Nghiên cứu bức xạ và truyền sóng ở dải siêu cao tần phục vụ cho phát triển thông tin và định vị vô tuyến = Radiation and Propagation of Microwave in Wireless co114630

Thiél lap càc he thòng thòng tin co khà nàng lình boat cao nhu anten cho càc tram BTS cùa thòng tin di dóng, nàng cao dung lugng cùa kénh thòng tin vò tuyén, hoac cài thien tv so tin hié

DAI HOC OUOC CIA HA NÓI

NGHIEN CÙU BlIC XA VA TRUYÈN SONG O DAI SIEU

CAO TÀN PHUC Vy c k o PHÀT TRIÉN THÒNG TIN VA

DINH VI VÒ TUYÉN

(Bào cào tòng bop kèt qua thuc hién

De tài nghìén CLI'U khoa hoc càp DHQGHN)

MUC LUC

DANI! SACIlNltÙNG NGUOl TIIAMCIIA Hi I/C ilIHN DHTAI 2

DANllMUCCAC HÌNII 3

TOM TÀr CAC KÉT QUA NGHIÈN CU U CHINH CÙA DE l'Ai 4

BÀO CÀO TONO HOP 5

PHULUC 17 TÒNO QUAN VE DE TÀI 22

PROJECT SUMMARY 23

DANH SÀCH NHÙNC NGUÒI THAM GIÀ THUC HIEN DE TÀI

1 GS TSKH Phan Anh - Clu'i tri eie Uri

2 T'S ^Fran Minh Tuàn

3 NCS Tran Xuan Viet

4 NCS Làm Hong Thach

5 NCS Tran Cao Quyén

6 Ths Le Quang Toàn

7 Ths Tran Thi Thuy Quynh

8 Ths Tran Ngoc Hung

DANH MUC CAC HINH

llinh 1 l i i é u d i é n tin hicLi t(Vi dàn anten

[lình 2 Biéu dién eàc già tri riéng cua ma tran hiep f'iuro'ng ^ai lói \ àt.i

Hình 3 Phò kliòng gian xac dinh huóng song don 40 \ à 120\iùng thuat toàn MUSIC Hình 4 Xàc dinh tea dò dùng 3 tram bò

Hình 5 Két qua uó'c luo'ng góc song tói cùa 6 tin hiéu "khòng tuong quan": -50°, -30", 5°, io" 25° và 40° su dung thuat toàn MUSIC

Hình 6 Két qua mò phòng 6 nguòn tin hiéu dugc phàt hìen khi so phan tii' anten trong màng chi là 4 phan tu'

Hinh 7 Anten mach dai hình T

Hình 8 Tham so SI 1 ciaa anten

Hình 9 Gian dò bue xa cùa anten trong mat phàng E

Hình 10 Gian dò bijc xa cùa anten trong mat phàng li

TOM T A T CAC KÉT QUA N G H H : N CU U C U I N H C U A DE TAI

1 1 én de t;u:

Nghién cii'u bt'rc xa và tiaiv'cn song (V dai siéu cao làn plìuc \ii elio phàt tricn tlióng lin \à diiìh vi vó tu}cn

Ma so: QC.06.iy

2 Chù tri dC- tài: GS.TSKH IMian Anh

Dia chi: Truò'ng Dai hoc Còng nghe, DHQGITM

144 Xuàn Thuy, Càu Giày, Ha noi Diénthoai: 04.7549270

3 NhQng két qua chinh:

a Két qua ve khoa hoc (càc bài bào và bào cào khoa hoc dà còng bò): 04

Lain Hong Thach Vu Van Yem and Phan Anh, Member, REV, '^Muhi-Frequency

Method Applied to Simultaneous Locaìization Of Multiple Fishing Boots", Proc

In Rev^Oó, 11/2006, Hanoi, Vietnam

Tran Cao Qu)'en, Paul Fortier, Phan Anh, "Space diversity^' team steering

microslrip BTS antenna system for 3G and 4G", 2007 IEEE International

Symposium on Antennas and Propagation, June 10-15.2007, Honolulu, Hawaii

Vù Vàn Yém Eàm Hong Thach Phan Anh "'Ung dung ihugt loàn MUSIC trong

vice xàc dinh vi tri tàu thuyén dành ca Ioai vira và nhò boat dóng ù vùng ven biéìi", Tap chi Dién tu ngày nay So 163 (9/2007)

Làm Hong Thach.Vù Vàn Yém Phan Anh, "Tini hiéu gic/i hgn phàn biét huang

song to'! dìmg thuat loàn MUSIC", Trang 83 TuN'én tàp bào cào Hòi thào Thòng

tin và dinh vi vi su phàt trién kinh té bién Viét nam 12/2007 Ha noi

b Két qua phiic vu thuc té

Càc san phàm dà dat dugc:

- Chuong trình mò phong dùng MATLAB de xàc dinh huóng song tói DOA (Direction of Arrivai)

Mò phòng- che tao và do dac anten hình T dùng làm phàn tu anten trong he DOA

e Két qua dào tao: Luan vàn tòt nghièp nani 2007:

De tài: "'Hiict ké anten mach dai dùng cho he anten khòng tàm pha""

d Két qua nang cao tiém lux khoa hoc (nàng cao trình dò càn bò và tàng cuòng trami

thict hi cho don vi)

De lai dà co dóng góp cho còng làc dào tao sinh \-ién dòng thòi nàiìg cao trình dò

chu\én mòn cho càc dm bò tham già thuc hién Ngoài ra mot so trang thiét bi cùng dugc

tàng cuò'ng tu kinh phi ho Irg cua de lai gòni:

Mot so \àl tu: Hnh kien siéu cao làn

Càc tap chi khoa hoc cua llT:i:

1 Thiél lap càc he thòng thòng tin co khà nàng lình boat cao nhu anten cho càc tram BTS cùa thòng tin di dóng, nàng cao dung lugng cùa kénh thòng tin vò tuyén, hoac cài thien tv so tin hiéu trén nhiéu SNR trong càc he anten thich nghi

2 Thòng qua DOA de dinh vi muc tiéu nhu trong bài toàn xàc dinh dòng thòi tga dò cùa càc phao vó tuyén (hoac càc tàu thuyén bi nan) trén bién Trong còng tàc tìm kiém cùu nan trén bién, vice tìm ra phuong phàp dinh vi chi su dung càc thiét bi thu phàt don giàn co y nghla Kinh té - Ky thuàt và y nghTa Xà hòi cao

II TÓNG QUAN CÀC VÀN DE NGHIÉN CUU CÙA DE TÀI

De tài ''Nghién cuu bue xg và truyén song à dai siéu cao tàn phuc vu cho phàt

trién thòng tin và dinh vi vò tuyén'' QC 06-19 tap trung nghién cùu theo càc màng

chinh:

1 Nghién ctru, mò phòng kha nàng xàc dinh huóng song dén DOA dùng dàn anten thòng minh và thuat toàn MUSIC, àp dung cho he dinh vi trén bién su dung 3 tram bò" de xàc dinh toa dò phao vò tuyén hoac tàu thu}'én gap nan :

2 Nghién cùu giai phàp khàc phuc han che cùa thuat toàn MUSIC dòi bòi so phàn

tu cùa dàn anten phài lón hon so muc tiéu càn xàc dinh bang giài phàp da tàn

3 Nghién cùu thiét ké anten thich hgp dùng cho tram BTS cùa thòng tin di dòng

4 Thiét ké che tao do dac kiéu anten thich hgp co the dùng làm phàn tu cho dhn

anten cua he thòng vò tuycn tìm phuong

Dà che tao và do dac 1 màu anten chàn ttr hình T boat dòng o khoaiie tàn so 915MHz dùng còng nghé mach dai Anten co dac dièm \ ò huóng trong mat phàne

H \à co thè su dung làm phàn lù cho dàn anten ha\ de tich hgp thành phàn tu anlen khòng tàm pha cua he \'ò tuyén tìm phtiong trong mot hiróng phàt trién liép theo ve xàc dinh DOA

III MUC TIÉU VÀ NÓI DUNG NGHIEN C U U CUA DE TAT

Muc tiéu và nói dung nghién cùu cùa de lài dà dugc trình bay ró trong phàn Dal vàn de và Tòng quan càc vàn de nghién cùu cua de tài Ngoài ra, ben canh y nghTa khoa

hoc, muc tiéu cùa de tài con nhàm diìo tao con nguòì \ à xày dung nuit so nói dung bò

sung cho tài liéu và giào trình giang day

IV DIA DIÈM, T H Ò I G I A N VÀ P H U O N G P H À P N G H I É N ClTU

De tài dugc thuc hién tai Bg mòn Thòng tin Vò tuyén, Khoa Dién tu - Vién thòng, truòng Dai hgc Còng nghe, Dai hoc Quòc già Ha noi

Thòi gian thuc hién: 12 thàng

Phuong phàp nghién cùu cùa de tài: nghién cùu ly thuyét, mò phòng, dành già két qua dòi vói thuat toàn tìm phuong; thiét ké che tao trong phàn thiét ké anten De tài su dung càc trang thiét bi cùa Bg mòn, Trung tàm nghién cùu Dién tu Vién thòng và he do cùa de tài QC.06.12

V KÉT QUA N G H I É N C L T U

Bao gòm 2 chuong:

Chuong 1 : Thuat toàn tìm phuong MUSIC - co" so và cài tién Chuo'ng 2: Phàn tu anten dùng trong he dàn anten xù ly tin hiéu

CHUONG 1 : Thuat toaii tìm phuong MUSIC - co so và cài tién

A Thuat toàn MUSIC [3,4,5/

Dòi vói he anten co xù ly tin hiéu thì 'liuóng song tói" là mot thòng tin rat quan trgng Khi biét chinh xàc thòng tin này thì viec xù ly tin hiéu de co the nhan dugc tin hiéu mong muòn mot càch tòt nhàt và Ioai trù càc tin hiéu khòng mong muòn sé co thè dugc thuc hién mot càch thuàn Igi và hiéu qua cao

Ngoài ra trong nhiéu truòng hgp thuc té thì viec xàc dinh huóng song dén con là mot nhiém vu chùc nàng cùa he thòng vò tuyén dién, vi du he thòng vò tuyén tìm phuong trong quan ly tàn so he thòng rada cành gioì, he thòng thòng tin và dinh vi tàu thuyén trén bién,

He thòng anten cho phcp xàc dinh dòng thòi huóng song dén tu P nguòn phàt song dòc làp ve thuc chat cùng chinh là mot he anten co xù ly tin hiéu, cho phép xàc dinh dugc huó"ng song dén mot càch chinh xàc trong diéu kien co nhiéu

Ta xét mot he anten tu\'én tinh ULA nhu' trén hình I gòm M phàn lù dùng de phàn bici và xàc dinh P song tói co huóng dén khàc nhau vói P<M De don gian ta già thiét càc huóng song dén nàm trong mal phàng 0 = Tr/2 \ói càc góc phuong \i q)p khàc nhau

^

May ihu 1 I M i V Iti LI e! M a y l a u M a y Iti LI M

Hình 1 Biéu dién tin hiéu tói dàn anten Trén mòi mày thu ta déu nhan duoc P tin hiéu song tói cùng tap àm nhiéu Ta co thè viét biéu thùc tin hiéu nhan dugc ó' dàu ra cùa mày thu thu in nhu sau:

Li(t) =Y^s^/i)c-{^)^} + u(X)

trong dò e((|) ) là vécto huóng cua song tói tai hiróng cp

e(cPp) = I 1 ^

//.(/cosip^j -/2/:(/c().s(p^, -lk{iii-\ ìdcos{f)^^ ^-jk(M-\}c/i:o\ip^y ^J

con n(t) là \'écto nhiéu hay co thè viét (3) duùi dang rat gon:

H(/)-e((p)A(/) + n(l) Irong dò e(cp) là vécto co thành phàn là càc \-écto huó'ng e((Pp) :

e((p) = fe(cp|)e(cp.) e(cpp) e(cpp) j con s(t) là vécto co thành pììàn là càc bién dò duòng bap phuc cua P song tói

Thuat loàn xàc dinh huóng song tói

Co mot so thuàt toàn xàc dinh huvmg song tói trong dò khà hiéu qua là thuàt toàn

MUSIC (Multiple Simial Classisication algoninth) Thuàt tc^àn nà>' do Schmid! de xuàt tir UJ79 dat diror dò phàn eiai ca(^ klii phal hién \ à pliàn Ioai nhiéu song dén dòng thoi

Thuàt toàn MUSIC dua Irén \aéc khai thàc càu trae rlèng (càc già tia riéng \éciu- riéng)

cùa ma tran hién phuwng sai K^,;, cua \éci()' lin iiieu thu u([):

e | n ( t ) n ' \ t ) ) = a ^ I

trong dò O là nàng lugng tap àm, con I là ma tran don vi

Néu chù y ràng £ { s(t) s'"'(t) | = R^^ ta viét ( 11 ) lai dugc nhu sau:

vi nhiéu dugc eoi là tap àm iràng nén nàng lugng nhan trén càc mày thu sé déu là a" Do vày ta

co thè biéu Ihi nàng lugng nhan dugc o dàu ra càc mày thu ké cà nhiéu

A|>A.> >Ap>Ap_^i A^j = Q" (16)

1 linh 2 kì do thi sàp xép mùc còng suàt tin hiéu nhan dugc (v còng ra cua cae inà\- thu theo thi'i tir

bién dò eiain dÀn

!ién 6ò

A l A2 Ap Ap+i Ap.t2 A^

Hình 2 Biéu dién càc già tri riéng cùa ma tran hiép phuong sai lòi vào Nhu vày sau khi tinh ma tran hiép phuong sai de xàc dinh càc già tri riéng, ta da phàn tàch dugc

tin hiéu và nhiéu thành 2 khòng gian con:

Khòng gian con "tin hiéu'" co kich thuó'c P tuo'ng ùng vó'i P tin hiéu nhan dugc sàp xép

theo thu tu bién dò giàm dàn

Khòng gian con "nhiéu"' co kich thiróc MT^ vói cùng mùc bién dò G

Nhu vàv- de tòn tai khòng gian con "nhiéu"' thì phài co diéu kién M>P, nghTa là so tin hiéu co thè

phàt hién du'oc nho hou so phàn tir anlen cùa he thòng

Vàn de liép theo là xàc dinh huxVng cùa càc tin hiéu dà dugc phàn Ioai

Tu' M già tri riéng la tim dugc VI vécto" riéng r/,„ cua ma tran R^^i, ihoà man:

Dièu nàv co nghTa càc \'éclo néng lién quan dòn M-P già tri riéng nhò nhàt sé irue giao \ ói P

\éclo liuùnu tao ucn ma tran e(cp) :

Nlnr vày càch liép C'c\n cua thuàt loàn ML^SIC là hà\' di tim càc \écto huVrng ma chung gàn

trire giaiì nhàt vói càc \ceto' néng co hén quan dcu càc già tri néng xàp xi bang o" cua ma Iran

hiép phucmg sai Rj,,, Dò chinh là càc \ecto huóng cua ma tran hiép phuong sai R,,,, i)u ehinh la

9

càc veda hirò'ug cùa càc tin hiéu thu ma ra uìuón xàc dinh cùng co ngìiki là khi di'i ^e x.'ic dinh

dirgc càc liiróng song dcn

Sir phàn tich cùng elio thày càc vedo- riéng cua ma Iran hiép phuung >ai R,.,, sé ika.:/*c \é 2 khnng

gian con truc giao nhau : khòng giaii tiiì liiéu sa khòng girai iilaéu C'ac \ceU'" !nif'>iig Uriaig iniL'

V(Vi càc luróng song dcn ró ràng là nàm trong khiing gian tin luòu \a do do inrc L:: I'> \ oi kluMìL:

gian nhiéu, nén e ((p)V^y^^ e{(p) = 0 khi (p Irùng vói mot huòmg song dén Do dò càc huóng

song dén se co the dugc xàc dinh tai càc dinh phò cùa MUSIC nhan duo'c tu :

P^,us,c(^?) = ^ ^ (23)

Do tinh trac giao cu e((p) và V^ nén màu so cua (23) trò' nén cuc tiéu lai càc huó'ng song tói và sé

cho ta càc dinh trong phò MUSIC lai càc huùng dò

dùng thuàt toàn M U S I C

B Thuàt toàn Mi SIC ung dung trong viec xàc dinh vi tri cua tàu thuyén dành cà

Hàng nàm co rat nhiéu tàu thuyén dành cà Ioai \ ùa \ à nho bi chini trong bào do

càc phuo'ng tién cùu bò thò so thiét bi dinh \ i dung GPS dàu cuòi khà dàt dòi \ ói thu

nhàp cua ngimi dàn dành cà Vi \(\}\ \'iéc tìm ra phinmg lién dc\u cuòi re lién nhung \ àn

Ihirc hién d u g c càc chùc nàng > éu càu ki hél sue càn thiét

Bàn2 càch két hgp \"ói thuàt loàn MUSIC \ à su dung 3 tram bò nhu trén hình 4 co

thè xàc dinh diroc toa dò cua tàu lhii> én

Bài bào "'Ùng dung thuàt toàn MUSIC trong viéc xàc dinh vi tri tàu thu\'én dành

cà Ioai vùa và nhò boat dòng ò vùng ven bién" - phàn Phit lue 1 Chùng tòi dà tién hành

mò phòng và xàc dinh góc tòi cua 6 nguòn tin hiéu dén dòc làp nhau mot càch chinh xàc

-80 -60 ^ 0 -20 0 20 40 60 80

DCA (Degrees)

Minh 5 Kél qua nòe Iirgng góc song tói cua 6 lin hiéu "khòng tuong quan": -50'' -30^

5X io" 25" \ù 40^ su dung Ihuàl loàn MUJSIC "

4\i\' nhicn trong bài bào cùng dà phàn lich nhugc diém cua thuat toàn MI iSlC là

so nguòn tin hiéu dugc phàt hién luòn phai nho hou so phàn tu trong dan anlen 1 rom:

11

khi dò, khi gap bào, thuó'ng co rat nhiéu tàu thuyén trén bién Chinh vi \\.\ de thuc su'

di\n2 dirgc thuàt toàn MUSIC cho k.oal dóng dinh \'l tàu liiu\ én ihì càn j^hai cài Ihién nò

Vlgl plurong phàp cai ihién lliuàl toàn MI 'SIC theo lurcViig so nguòn tu hiéu khong phu thuòc \'ào so phiàn tu cua mang anten dà dircic nghién cùu \a mò phong trong Ìx'u

"^Vlulti-lùcqucncy Method Applied to Simullancous [.ocah/ation Of Muhiplc Pishing Boats'' - phàn Phu lue 1 Vói viec su dung phuong phàp phàn tich da tàn so, két qua dat duoc nhu trén hình 6

•'•: U S r a

-.'US

U S - • - • ':':•

Hình 6 Két qua mò phòng 6 nguòn tin hiéu dugc phàt hién khi

SO phàn tu anten trong màng chi là 4 phàn tu

12

CHUONG 2: Phaii tir antLMi dùng trong he dàn anten xiì !y tin hiéu

Dòi \'ói Ile anten xù ìy tin hiéu liìi ng(>ai eàc Ihuàl loàn xu Iv \ iéc thiél ké cfie

aiUen phàn tu cùng ràl Ljuan trong De lai dà thuc hién thiét ké che tao \ a do due 1 man

anten mach dai co dac tinh vò luróng trong mat phàng 1! và co thè dùng làm phàn tu cho dàn anten xù ly tin hiéu [1,2]

Phàn tu anten thiét ké dugc cho trén hình 7 gòm anten co càu trùc dipole và bò chuyén dòi tu dòi xùng sang bài dòi xùng

(a) Mat truóc (b) Mal sau

Hình 7 Anten mach dai hinh T

Anlen dugc thiét ké còng huóng o tàn so 91 5MHz \'à duoc do bang mày phàn tic! mang vói kél qua nhu trén hình 8

Hình 8 Tham so SI 1 cùa anten

Cìiàn dò bue xa cùa anten dugc do trén mat phàng E và mal phàng lì nhu trénhình 9 \ à

j|Jae'-:Edit : View : Acquisitìon Options Help

Hình 10 Giàn dò bue xa cùa anten trong mat phàng H

VI CÀC CÒNG BÓ LIÉN QUAN DÉN KÉT QUA CÙA DE TÀI

Pam Hong Thach Vu Van Yem and Phan Anh Member REV ''Muìli-Freguency

Method Applied to Simu/taneous Localizalion Of Multiple Fishing Boats", Proc

In Rev'06- 11/2006 Hanoi, Vietnam

Tran Cao Quyen Paul Fortier Phan Anh "Space divcrsity bcam steering

microstrip BTS antenna system far 3G and 4G " 2007 lEPE International

Symposium on Antennas and Propagation June 10-15.2007 Honolulu, Hawaii

Vù Vàn Yém Làm Hong Thach Phan Anh, "Ung dwig thuat toàn MUSIC trong

viéc xàc dinh vi tri tàu thuyén dành cà Ioai vàa và nho hogt dóìig à vìaig ven hién" Tap chi Dién tu ngày nay So 163 (9/'2007)

Làm Hong Thach.Vù Vàn Yém, Phan Anh "Tìm hiéu gioì han phàn biét hur/ng

song tói dìiug thuàt toàn MUSIC", Trang 83 huxén tàp bào cào Hòi thao Thòne

tin và dinh vi vi su phàt trién kinh té bién Viét nam 1 2/2007 Ha nói

VIJ KÉT Q L À D À O TAO

1 Chuo'ng 12 "4 le anten co xir ly tin hiéu - Anten thòng minh" trong cuòn Lv thu\ét

và Ky thuàt anlen (ìS TSKH Phan Anh

2 Khoà luàn tòt nghicp: "Thiét ké iuitoì mach dai dìuig elio he anten khóng tàm pha" sinh vién lloàng Trung Dìmg

v i l i KÉT QUA UNG DUNG

Kél ijua cua de tài co thè iVng dung de liiétì kìiai he Ihòiig lini klcm eùu nan Uen bién

IX T H À O LUÀN

Càc két qua dat dugc dà phàn nào khàng dinh khà nàng co thè tìm ra phuong phàp che tao thiét bi dinh vi don giàn de xàc dinh tga dò cùa càc tàu thuyén vùa và nhò trén bién khi gap nan

X K É T LUÀN VÀ KIÉN NGHI

De tài dà thuc hién day dù càc nói dung dang ki trong de cuong Tuy nhièn, càn phài co thém thòi gian và kinh phi de thiac hién trién khai ùng diang thuc té Càc nói dung

se dugc liép lue phàt trién trong càc de tài cua nhùng nàm sau

XI TÀI LIEU THAM KHÀO

L Tài lieu Tiéng Viet

[1 ] Phan Anh, Ly thuyét và Ky thuàt anten NXB Khoa hgc và Ky thuàt

2 Tài lieii Tiéng Anh

\2\ Jame J.R Microstrip Antenna Theory and Design

|'3| Joseph C.Liberti, Jr.&Theodorc S.Rappaporl, Smart Antenna for Wireless

Communications IS-95 and Third Generation COMA Applications, Prcntical Hall

| 4 | La! Chand Godara Smart Antenìia, CRC Press

\5] "Pheodore S Kdi\-)]yd\)0\i Smart Antennas Adaptive Arrays, Algorithms and Wireless Position Location lEEL 1998

16

In Rev'06, 11/2006, Hanoi, Vietnam

Tran Cao Quyen, Paul Fortier, Phan Anh, "Space diversity beam steering

microstrip BTS antenna system for 3G and 4G'\ 2007 IEEE International

Symposium on Antennas and Propagation, June 10-15,2007, Honolulu, Hawaii

Vù Vàn Yém, Làm Hong Thach, Phan Anh, "LTng dtang thuat toàn MUSIC trong viéc xàc dinh vi tri tàu thuyén dành cà Ioai vùa và nhò boat dòng ó vùng ven bién" , Tap chi Dién tu ngày nay So 163 (9/2007)

Làm Hong Thach.Vù Vàn Yém, Phan Anh, "Tìm hiéu giói han phàn biét huóng song tói dùng thuàt toàn MUSIC'\ Trang 83 Tuyén tàp bào cào Hòi thào Thòng tin và dinh vi vi su phàt trién kinh té bién Viét nam, 12/2007, Ha nói

Khoà luàn tòt nghiép: "Thiét ké anten mach dai dìmg cho he anten khòng tàm

pha"

A l H O C Q U O C GIÀ HA NÓI IVUNG TÀryi THÒNG TiN THU VIÈN

MJ.J11

17

m^^

ÌC^àA^i^&Àa- 'ASI' ìff' fi}:,, ggr, afr-3 SS fs-OTffitSS®SB3?3W^fóSii'

'•tjtkA t^lUj»JU:' -Ir' ~ •.lt*«)l»p.f»fWfpfaJ*-j

Movember 6-7, 2006 Hanoi, Vietnam

IEEE

COMMUNICATìONS SOCIETY

a

SLSSION 3 ANTENNAS éC: MÌURirW AVE ENClNKKRINf ;

.Scssion Clìtiir: /','"/• l> ce Sant^ ì\irk ('('-•thair: ;^rrt' Thaa

.X iiiìihrr : ]*:nuT, \ ut bar

C o d e ,\c(}uisi(i(Hi vvidi iMuUìpIc 1 i a n i s m i f ;nul Rec:ci^L• /XnlcnrjDN l'or a

Multi-Frequency Method Applied to Simultaneoihs Loealization Ol

Multiple Fishing Boats L.inì HOIIL: l'hnch \ ' u Vcin Yem and Bhaii \rdi Mcniher RIA'

ITiis work is pLirliy sLip]:n)r!cd hy ihc rcscaich pri,">icLl \ o ' ) 6 , Ì ' ) ur;ia!cd Ivv- VicLKini

National L'ni\ct"sit\' I hmoi

Alystract — 'I his piiper prcsents ^i method tor

siniultaiieous lociiliznlioii of multiple cmittcìs

using an adaptive antenna array with limited

antenna elements In this method, the emitters

operate at many freqnencies, so that an

adaptive antenna array with M elements can

simultaneously locate K emitters, with K > M

This melhod can he applied to loealization

issues of the fishing boats for Vietnam

maritime safety organization

I INTRODUCTiON

Therc are aboiit one hundred thousand

fishing bonts in the Vietnam sea but more

than half of Ihem bave net bcen equipped

with commuiiication equipments \'et [T] For

lliis rcason, ministiy of aquiculture would

likc lo build a localizalion s) slem along the

scasidc dc\'otcd lo ihe tlshiiig boat rcscuc

missioiì- This project has bcen starled in

October 2005 The locaii/ation system is

equipped \siih Ì7 cailh radio stalion.s placed

at diffirent posilions a long the Vietnam

seaside from Mong Cai prox'ince to Ca Man

province The position of a fishing boat is

determiiìed by the interception of three lines

correspondiiig lo three dii"ection of arrivals

of signal mcasurcd b\' three radio stations as

proposed in [2] The dn"cction o\' arri\'al

(DOA) of SOS signal transmilted from

fishing boats in dangcrous sìtuation is

eslimalcd by the ML'SIC (Multiple Signal

Ckìssfication) algorilhm [4| Mo\ve\ci\ die

condiiion foi- application of the MUSIC

algorithm i$ that llìe nimiber oÌ antenna

elements must he bigger than the nuniber of

signais i.e tlie number of fishing boats In

faci, sonielimcs the nuniber of llshing boats

in dangci'ous silualions is imporlant but the

iiumber o\ antenna elemcnl in an ai'ias' is

iimillecL Ihcreh^re the abo\ e condilion is noi

satisfied and the ap[-)licali(.)ii ofMhe MUSIC

aliiorithm is failed

l hi^ paper piesenls a melhod to o\eiC(.ime this diftìculty By using this method u è can simultaneously estimate a number of fishing boats K bigger than the number of antennas

M In addition, this method gives us not only information about DOA but also about TOA

(Time Of Arrivai or lime delay) of ihe

transmitted signais, so \ve can use the hybrid localizalion technique named TOA/DOA for loealization purpose which follows us to increase the position accuracy Espectially, with the hybrid TOA/DOA technique, it only requires one antenna array to determine the positions of fishing boats The position

o{ a fishing boat is the interception o{ the

circle and the line

'fhe paper is organi/ed as follows: in scclion

II we present the hshing boat loealization system architeclLn"e using an antenna array

In section III, we develop a method lo estimate the TOA and DOA of SOS singnals transmilted trom Hshing boats simullaneously and il follows us io overcome the mentioned dilficLdly of the MUSIC algorithm in the case of multiple signais w'ith a liiiiitted antenna elements in the arra\ This melhod is \alidaled by the simulation resuits in section IV TinaK' a href conclusion is siiven in section V

IL FISHING BOA'f LOCALIZATION SYSTEM USINO AN ADATIVE ANTENNA ARi^AY For a propagation zone onl\' one earth radio station is placed at a position as shown m figure 1 This station uscs an antenna ari-a\ 'Lhe antenna airax consisN of M co-polarized low-gain elemenls "lhe arra\

orienls towaid ihc llshing liixits ou \\w sea

dii'cction as illusiiatcd In diis application SOS smnals from HshiiiLi boat al a lom'

dislancc iniiiinging on ih e ai^ray can be

considcred in onÌ\' azinaiih plano

(hori'/oiìtal piane), 'flieiefoie at this

stai ion a unilorm linear (iiaay is cmp'o\eil

"Mie liisiance byclwecn l\so cotiscciihve

eicnienis is el d is ec]uai lo [he hall

\va\eienglh 1 he more number (if antenna

elemenls is lhe precise and liigli localizalion

accuracy is obtained However, it increases

the implementation cost of the system

Figure 2 presents the system architecture

The complex envelops of the SOS signais

are measured at each antenna element by a

receiver and then the DOA and TOA of

these SOS signais aie determined using the

phasc method and the MUSIC algorithm

presented in section III

' i n a l l \ llie p o s i t i o n l o c a t i o n o f l i > h i i i g boat

•- dcli_rminevJ nsing lhe i n l i r i J icc!ini(_[iic

aiued Di)Ml()\

I I I M L L I l - ^ K L 0 1 • h N C ^ ' M h 1 N O I )

II/.I- Dc'hfiifio/i of iiìip'ui*^i)v.^ sii^nnits

We assume that there are K incohei'ent narrowband signais impinging on a ULA composed of M omni-directional antenna elements, as illustrated in Figure 3, with the following parameters: frequency step Af, initial frequency f] and the number of frequenCN' N

Piane w a \ e f r o n t

Inciden piane w

Source (fishing boat)

Fig 1 Using an antenna array m a radio station

for localizalion of fishine boats

Figuri^ S- Plane-Movc mode! un a ULA anlennii

In the frequency domain, the signal receivcd at the first antenna clemcnt which is lhe refereiice element at the i-th frequency can be written as:

The propagation delay along ain Iwo conscciiti\e elements in the antenna array is the same silice the antenna elements are imiformlx distributed across lhe arra\ and iherefore the propagation dela\ from the reference to lhe m-th antenna element is:

r „ ( , ^ J = ( , n - l ) ^ ^ - ' ^ ' ( 2 )

W i i h m - 1.2 M

where v is the specd of propagation d

reprcsents lhe sciis(ìr spacing and Oy^ is lhe

direction of arrivai of lhe k-lh signal wiih

re.spccl to the [Kapeiuii-nlar a.\is ol lhe

anay So lhe signal receiscd al the m-di

sensor in the antenna array al lite frequency

f, can be expressed as:

\,„(') = Zs,('>-'^"'''c'-''-''-''"''+,;,(/) (3)

k = l

IJL2' Matrix model

By measuring the signais at ali frequencies

in the band and for ali eleinents, the

measured data at the output of the array

from equation (3) in matrix notation

becomes:

x ( t ) - A s ( t ) + n(t) (4)

where

- x(t) is the 1 x Q ( 0 ^ M x N ) output veclor

measured by the s>'stem:

x ( t ) - [ x , ( / ) x , ( / ) , x , , ( / ) ] '

Y„(0-k,„,(0.x,,„(/), ,x,,„(/), ,x,,„(0

T denoics Iranspose

Uie x,,„(0 conlains the N output values

corresponding to the N frequencies

meastired at the receiver otitput connected to

the m-th element of the antenna array

- s(l) is a vecior consisting of the K complex

enx'elopes of lhe K arriving signais:

s{n = [.s^O-sAn hOl-.^^.Oìì

- n(t) a Q dimensionai column \ector, is the

noise

- A is a matrix of dimension Q x K It is

expressed as a concalenalion of the "mode"

of the k-th arriva! signal of the arra\

a[Oj^ ,T^ Jof dimension IxK:

A4a[6,.TM0,~T,) a{(\.T,) ,(<?,.rj]

uilh

a [(K-h)=[^\(h~rX-ci„k-rX -c:M-hÌ

^'-n^h ^'^i ) i'' il""^ "moue'" \ector ol the k-i!i

aai'ri\al signal of ihe m-iii anicnin clomcni

bacìi diieclionii \cc!.oi" ay'^ i ) d^pends

o;i the N licLpicìicics as loi'ow >:

ajf) - r j = [a,,„(a r, ) /, J/A r ) e/ ,„(^.^ r

And ^y^.Sk) = MlA)^fr, -v2m:ì{mA) sin (9^

;.,

is the phase difference of the k-th arrivai signal between the in-th element at the i-th frequency and the reference element at the first frequency Ai//, „.(A) contains information of the phase difference between two successive frequencies, i.e in the frequency domain and the phase difference between two antenna elements

/IL 3- Estiniaiion procedure

The corresponding data covariance matrix in equation (4) is givpn by:

(O^r)

a " (O , r )!-: ^ /• :;-c\(0 T) (6)

EN reprcsents the eigcnvcctors associated with the noise subspace of tlìc covariance matrix R^ The covariance matrix R^ are calculaled and then the eigenvalues and

eigen\ectors of R., are obtained and the

DOA and TOA are cstimated b> MUSIC with formula (6)

IV RESULTS The svsiem illustrated in Figure 2 is model led and simulated using Mat lab In this simulation the Iransmilters m the Hslìing boats in dangereous sitiiation

swceps 101 frequenCN pomts Ivon) 2 Milz lo

2,2 MHz In the land, a uniform linear arraN'

of 4 anleniia elemenls is uscd for lhe

cslimation o\' lhe F()/\ and \^i).\ ol' ihesc

signais Ligure \ presciits rlic siinul:!;ion

resoli of 6 SOS signais tiaiismiticd frean 6

h s h i n g boats al the ' I O A of 5 LIS, 15 \i-> 26

ps, 35 fis 44 ps, 65 fis, and the DOA of 28",

21", 1 \'\ \V\ - 2 1 " , -2S" Normally the

classica! VIUSIC algorithm does not give a

satisfactory result since the number of

signais is bigger than the number of

receivers, i.e the number of antenna

elements However, t h e j o i n t D O A and T O A

estimation can solve this case successfully

We can see from this figure that the six

signais are accurately eslimated with the

T O A of 5 ps, i 5 ps, 25 ps, 35 ps, 45 ps 65

ps and the DOA of 29.5", 2 2 ' \ 9'\ 9", 22",

-29.5"

Fig 4 Simulation resulls of 6 fishing boat signais at

ihe TOA 5 ps 15 us 26 us 35 us 44 jjs 65 us and

lhe DOA of28'\ 2U 1 V\ 1 U.-2 U -28'

V C O N C L U S I O N

We present a multi-frequcncy method

applied to s i m u l l a n c o u s localizalion of

multiple fishing boats using an antenna

array Llsmg this melhod not onl\' can we

estimate lhe f)()A but also the d OA ('Lime

O f / \ r r i \ a l or lime delay) of the SOS signais

iraiismilted h\)m the Hshing boats in

d a n g c r o u s silualions The DOA is e s h m a l e d

b\' measuring lhe phase difference of the

signais picked tip b\ a [ ' L , \ mìeiina nid by using MI'SIC, i h e ostunalHai c.\' I ( i.\ ;•>

bascd I.MI the [ìhase LlillereiK.e ineaMiied at Iwo s^lLCC^si\c IreqneiìCics m ihc h nìil The esliiiiation procedure can e-timaie die numl'er ol signais i.e, hshing boiiN bigger than the number of antennas l h e s\siem is modeied and simulated using \ k u l a b I he simulation resuits show that the DOA and the T O A of signais are accurately estimated

This A O A method choosen does noi need the synchronization and gives a high preci Sion In addition, with information about T O A we can use the hybrid loealization technique named T O A / D O A for loealization purpose which follows us to increase the position accuracy, EspectialK', with the hybrid T O A / D O A technique, it only requires one antenna array to determine the positions of fishing boats The position

of a fishing boat is the interception of the circle and the line Howe\'er for T O A measurements, it requires a frequency synchronization

R E F E R E N C E S

11] De an \ay dung 1 le thóng ihòng iin chLi\cn ngiình riui\ san - Bò Thuv san

|2| Lam l-!ong Thach Vu Van Ycni and l'han Anh

""AdapUxe -Vnlcnna Array AppFcd lo PUMI KHI Location of Fishing Boais in lhe Vietnam Scasidc."

Sìihinilied !o RFJ' 06

|.i] li Krim and M X'ibcrg " I w o Dccadcs ,)1 ,\rra\

Signal Processing Research." IPPP S'^iml Pr<)ce\M/i<^

Maoazme pp, 67-94 .lul\ 1996

[41 R 0 Schmid! ••.Vkilliplc Lmaicr Pocalion and

Sigila i l'aramclcr lìslimauon," ìliEIL Trans on

AnìeììiiLf; (incJ Prupo'^aHon \ o! •\P-34 No L M.iixii

1986

[5] Vu \'an Veni A I Biagc B iliiNial and X

Begaud ".Ioint TOA I)(!),'\ measurements for

spaiio-tcmporal characlcrislics of 2 4 (]\-\/ indoor propagation channcl," m /'rac 2(l(ì5 ÌEIIf Em-ouran

Confi^reme nn li'irclcs-^ Tec/ìiujlogv lEC'U'Il Paris,

1-rance Octoher (13-05 2005 [6] Robert D, fingley and l<a\eh P a h ! a \ a n

' ' S p a c e - T i n i e M e a s u r e m e n l oì' Indoor Radio

Propagation."' IL fi IL Trans on lììsn-nnicnialinn

nini Mcasiireinent \ o l , 50, Nn, 1 l'ciiiiiaiA

2 0 0 L

2007 lEEK International Symposimn on Antennas and Propaj:^ation

A ^^.^^^^^ Honolulu Huniiii \\\i\i^ 10-15, 20(17

« J a y <Cyf^^J,-^litti):.V!ie:icTi;nv:iii.etlij/ennferences/;ips:iH)7 ^

5 Mareh 2()U7

Dear Mr Qiiyen Cao Iran,

On behalf of the steering commitlee of the 2007 IEEE Antennas and Propagation International Symposium, we would like to invite you and your co-authors to Honolulu, Hawaii, USA to present your work in lhe field of antennas and propagation lo scientific colleagues The conference will be held from lune IO throngh June 15 at the Sheraton Waikiki For more information on the conference and lhe venue, please see the conference website at http://hcac.hawaii.edu/conferences/aps2007/

Your paper, entitled "Space Diversity Beam Steering Microslrip BTS Antenna System for 3G and 4 0 , " is an important contribution to the technical program and we look forward to its prescntation at the symposium,

This letter serves as lhe officiai invitation letler for ali of the authors:

Quyen Cao Tran, Anh Phan, and Paul Fortier, Autliors are responsible for their own travel arrangements to attend the conference il is important that you check with a U.S Consulate or Enibassy as soon as possible in order to deiermine the Visa requirements necessary for you to enter the United States Recent changes

to U.S, entry requirements mean that citizcns from Visa Waiver countrics may need a Visa to travel lo the conference

General information ou the Visa process is lisled al the U.S, Department of State website:

htlp://trave!,slate,gov/visa The U,S Kaiional Academy also provides assistance al hit p://ww'w, nati Olia lacadeniies,org/visas, If you ha ve furthcr questi ons please coniaci a member of lhe symposium sieering commitlee,

We look forward lo seeinu vou in Honolulu

Sincerely,

V U L M A Ì W ^

Michael A, Jensen Co-General Chair Steering Commitlee

P,S Walch the conference web page for a compleie cop\' of the Ad\ance Program as well as conference reuistraiion details

Space (iiversiiy bc:im steering i n k r o s t r i p ITI S :iii(enn:i »<> stein

for J ( :iii(l 4(

Iran Cao (Hiyeii"' Pan! Lorlier-, Phan Anh' College ofTeehnolog) (COL I i:UI I), Vietnam Naliniìa! Lni\eisiiy Man(n (VN

LK'fS Oepartmenl of LleelricLd and C'oniptiler Lneineo: nii: Uinveisilé I a.'

Email: leqtiyLai£(/;\_ahoii.eoiri ronier;i/jgeL!,i]av;;ihea, plìanaiìh.re\' f/-Min.\'n

Abstract - In this paper a microstrip BTS antenna system using a beam steering antenna

scheme with a transmit diversity is presented The proposed antenna can move its beams loward the target, i.e the highest user density location within its serving celi The scanning angle is calculaled using the direction finding system Performance of this antenna system

is compared to seclor beam antenna systems With this antenna, high speed communication, shaped beams and high gain can be achieved

This work is pailly supported by the research project No OC.06.19 granted by Vietnam National University, Hanoi

Keyword: BTS, DOA MIMO, beam steering, sectorization

I I N T R O D U C T I O N

In the pasL BTS antenna of the first generation had omni-directiona! patterns whereas the second generation had sectorization patterns [1] [2] With the de\elopment of 3G and 4 0 lhe need for smart antenna has riscn [3] In addition Io develop BTS antenna systems dealing with very high speed communicalions the MIMO strateg>' is suggesled [4] In this paper an approaeh for BTS antenna system for 3 0 and 4G using a microslrip antenna system combining a beam steering antenna scheme with MIMO sirategy is presented This paper is orgamzed as follows, 'Fhe conventional B'fS antenna strtielure is presented in section li, A new antenna strticture is proposed in section III, 'fhe operation of the proposed antenna system is disenssed in section IV The exaluation of the new antenna system is discussed in section V, Section VI eoncludes the paper,

II BTS ANTENNA S I K U C T U R i :

A conventional B'i"S antenna s\slem is placed on the sides of an equilateral triangle (Fig 1), In general, the antenna on each side suppoits one of three seetors If the beamwidth of each antenna is about 120 degrees, this BTS antenna system will ser\'e nearly 360 degrees

of azimuthal piane As in [ ì ] we can use one antenna for bolli transmitting (r^i) and

receiving (/ivi) and two receiving antennas (/iv2 Ry:À on each side, lìxi and Rx-^ are used

for direction of arrivai (DOA) estimation,

III N E W BIS ANTENNA STRUCTURE

The transmining antennas are stili placed on the three sides of an equilateral triangle

Howe\'er for 3 0 and 4 0 t u o identical transmitting a n t e n n a s ( Tx^ TxT) spaced by ten

w a v e l e n g t h s are used compared to one transmitting antenna (7xi) for 2 0 (Fig 2) These

are also used for receiving, i.e Rx\ and 7\j^ The DOA estimation is perlbrmed using an

antenna s>stcm uilhout phase cenler [5] This direction Linding s\stem is placed on the top

of the triangle (Fig 2) Tx^ and T.\2 eonsist of four patch antenna elements spaced b>' one

wavelength Boiler malriees uilh four 90' h\brids and phase shifters are used for their beamfonning network (Fig, 3), The phase shifters connected to antenna elements are phased progressive whereas lhe phase shitters in the Butler malriees are phased b\ -90

degrees At an\' gi\en lime ihere is only one input of Tx; or Tx- ihal is eonneeled to the

IraiismiUer whereas the olhers are ''lonnded Mie direeiion lindiULi s\stem deeidc^ \\hieh

input is connected lo lhe irarismitler ,M) iliat ihere are aìw;;\'> iwo beLinis locnsing un lhe target wilhin a eiven celi

IV O P E R A I I O N fi>r UIC iraiì^iiitUing slraleyy, we asinine liiai a liniisniilted svuihol is eijn-^iard chii'iie the

s:iinptiiig pericxl /,, Al lime /, s\ mbol V, is iraii>miued iv /.V; and s> inhn! V; l^ !ian>mitlcrl b\' yVn Al lime i i 7'; svinbol -.V| aiui iS', are Iransinillcd b> 7.V| and T\- l'e^peeliveK, W'e assume (hai al lime / ( 2T^ lhe target iiioves by an ant:le of o degrees compared lo ils

previous position At timo / ^- 2 7 | i- 7\ (7^ "'-'"' /'i) the anlenna system m o \ e s ils beauis loward the target using a beam steering technique In order to move ils beams by an angle

a , the phase difference between consecutive elements has to be equal to

- pdoos{0^^ + a) where p is the propagation Constant, d is the distance between t u o

consecutive antenna elements, and 6., is the maximum radialion anele at tiine t The ansie,

a, is calculaled using the direction finding system given in [5]

V E V A L U A T I O N

We assume thai / ^ 3 GHz is the operation frequency and that Teflon fiberglass with thickness /? ^ 1.59 mm and dieleclric Constant £^ = 4 8 is used for patch material According lo antenna design principles f4]-[7] the design parameters of Tx] or Tx^ are

The uain of 72\| or 7A';- is given by

Tiihle 1: Design parameters

(^<-//)

4.5521

Patch input resistance

{R,n-^)

102.2

H a l f power beamwidth

15.76

V S W R

1,5

Side lobe level ( S L L -

d B ) 11.35

L i m i t e d scanning angle

{0 ")

*- max '

105.66

From Table 1, the limited scanning angle is 105.66 degrees, thus the beam scanning of Txi

or 7x7-covers nearly one seclor of 120 degrees With an SLL of 11.35 dB, most of the transmitted power is concentrated on the main beam

In 3 0 and 4 0 wc use a directional antenna for a mobile unit (MU), Lei D Do, D\ and Di

be the dircctivit\' of the receiving antenna of the MU, the direclivity of lhe seclor beam

Iransmilting B'FS antenna, and lhe direclivity of 7A'I and Txj, respectively For comparison the transmitted pow-ers of Tx] and 7x2 are equal to half of the transmitled power of the seclor beam transmitting anlenna ( l\ }

For the suggesled anlenna system, lhe MU receivcd power is given by

From Table 1 and (11) we can see clearly that the proposed anlenna s\'Siem is better than the sector beam anlenna system With this antenna, high speed eonimuniealions shaped beams beam sleeriii': and hish uaiii can be oblained

VI C O N C I C S I O N

An approaeh for B'FS anlenna system was presented, !:s i-enerus -.vere poin^e-J uni Il is aai important slep in teleccminiunieaiious researLli lowaid appii^aiions l'or nevi Lienera'J.'n wireless network^,

R r i T R E N C I S

MI W C Y, \xc Mobile Cei!iilarl\:D.>.rn,iunic:il:on< Me( ;ra^^-i li II ioe,, 1 9S'L

j2] K Fuiiniolo "Anlenna lor inoi^'ile eomniunicaiions" Fni.\\-/o/:'edui <'f RT ond

iincrnwàve en^^inecnny^^ 2005 pp 3 19-365

i 3 | J C Liberti and F S Kappaport Si nari Anlennas far Wireless (Aomniìinfccidon

PrcnticeHall PTR 1999

[4] S M Alamouli, "A simple transmit diversity technique for wireless communication",

IEEE Journal on Selecied Areas in Cowmumcation, Voi, 16 No 8, October 1998, pp

1451-1458

[5] Q Tran Cao Phan Anh, "DOA Determination by Using an Antenna System without Phase Center and MUSIC Algorithm", IEEE APS Iniernaiional symposium and

SNC/URSJMeenng Washington DC, USA, July 3-8, 2005, pp 134-137

[6] D M Pozar, Microwave Engineering, John Wiley & Sons, Inc., 1994

[71 R C Hansen Phased array aniennas, John Wiley & Sons, Inc., 1998