn vị di động, cái mà xử lý chúng như các tín hiệu đa đường và kết hợp chúng

9 Lập kế hoạch hệ thống đơn giản

- Không cần lập kế hoạch chi tiết

- Không cần điều chỉnh tần số nhằm mở rộng hệ thống Tuy nhiên khi được bổ sung như một sự chống chất trong hệ thống tương tự đang tồn tại, kế hoạch tần

số sẽ được yêu cầu để xoá phổ cho các sóng mang CDMA

10 Chất lượng cuộc gọi được cải thiện

Các hệ thống tế bào cơ sở CDMA có chất lượng thoại tốt hơn và ít bị rớt cuộc gọi hơn so với các hệ thống khác Đó là vì:

- Khả năng phát hiện lỗi và sửa lỗi cao

- Các vocoders cung cấp mã tốc độ cao và giảm nhiễu nền

- Sử dụng nhiều kiểu phân tập để tăng chất lượng thoại

- Phân tập tần số (giảm khả năng chọn lọc tần số)

o Phân tập không gian( Dùng hai anten thu)

o Phân tập tuyến (Bộ thu Rake cải tiến thu một tín hiệu trải qua nhiễu đa đường và cải tiến chất lượng âm thanh)

o Phân tập thời gian (chèn và mã hoá)

- Chuyển giao mềm góp phần nâng cao chất lượng thoại

- Điều khiển công suất chính xác đảm bảo tất cả các trạm di động hoạt động rất gần với mức năng lượng tối ưu, để cung cấp chất lượng thoại cao nhất có thể

11 Cải thiện vùng phủ sóng

Khi mới đưa hệ thống vào hoạt động, có rất ít thuê bao bởi vậy rất ít tế bào được yêu cầu xử lý lưu lượng Tuy nhiên, điều này vẫn cần thiết để cung cấp phạm vi phủ sóng ban đầu rộng

Một tế bào CDMA có vùng phủ sóng rộng hơn các tế bào số hoặc tương tự Do vậy, rất ít các tế bào CDMA được yêu cầu phủ sóng cùng diện tích

12 Độ rông băng theo yêu cầu

Một kênh CDMA băng rộng sử dụng một tài nguyên chung mà tất cả các trạm di động trong một hệ thống cùng sử dụng, dựa trên những nhu cầu riêng của chúng, ví dụ truyền thoại, dữ liệu, fax hoặc các ứng dụng khác Tại bất kỳ một thời điểm cho trước nào tỷ lệ độ rộng băng không được sử dụng bởi một máy di động xác định trước là sẵn

sàng cho máy di động bất kỳ khác Điều này cung cấp mềm dẻo một dung lượng tài nguyên rất lớn

13 Tăng thời gian sống(talk time)

Bởi vì việc điều khiển công suất chính xác và các đặc trưng hệ thống khác, các đơn

vị thuê bao thường chỉ phát một phần nhỏ công suất so với điện thoại tương tự và TDMA Điều này sẽ cho phép tiết kiệm năng lượng của bộ PIN và thời gian đàm thoại lâu hơn

14 Giải quyết nghẽn mềm

Trong CDMA, không có giới hạn số thuê bao như trong TDMA và FDMA Hiệu suất của hệ thống sẽ giảm khi số thuê bao đang hoạt động tăng Khi số thuê bao vượt quá mức nào đó, nhiễu gẫy cho âm thoại trở nên khó nghe và hệ thống mất ổn định Tuy nhiên, trong CDMA điều kiện có thể được nới lỏng, gọi là “soft blocking ”, ngược lại với điều kiện “hard blocking ” trong FDMA và TDMA, tất cả các kênh đều bị chiếm giữ

15 Độ lợi dung lượng

Trong các hệ thống tế bào, có thể đạt được độ lợi dung lượng cao theo hai cách dưới đây:

- Tăng thêm số lượng kênh theo Mhz phổ

- Tăng thêm số lượng kênh sử dụng lại trên một đơn vị diện tích địa lý

CDMA sử dụng phương pháp thứ hai Nó sử dụng cùng tần số trong mỗi dải quạt của mỗi tế bào Hệ số sử dụng lại là 1 Điều này cải thiện được dung lượng của toàn bộ

hệ thống Dung lượng đo bằng số cực đại các thuê bao đang hoạt động trong toàn bộ mạng nhiều tế bào so với số lượng cực đại thuê bao trên độ rộng băng hoặc trên một tế bào cô lập Dung lượng thực tế sẽ thay đổi từ tế bào này tới tế bào khác và từ dải quạt này tới dải quạt khác tuỳ thuộc địa hình và các mức nhiễu, các đặc trưng lan truyền và một số các hệ số

CDMA tốt hơn các kỹ thuật đa truy cập khác theo quan điểm dung lượng vì các thuộc tính sau của hệ thống:

c Trải phổ làm vô hiệu hoá nhiễu

Trong các hệ thống băng hẹp, dung lượng bổ sung cần được duy trì cho nhiễu đồng kênh thấp Đảm bảo thời gian, băng tần dẫn tới 20% toàn bộ dung lượng Các mạng

CDMA được thiết kế để chịu đựng một mức nhiễu nào đó, và như vậy có một lợi thế

về dung lượng

d Giám sát hoạt động thoại

Trong một cuộc đàm thoại giữa hai người, mỗi người chỉ chiếm khoảng 35% thời

gian Trong hệ thống CDMA khi không có trò chuyện tất cả các thuê bao đang hoạt

động khác chỉ chịu nhiễu thấp Điều này làm tăng dung lượng hệ thống lên 2.5 lần

Một trạm gốc không được phép điều khiển công suất của thuê bao trong các tế bào

lân cận; Các thuê bao này tạo ra nhiễu bổ sung, vì lẽ đó làm giảm dung lượng của

đường xuống Điều này xác định hệ số tái sử dụng thực của một hệ thống CDMA

16 Dung lượng đường xuống trong hệ thống tế bào CDMA

Có hai loại nhiễu trong hệ thống CDMA Một là nhiễu nội bộ tế bào, và hai là

nhiễu giữa các tế bào

Đối với K thuê bao trên một tế bào, nhiễu nội bộ tế bào tổng cộng là không nhỏ

hơn (K-1) Trong truyền thoại, điều này được giảm bởi hệ số hoạt động thoại(voice

activity factor) Vì vậy, nó không ảnh hưởng nhiều như nhiễu giữa các tế bào, và đây

chính là yếu tố xác định dung lượng hệ thống Hình 10 chỉ ra ảnh hưởng của tải tế bào

lân cận lên dung lượng

Hình 10:Dung lượng của hệ thống CDMA trên một dải quạt dưới các điều kiện tải

của các tế bào lân cận khác nhau

Theo hình trên, đường xuống có thể hỗ trợ 36 thuê bao trên một dải quạt hoặc 108 thuê bao trên một tế bào với hiệu suất BER thấp hơn 0.001 vì 99 % thời gian nằm dưới mức quá tải Nếu số lượng thuê bao trên các tế bào lân cận bị giảm một nửa, số thuê bao tổng cộng có thể được hỗ trợ trên mọt tế bào tăng tới 144 Nếu phần được chia của phổ(độ rộng kênh) tổng cộng là 12.5 Mhz và CDMA được sử dụng dọc hoàn toàn hệ thống tế bào, dung lượng tổng cộng hệ thống được tăng gấp 10 lần so với quá tải là

1080 thuê bao

Trong các hệ thống tế bào tương tự FDMA, độ rộng kênh là 30 Khz; vì vậy số lượng thuê bao trong một tế bào với băng tần 1.25 MHz là 42 Với hệ số sử dụng lại tần số là 7, tổng số thuê bao mà hệ thống hỗ trợ với băng tần 12.5 Mhz là 60 Như vậy, CDMA cao hơn FDMA là 18

Theo chuẩn IS-54, độ rộng kênh là 30 Khz và ba thuê bao chia sẻ một kênh tần số trong cơ sở của TDMA Điều này làm tăng dung lượng bởi một hệ số của 3 như so với FDMA Tuy nhên, CDMA tốt hơn gấp 6 lần

17 Dung lượng tuyến lên

Đường lên không chịu ảnh hưởng của hiệu ứng xa gần Do vậy, không cần điều khiển công suất Tuy nhiên, trạm di động nhận nhiễu từ các trạm gốc lân cận Vì lẽ đó cần tăng công suất đối với các trạm di động bị nhiễu lớn nhất do các trạm gốc lân cận Điều khiển công suất đạt được nhờ thực hiện đo công suất máy di động thu từ trạm gốc của nó và công suất thu được tổng cộng Thông tin về hai công suất này được phát tới trạm gốc Hình 11 chỉ ra số lượng thuê bao được phép trên một dải quạt dưới điều kiện BER khác nhau

Theo hình trên, tuyến lên có thể hỗ trợ BER là 0.001 vì nhiều hơn 99 % thời gian cho 38 thuê bao trên một dải quạt hoặc 114 thuê bao trên một tế bào

18 Dung lượng Erlang của đường xuống

Trong các mạng điện thoại, chất lượng được đánh giá bởi sắc xuất tắc nghẽn (blocking probability) Dịch vụ chấp nhận được nếu sắc xuất tắc nghẽn nhỏ dưới 2%

Số lượng thuê bao trung bình yêu cầu dịch vụ đưa ra sắc xuất tắc nghẽn xác địn h được gọi là dung lượng Erlang của hệ thống

Trong hệ thống FDMA hoặc TDMA, số lượng thuê bao bị hạn chế bởi số lượng khe thời gian và tấn số sẵn có Tắc nghẽn xảy ra khi số lượng thuê bao vượt quá số này Trong CDMA, số lượng thuê bao không bị hạn chế Tuy nhiên để đảm bảo dịch

vụ chất lượng tốt, tỷ số tín hiệu trên nhiễu tổng cộng được duy trì trên mức nào đó Nghẽn xảy ra khi mức này bị vi phạm

Khi phổ tần số tổng cộng sẵn có là 12.5 Mhz và cấp bậc dịch vụ GOS yêu cầu là 0.01, thì dung lượng Erlang của CDMA, FDMA và TDMA là như sau:

Erlang Capacity FDMA = 12.43 Erlangs/sector

Erlang Capacity TDMA = 46.8 Erlangs/sector

Erlang Capacity CDMA = 250 Erlangs/sector

Khi tỷ lệ fading là cao và điều khiển công suất vòng kín là không có khả năng di chuyển sang fading Raleigh nhanh thì dung lượng Erlang của đường xuống nhỏ hơn đã cho từ 3 tới 4 Erlangs

Hình 11 :Số lượng thuê bao trên dải quạt và BER

VIII KẾT LUẬN

1 Ưu điểm

- Mật độ phổ công suất thấp: Khi tín hiệu được trải khắp dải băng tần rộng, thì mật độ phổ năng lượng trở nên nhỏ hơn rất nhiều so với các hệ thống truyền thông khác Tuy nhiên, mức nhiễu Gaussian thì lại gia tăng

- Xử lý hạn chế nhiễu: Trong tất cả các tình huống, hầu hết phổ tần số được sử dụng

- Đảm bảo tính riêng tư vì không biết chuỗi mã giả ngẫu nhiên: Chuỗi mã được ứng dụng theo nguyên tắc không được biết bởi một người khác Điều này có nghĩa khó có thể dò ra được bản tin của người khác

- Áp dụng trải phổ sẽ làm giảm hiệu ứng đa đường

- Khả năng truy nhập ngẫu nhiên: Thuê bao có thể kết nối bất cứ khi nào họ muốn

- Hiệu suất chống tắc nghẽn cao

2 Nhược điểm

Tất nhiên giống như bất kỳ hệ thống khác, CDMA cũng có một số khó khăn về cài đặt và nhược điểm sau:

- Các yêu cầu đồng bộ: Để thu được chính xác, lỗi đồng bộ giữa dãy mã thu được

và dãy mã được tạo ra sẽ phải rất nhỏ so với khoảng chip, điều này là khó khăn

- Không sẵn có độ rộng băng liền kề lớn: Bởi vì băng tần được cấp phát cho mỗi ứng dụng là hạn chế, trong khi đó trải phổ được thực hiện trong khoảng từ 10 tới 20 Mhz trong các ứng dụng thực tế

- Hiệu ứng gần xa: Một thuê bao ở gần trạm gốc có thể tạo ra rất nhiều nhiễu cho các thuê bao cách xa trạm gốc Vì vậy, điều khiển công suất là cần thiết Tuy nhiên điều khiển công suất là khó khăn vì các trễ phản hồi, nên việc đánh giá công suất không hoàn hảo, sẽ dẫn đến gây lỗi trên kênh phản hồi và các điều kiện về lưu lượng

- Tự nhiễu(Self-Jamming): Đây là kết quả của đồng bộ kém Nếu đồng bộ không được thực hiện hoàn hảo, thì xử lý thu hẹp phổ không khôi phục được tín hiệu băng hẹp gốc Hơn nữa, sẽ có tương quan từng phần với các mã của các thuê bao khác Vì vậy, nhiễu sẽ tăng vô chừng Điều này dẫn đến hiệu suất kém,

dung lƣợng suy giảm và chất lƣợng thoại trở lên tồi tệ trong kênh thoại và tăng BER trong kênh dữ liệu

Tóm lại, công nghệ CDMA có thể đem lại dung lƣợng cao hơn, chất lƣợng dịch vụ

tốt hơn, khả năng chống nhiễu tốt hơn và nhiều dịch vụ tốt hơn nhƣ so với các kỹ thuật

đa truy cập băng hẹp nhƣ TDMA, hay FDMA

CHƯƠNG 2 SMART ANTEN VÀ ỨNG DỤNG TRONG HỆ

THỐNG CDMA

I HỆ THỐNG ANTEN

1 khái niệm về hệ thống Anten và anten thông minh

Anten được định nghĩa như một phương tiện bức xạ sóng vô tuyến, tạo ra một đường truyền dẫn trong không gian tự do Nó cũng hoạt động như một bộ thu năng lượng điện từ, sau đó được xử lý để có thể phát hiện thông tin chứa trong sóng điện từ nhận được

Ngành công nghiệp vô tuyến di động đang phát triển với tốc độ vũ bão Các nhà cung cấp không ngừng tăng số lượng dịch vụ, chất lượng dịch vụ, còn phí dịch vụ phải ngày càng giảm Nhu cầu này đòi hỏi thông tin di động phải không ngừng mở rộng phạm vi phủ sóng, cải tiến dung lượng và chất lượng dịch vụ cao hơn

Việc ứng dụng kỹ thuật anten thích nghi được đề xuất trong hệ thống tế bào để khắc phục các vấn đề phải đối mặt của các nhà cung cấp dịch vụ: số thuê bao tăng nhanh, trong khi đó độ rộng kênh thì hạn chế Martin Coope, nhà phát minh điện thoại

tế bào đã nhận xét: chúng ta chỉ sợ thiếu phổ, chứ không sợ thiếu khả năng sử dụng phổ hiệu quả

Smart anten hoặc hệ anten thích nghi bao gồm một hệ các phần tử anten có khả năng xử lý tín hiệu, có thể tối ưu các giản đồ hướng trong chế độ thu, phát đối với một tín hiệu mong muốn Chúng có thể tạo ra các các giản đồ hướng khác nhau cho mỗi thuê bao trên cả tuyến lên và đường xuống, tối ưu ảnh hưởng của nhiễu cho mỗi thuê bao và trạm gốc Vì vậy, chúng mở rộng được phủ sóng của trạm gốc, giảm nhiễu đồng kênh và pha đinh đa đường, giảm tỷ lệ lỗi bit, và tăng hiệu quả trong việc cải thiện dung lượng hệ thống và phổ tần

Kỹ thuật xử lý không gian cũng hứa hẹn cải thiện đáng kể hiệu suất tín hiệu vô tuyến di động Nguyên lý của xử lý này có thể được sử dụng để phát triển các anten thông minh sử dụng kỹ thuật thích nghi cho các anten có giản đồ hướng hình dải quạt

Vì vậy, khải niệm anten thông minh trở nên rất hấp dẫn cho ngành công nghiệp thông tin di động, đặc biệt là trong những năm gần đây

2 Một số khái niệm cơ bản có liên quan

Anten vô hướng là anten bức xạ năng lượng theo mọi hướng

Mật độ công suất bức xạ tính theo đơn vị watts/rad2

được ký hiệu bởi: U(,) Trong đó: = góc phương vị và = góc đứng

Công suất tổng cộng được phát bởi anten là:

0

) )(

)(

, sin(

) ,

U

P t

Mật độ công suất trung bình => U avg P t / 4

Một anten đẳng hướng, (hoặc vô hướng) có U avg U(,)

Mật độ công suất cực đại của anten được ký hiệu bởi => Um ax max,{U(,)}

Hệ số tăng ích anten được định nghĩa bởi => G(,) U(,) /U avg trong đó  là hiệu suất anten

Độ tăng ích đỉnh của anten =>G peak Um ax/U avg

Công suất bức xạ đẳng hướng hiệu dụng (EIRP) là công suất cần phải có khi sử dụng anten đẳng hướng để đưa ra cùng một giá trị mật độ công suất so với khi sử dụng anten định hướng, được viết theo công thức dưới đây:

m ax

G P

P EIRP t peak  

Theo một hướng cho trước (tại bán kính = r), năng lượng tổng cộng truyền qua một diện tích A =>

) 4 /(

) , ( ) ,

Độ tăng ích cực đại của anten có độ mở=Am được cho bởi:

m A

G( 4/2)

Vì vậy, biểu thức cho độ mở hiệu dụng của anten => A e A m 2G/ 4

 Sơ đồ đơn giản của đường truyền vô tuyến

d

Năng lượng nhận được tại anten thu tính theo công thức: P r G t P t A/( 4d2)

Phương trình này được đặt tên là phương trình liên kết trong không gian tự do Friis

Transmitte

r

Receiver

Khi chuyển sang dB ta có: P r( dB) P t( dB) G t( dB) G r( dB) L p( dB) với L p= path loss

3 Một số kiểu anten dùng trong thông tin di động

Có rất nhiều kiểu anten, mỗi loại có một đặc trưng riêng như trở kháng, độ rộng búp sóng, dải tần, phân cực, mức độ của búp sóng chính và hình dạng của giản đồ hướng Các anten có thể được sắp xếp thành hệ thống dàn để đạt được giản đồ hướng mong muốn Dưới đây là đồ thị phương hướng trong không gian ba chiều cho dãy các phần tử anten sắp theo đường thẳng

Hình 13 Các giản đồ hướng ba chiều Các anten có thể được phân theo hai loại sau:

 Anten vô hướng

 Anten định hướng

Anten vô hướng Anten định hướng

Hình14 Giản đồ hướng của anten vô hướng và định hướng Tro ng một hệ thống tế bào, các anten vô hướng thường được sử dụng tại các trạm gốc để tăng diện tích phủ sóng Nhưng nó cũng dẫn tới lãng phí năng lượng, đồng thời

là nguyên nhân chính gây ra nhiễu đồng kênh tại biên giới với các trạm gốc lân cận

Để nâng cao dung lượng hệ thống và giảm ảnh hưởng của nhiễu đồng kênh có thể sử dụng hai kỹ thuật:

 Hệ thống anten có giản đồ hướng hình dải quạt (gọi là anten dải quạt)

 Hệ thống Phân tập

Khái niệm dải quạt liên quan đến việc phân chia tế bào thành các dải hình quạt, mỗi dải được phục vụ bởi một anten định hướng Mỗi dải quạt có thể được xử lý như một tế bào riêng Các anten dải quạt cho phép tăng khả năng xử dụng lại kênh tần số trong các hệ thống tế bào do giảm nhiễu trong tế bào Chúng cũng làm giảm nhiễu cùng kênh với các trạm lân cận vì các búp sóng của chúng được định hướng

Bước tiếp theo đối với anten thông minh là sự kết hợp của các hệ thống phân tập Một hệ thống phân tập hợp nhất hai phần tử anten tại một trạm gốc với sự sai khác chút ít về tham số kỹ thuật Đối với trường hợp thu tín hiệu không tương quan hai phần

tử anten nên đã cách nhau ít nhất là /2 ( = độ dài bước sóng của tín hiệu thu) Khi đó chúng ta khai thác đặc tính không gian của hệ anten và các kết quả thu sẽ được cải thiện bằng cách khử các tín hiệu ngược pha của thành phần pha đinh đa đường tại điểm thu

Hệ thống phân tập cải thiện cường độ hiệu dụng của tín hiệu nhận được bằng cách

sử dụng một trong hai phương pháp sau:

(i) Chuyến mạch/Chọn lọc: Hệ thống chuyển mạch liên tục giữa các các anten

sẵn có và kết nối mỗi kênh thu với một anten có tín hiệu thu tốt nhất Ý tưởng ở đây là nếu tín hiệu bị suy yếu tại một anten, nó sẽ thu được tốt tại một anten khác (vì nó thu tín hiệu không tương quan) Kỹ thuật này làm giảm ảnh hưởng của pha đinh lên tín hiệu nhưng không làm tăng độ lợi, bởi

vì chỉ một anten được sử dụng tại một thời điểm

(ii) Kết hợp: Thực hiện việc kết hợp năng lượng của hai tín hiệu đa đường, với

các dịch pha thích hợp, sẽ đạt được độ lợi lớn hơn so với giải pháp trước có Các hệ thống phân tập khác như hệ thống kết hợp tín hiệu cực đại, kết hợp các đầu ra của tất cả các anten để có cực đại tỷ số năng lượng tín hiệu nhận được trên năng lượng nhiễu

Các anten phân tập đơn giản chỉ là các xử lý chuyển mạch từ một phần tử đang làm việc sang phần tử khác Mặc dù cách này làm giảm pha đinh đa đường, nhưng sử dụng một phần tử tại một thời điểm sẽ không cải thiện được độ lợi tuyến lên yêu cầu tăng dung lượng sử dụng đã dẫn tới bước tiếp theo trong quá trình phát triển của hệ thống anten tích hợp xử lý thông minh sử dụng đồng thời với các phần tử anten phân tập Hệ

thống này có tên là anten thông minh (smart antens)

II HỆ THỐNG ANTEN THÔNG MINH

Smart antens là một dàn các phần tử xử lý tín hiệu để nâng cao hiệu quả chống nhiễu ồn và nhiễu giao thoa trên kênh truyền và làm giảm ảnh hưởng của pha đinh đa đường đến tín hiệu thông tin Smart antens truyền và nhận tín hiệu theo kiểu thích nghi

có tính nhạy cảm không gian và khả năng xử lý tín hiệu số Một phần tử anten tự bản thân nó không thông minh; Cần có sự kết hợp các phần tử của dàn anten và xây dựng phần mềm xử lý tín hiệu để tạo ra hệ anten thông minh, hiệu quả Điều đó có thể làm tăng các chỉ tiêu về hiệu suất (như dung lượng) của hệ thống vô tuyến Hệ anten thông minh được đặt tại trạm gốc vì yêu cầu xử lý tín hiệu rất phức tạp

Các hệ thống anten thông minh được phân loại thành một số loại:

 Hệ anten chuyển mạch búp sóng ( hay chuyển mạch tia)

Hình 15 Mặt cắt giản đồ hướng của anten chuyển mạch búp

Các anten chuyển mạch búp cũng là cách tiếp cận để tạo dải quạt tế bào Có rất nhiều búp được định trước trong một tế bào và búp đó cho khả năng thu tốt nhất Các anten này có thể được sử dụng cho cả thu và phát cho các trạm di động nằm trong phạm vi của búp Sự chuyển giao (softer handoffs) trong tế bào là một yếu tố nhưng truyền nhận định hướng là ưu điểm vì làm giảm nhiễu, mức độ che phủ sóng lớn hơn

và dung lượng lớn hơn

Hình 16 Sơ đồ hệ thống chuyển mạch búp sóng Một hệ thống chuyển búp được mô tả như sơ đồ trên, yêu cầu một mạng tạo dạng búp, một chuyển mạch RF và điều khiển logic để chọn một búp thích hợp Bằng cách lựa chọn một búp, một trong M vector trọng số được xác định Sự lựa chọn búp được thực hiện cho mỗi bộ thu riêng

2 Dàn anten định pha động

Các búp được xác định trước và được cố định đối với trường hợp của hệ thống búp chuyển mạch Một thuê bao có thể nằm trong phạm vi của một búp tại một thời điểm xác định nhưng khi thuê bao di chuyển khỏi trung tâm của búp và đi dọc theo biên của búp, tín hiệu nhận được trở lên yếu đi và có sự chuyển giao mềm xảy ra tại vùng giáp gianh

M*M Beamforming network

Receiver for user K-1

Receiver for user 0

Switch control

Switch control

Nhưng trong dàn anten định pha động, một thuật toán DoA bám theo tín hiệu của thuê bao khi thuê bao di chuyển trong dải của búp Bởi vậy, thậm chí, sự chuyển giao trong tế bào xảy ra, tín hiệu thuê bao được nhận với độ lợi tối ưu Nó có thể được xem như một khái quát khái niệm chuyển mạch búp theo hướng mà năng lượng thu được là cực đại

3 Dàn anten thích nghi

Dàn anten thích nghi , cũng thuộc loại anten thông minh, chúng là một tập các phần

tử anten có thể tự động thay đổi giản đồ hướng trong chế độ thu hoặc phát, nhằm mục đích điều chỉnh sự thăng dáng trong kênh nhiễu ồn và nhiễu giao thoa để cải thiện tham số SNR của tín hiệu mong muốn Từ “thông minh” nói tới năng lực xử lý tín hiệu

là một phần của anten thích nghi Nó điều khiển giản đồ hướng anten bằng cách cập nhật liên tục tập trọng số anten

Hình 17 Giản đồ hướng anten thích nghi so với giản đồ hướng của anten thông thường

Một dàn anten thích nghi hoặc anten thông minh còn có tên là anten mềm (software antenna) bởi vì nó có thể tạo dạng một giản đồ hướng anten mong muốn và điều khiển nó một cách thích ứng, nếu một tập trọng số anten thích hợp được cung cấp

và cập nhật bằng phần mềm Giản đồ hướng trong chế độ thu tín hiệu có thể được điều chỉnh để dặt null cho các hướng có nhiễu Hướng có nhiễu được bám dựa trên thuật toán DoA Dàn anten cũng có thể kết hợp các tín hiệu đa đường sử dụng kỹ thuật phân tập không gian; nhằm đạt cực đại tỷ số tín hiệu trên nhiễu giao thoa SIR

Adaptive anten arrays’ beam that tracks the user

Anten pattern for a

traditional 60degree

secoring anten

Hình 18 Giản đồ hướng anten đối với dàn anten thích nghi đặt Null cho các hướng có

nhiễu

Mộ dàn anten thích nghi có thể được xem xét như một bộ lọc thích nghi theo phạm vi không gian và thời gian cho truyền thông vô tuyến, bởi vậy lý thuyết truyền thông có thể được tổng quát hoá từ vùng thời gian quy ước vào vùng gồm cả không gian và thời gian

 Hai loại anten thích nghi

Có hai loại anten thích nghi :

y = wTx

X W t r

t)  ( )  T

(

Trong cấu hình này, tín hiệu mong đợi là sẵn sàng (được dùng để tham chiếu) Các trọng

số được cập nhật dựa trên sai số trung bình bình phương giữa tín hiệu ra và tín hiệu mong muốn Vì vậy mạng yêu cầu biết trước thông tin của tín hiệu mong muốn nhưng không phải vị trí không gian của tín hiệu Thuật toán LMS tạo hướng null theo hướng của các tín hiệu không tương quan với tín hiệu mẫu

Adaptive Loop (LMS algorithm)

+

r(t)

4 So sánh hai công nghệ búp chuyển mạch búp sóng và anten

 Chuyển giao trong tế bào phải được xử lý

 Không thể làm giảm các thành phần nhiễu đa đường với góc tới của nhiễu gần với hướng của tín hiệu mong muốn

 Không thể lợi dụng ưu thế của phân tập đường truyền bằng cách tổ hợp các tín hiệu đa đường

Công nghệ anten thích nghi

Ưu điểm:

 Các búp anten bám hướng tín hiệu một cách linh hoạt; một hướng Null có thể được đặt cho hướng có nhiễu

 Không có vấn đề chuyển giao trong tế bào vì các búp bám thuê bao liên tục

 Có thể tăng dung lượng nhiều hơn so với chuyển mạch búp

 Cần DSP để xử lý tín hiệu sâu hơn

Nhược điểm:

 Chi phí cao hơn cho cài đặt; một trạm gốc với anten truyền thống có thể được nâng cấp dễ dàng hơn thành anten chuyển mạch búp

III ƯU ĐIỂM CỦA SMART ANTEN ỨNG DỤNG TRONG CDMA

Các tham số phải được xem xét trong khi thiết kế một hệ thống vô tuyến và các thách thức phải đối mặt có thể được liệt kê như dưới đây:

 Một môi trường truyền đa đường thay đổi theo thời gian

kế hoạch và triển khai các hệ thống di động

(i) Chúng cải thiện phạm vi phủ sóng và do đó giảm chi phí triển khai ban

đầu của một hệ thống vô tuyến Trong các vùng mật độ dân cư thưa thớt

và nông thôn, khả năng tăng phạm vi phủ sóng là sẵn sàng bởi vì các anten thông minh có định hướng cao hơn so với các anten vô hướng hay các dải quạt thông thường

(ii) Tăng hiệu suất sử dụng phổ vì thuê bao có thể ở các không gian tín hiệu

riêng rẽ (được gọi là đa truy cập phân chia theo không gian [SDMA]) (iii) Có thể được ứng dụng vào hàng loạt các lược đồ đa truy cập như

TDMA, CDMA và FDMA

(iv) Hỗ trợ trong việc giảm các ảnh hưởng đa đường và nâng cao chất

lượng dịch vụ so với sử dụng anten thông thường Bằng cách sử dụng anten có búp hẹp tại trạm gốc, sóng có thể giảm đáng kể hiệu ứng truyền sóng đa đường

(v) Nâng cao dung lượng hệ thống

Trong các vùng mật độ dân cư cao, nhiễu từ các thuê bao khác sẽ

là gây ra nhiễu chính trong hệ thống Điều đó có nghĩa là nhiễu giao thoa SIR sẽ lớn hơn nhiềôá với nhiễu ồn , SNR Các dàn anten thích nghi làm tăng SIR dựa trên việc tăng đồng thời mức tín hiệu thu cóích và l àm

giảm mức nhiễu Trong hệ thống TDMA, SIR tăng có khả năng làm giảm khoảng cách sử dụng lại tần số Cũng như trong CDMA, nguồn nhiễu chính trong hệ thống là nhiễu từ các người sử dụng khác Điều này

có nghĩa là độ lợi dung lượng mong muốn của CDMA lớn hơn so với TDMA

(vi) Có thể đưa ra các dịch vụ mới

Anten thông minh có thể đưa ra cho mạng vô tuyến truy xuất thông tin không gian về thuê bao Thông tin này có thể dùng để đánh giá

vị trí thuê bao chính xác hơn nhiều so với các mạng hiện tại Việc định

vị trí có thể sử dụng cho các dịch vụ như cuộc gọi khẩn, tính cước theo

vị trí xác định Chẳng hạn, ở Mỹ, tổ chức FCC(Federal Comunicatión Commission) đã đưa ra một con số xác định chính xác vị trí trạm di động trong phạm vi 125m

(vii) Tăng độ bảo mật:

Khi dùng anten thông minh việc kết nối trộm thực sự là khó khăn Để kết nối thành công, người nghe trộm phải được định vị cùng hướng với thuê bao, nhìn từ trạm gốc

Các anten thích nghi được xem xét để sử dụng trong hệ thống thông tin di động thế hệ3 CDMA2000 là một chuẩn CDMA đề xuất cho các hệ thống không dây, lập kế hoạch hợp tác thử nghiệm thêm để hỗ trợ công nghệ anten thông minh UWC16 là một chuẩn TDMA cũng lập kế hoạch để hỗ trợ công nghệ anten thông minh trong hệ thống không dây3G của nó

Hệ thống anten thông minh CDMA có thể được sử dụng tại các trạm gốc CDMA hiệntại để làm tăng dung lượng tế bào lên 50% Dàn anten định pha được sử dụng phổ biến nhất cho mục đích này

1 Tổng hợp dải quạt

Dàn anten định pha có thể tạo ra các giản đồ hướng tuỳ ý để phục vụ thuê bao trong cùng tế bào Các búp hẹp làm tăng tỷ số sóng mang trên nhiễu(C/I), điều này nâng cao chất lượng cuộc gọi và cho phép sử dụng lại tần số chặt chẽ hơn Các anten thông minh CDMA cho phép mềm dẻo hơn trong việc tối ưu hoá sử dụng dung lượng khu tế bào CDMA

2 Độ lợi dung lượng

Xuất phát từ hai ý chính: giảm tải giờ cao điểm và giảm số trường hợp chuyển giao Dung lượng của một tế bào thường được sử dụng kém hiệu quả vì không cân băng tải Bằng việcemsuwr dụng giản đồ hướng hình dải quạt của khu tế bào, các anten thông minh có thể cân bằng lưu lượng tải trong các dải quạt, dịch chuyển lưu lượng từ một dải quạt này tới các dải quạt có tải nhẹ hơn

3 Giảm chuyển giao

Các anten thông minh có thể đạt được các độ lợi dung lượng lớn hơn thông qua giảm chuyển giao Khi số trường hợp chuyển giao tăng, dung lượng giảm Chuyển giao mềm của CDMA cung cấp các kênh truyền chất lượng cao Chuyển giao mềm cũng có thể được đưa vào các vùng lưu lượng thấp để giảm bớt nhiễu giao thoa

Vì vậy, các anten thông minh làm tăng thêm thêm dung lượng từ các tài nguyên mạng CDMA hiện thời và việc ứng dụng chúng tại các trạm gốc sẽ đạt được một mạng hiệu quả cao hơn

CHƯƠNG 3 CÁC THUẬT TOÁN ỨNG DỤNG TRONG SMART ANTEN

I CÁC THUẬT TOÁN THÍCH NGHI TRONG VIỆC TẠO DẠNG BÖP SÓNG

Thuật ngữ bộ tạo búp được sử dụng để biểu thị cả khả năng định hướng tín hiệu theo một hướng riêng cũng như khả năng thu tín hiệu phát ra từ một hướng mong đợi (bằng cách đặt null cho các hướng có nhiễu)

“Mục tiêu cơ bản của một bộ tạo dạng búp là điều chỉnh các trọng số phức tại đầu ra của mỗi bộ cảm biến gắn vào các phần tử của dàn anten để đưa ra một đồ thị phương hướng tối ưu đảm bảo việc thu tín hiệu theo hướng quan tâm,.” Mục đích tạo dạng búp sóng là để thu nhận về một tín hiệu đến từ một hướng mong đợi với sự tồn tại của nhiễu ồn và nhiễu giao thoa Điều này ngụ ý rằng việc lọc các tín hiệu không gian có cùng tần số liên quan tới các vị trí không gian của các phần tử anten

1 Tia tới tại dãy anten

Hình 21 Sơ đồ dãy anten Giả sử rẳng sóng phẳng xuất hiện trên anten đến từ một hướng (,) với  là góc đứng and  là góc phương vị Độàphan cách giữa các phần tử anten là x (thường chọn là /2 với  = bước sóng của tín hiệu)

(Giả sử: tín hiệu đến tại góc =900, nghĩa là tín hiệu đến từ mặt phẳng x-y)

Sai pha của tín hiệu tới phần tử anten thứ m và phần tử anten đầu tiên được cho bởi công thức sau:

2 4 6 8 10

) / 2 ( );

cos(

) sin(

) sin(

) sin(

) cos(



Vì vậy tín hiệu trên anten m‟ => um( t )  As ( t ) ejmxcos()sin()

1

0

),(

;),()()

m

e wheref

f t As t

e Bộ tạo dạng búp thông thường

Bộ tạo dạng búp sóng thông thường cũng được gọi là bộ tạo dạng búp tổng và trễ Nó được sử dụng để quay hướng anten bằng cách điều chỉnh trọng số của các phần tử anten theo một hướng nào đó Nói cách khác, tín hiệu quan tâm theo một hướng nào

đó và độ tăng ích anten sẽ đạt được tạo ra cực đại theo hướng xác định đó Vector ẩn định hướng sẽ=>

direction look

L j j

s0(o)  [ 1 exp(  o) exp(  (  1 )o)];o  _

Vector trọng số w được cho bởi: w ( 1 /L)s o(o)

Bộ tạo dạng búp sóng làm cực đại tỷ số SNR tại đầu ra khi chỉ có nhiễu ồn không tương quan và không nhiễu giao thoa tồn tại trên hướng đã định Nó không tính đến nhiễu đồng kênh, và không sử dụng thuật toán đánh giá DoA (hướng nhìn được ấn định trước, với tín hiệu quan tâm biết trước)