Ăng ten thông minh giải pháp cho thông tin di động trong tương lai

Chương 3: Giới thiệu một số kết quả nghiên cứu, áp dụng công nghệ ăng ten thõng minh trong thực tê hiện nay trên thế giới nhằm cải thiện chi tiêu cùa hệ thống thông tin di động, đưa ra

ĂNG TEN THÕNG MINH giải pháp cho thông tin di động trong tương lai

í

ThS NGUYỄN MẠNH HẢI

Ă N G T E N T H Ố N G M I N H giải pháp cho thông tin di động trong tương lai

ĐẠI HỌC THẤI NGUYÊN

TRUNG TÂM HỌC LIỆU

NHÀ XUẤT BẢN BƯU ĐIỆN

Hà Nội, tháng 3 - 2005

ThS NGUYỄN MẠNH HẢI

Ă N G T E N T H Ô N G M I N H giải p h á p cho t h ô n g tin di đ ộ n g trong t ư ơ n g lai

ĐẠI HỌC THẤI NGUYÊN 1

TRUNG TẮM HỌC LIỆU

NHÀ XUẤT BẢN BƯU DIỆN

Hà Nội, tháng 3 - 2005

Mã sỏ: HV 02 HM 05

LỜI NÓI ĐẨU Hiện nay tốc độ phát triển của thông tin di động đang tăng lên rất nhanh, tiêm năng sù dụng các dịch vụ và thiết bị di động khá lớn, vấn đề đặt ra là làm sao phải nâng cao dung lượng cùa hệ thống thông tin di động Công nghệ ăng ten thông minh ra đời đã đáp ứng được yêu cầu trên Ảng ten thông minh có thể kết hợp hiệu quà với nhiều kỹ thuật khác trong mạng, cho phép điều khiển và quy hoạch mạng, giúp tối ưu hoa cấu trúc mạng vô tuyến

Nhằm giới thiệu công nghệ trên đến bạn đọc, Nhà xuất bản

Bưu điện xuất bàn cuốn sách "Ăng ten thông minh: giải pháp cho thông tin di động trong tương lai" Cuốn sách gồm 3 chương: Chương ì : Giới thiệu khái niệm, nguyên tắc, tính năng cùa ăng

ten thông minh, các thuật toán định dạng chùm sóng, các khả năng ứng dụng thuật toán và cấu trúc máy thu ăng ten thông minh vào từng loại ô cụ thê trong mạng thực

Chương 2: Phàn tích lợi ích cùa kỹ thuật SDMA thực hiện bang

ăng ten thông minh trong hệ thống thông tin di động Nghiên cứu đánh giá khả năng cải thiện chì tiêu cùa các hệ thống GSM và CDMA nhờ ăng ten thõng minh

Chương 3: Giới thiệu một số kết quả nghiên cứu, áp dụng công

nghệ ăng ten thõng minh trong thực tê hiện nay trên thế giới nhằm cải thiện chi tiêu cùa hệ thống thông tin di động, đưa ra một số khó khăn cần giãi quyết, xu hướng phát triển công nghệ này trong tương lai và khả năng áp dụng ờ Việt Nam trong thời gian tới

Hy vọng cuốn sách là tài liệu tham khảo hữu ích cho các cán

bô của ngành Bưu diên, các kỹ thuât viên quản lý vân hành mạng những nhà sàn xuất thiết bị và hệ thống thông tin di động, nhũng nhà cung cấp dịch vụ và các nhà khai thác quan tâm đến ảng ten

thông minh và quan tâm đến việc nâng cao chất lượng cho thông tin

MỎ ĐẨU

Xã hội càng phát triển, nhu cầu về thông tin di động cùa con người trong xã hội ngày càng trở lên mạnh mẽ, đòi hỏi nâng cao dịch vụ cả về chất lượng và số lượng Các nhà khai thác muốn cung cấp dịch vụ thõng 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 các dịch vụ truyền số liệu, dịch vụ hình ảnh, âm thanh, v.v

Có thể nói nhu cầu về thòng tin di đông hiện nay là cực kỳ

to lớn, cần thiết, nó thúc đẩy sự phát triển cùa thông tin di động theo hướng toàn cầu hóa 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 tổn tại một động lực mạnh mẽ thúc đẩy các công nghệ mới liên tục ra đòi, 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 công nghệ mới vào hệ thống thông tin di động sao cho phù hợp với điều kiện cùa các nước đang phát triển

Để cải thiện các chi tiêu hệ thống, nâng cao khả năng cung cấp dịch vụ cùa hệ thòng thông tin di động, hiện nay có một cõng nghệ mới đang trong giai đoạn đầu được nghiên cứu thử

X Ang ten thông minh nghiệm và triển khai áp dụng vào thực tế, đó là công nghệ ảng ten thông minh

Công nghệ ăng ten thông minh hay ăng ten thích nghi trong thông tin di động đã thu hút được sự quan tâm to lõm trong những năm gần đây trên phạm vi toàn thế giới Nguyên nhân cơ bàn để ăng ten thông minh ra đòi là nó tạo ra khả năng tăng dung lượng cao trong hệ thống thông tin di động, thực tế đã chứng minh là

có thể tăng 3 lẩn vói hệ thống TDMA và tâng tới 5 lẩn với hệ thống CDMA thông thường Ảng ten thông minh cho phép thực hiện kỹ thuật đa truy nhập theo không gian (SDMA: Spatial Division Multiple Access) một cách đầy đủ nhất, mang lại nhiều lợi ích khác nhau cho hệ thống Mặt khác ăng ten thông minh có thể kết hợp hiệu quả vói nhiều kỹ thuật khác trong mạng, cho phép điều khiển và quy hoạch mạng, giúp tối ưu hóa cấu trúc mạng vô tuyên v.v

Đã có nhiều công trình nghiên cứu tập trung vào ăng ten thông minh nhưng việc phối hợp ăng ten thông minh trong các mạng hiện tại và tương lai vẫn chưa thực sự rõ ràng, toàn diên Trên thực tế, mặc dù có những lợi ích nổi bật nhưng ăng ten thông minh chưa được ứng dụng một cách rộng rãi vào các lĩnh vực thực tiễn, đối với nhiều người khái niệm ăng ten thông minh còn tương đối xa lạ

Trên cơ sờ đó, cuốn sách này nhằm mục đích tìm hiểu rõ về khái niệm ăng ten thông minh, nguyên tắc cơ bàn cùa công nghệ này, nghiên cứu kỹ thuật đa truy nhập theo không gian bằng ăng ten thông minh vói tiềm năng cải thiện chi tiêu cùa hệ thống thòng tin di động, từ đó đánh giá vị trí lợi ích và khả năng thực

Mỏ đẩu 9 thi cùa ăng ten thông minh trong hệ thống thông tin di động nói chung Nội dung cũng mô tả một số kết quả nghiên cứu, áp dụng công nghệ ăng ten thông minh trong thực tế hiện nay trên thế giới nhằm cải thiện chì tiêu của hệ thống thông tin di động, đồng thời thảo luận về những khó khăn cẩn giải quyết, xu hướng phát triển công nghệ ăng ten thông minh trong tương lai và khả năng

áp dụng công nghệ này ở Việt Nam

Ngoài ra cuốn sách còn tổng kết lại tiềm năng lợi ích cùa ăng ten thông minh trong hệ thống thông tin di động hiện tại và tương lai; khẳng định vai trò không thể thiếu của nó đối với sự phát triển của thông tin di động mặt đất và thông tin cá nhân trên

cơ sở hiện trạng phát triển của công nghệ ăng ten thông minh và điều kiện thực tế của Việt Nam Cuốn sách cũng đưa ra một số hướng triển khai và phát triển của ăng ten thông minh ỏ Việt Nam trong thời gian tới

Chương Ì TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ ĂNG TEN

THÔNG MINH TRONG HỆ THONG

THÔNG TIN DI ĐỘNG

1.1 GIỚI THIỆU VÊ CÔNG NGHỆ ĂNG TEN THÔNG MINH TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG

1.1.1 Khái niệm ăng ten thông minh

Cho đến nay các ăng ten trạm gốc được sử dụng vẫn là ăng ten vó hướng hay ăng ten dẻ quạt Việc sử dụng các ăng ten này

có thể coi là một sự lãng phí công suất cấc thiết bị thu phát cùa

hệ thống vì phần lòn năng lượng sẽ phát xạ ra các hướng khác

nhau so với hướng về phía người sử dụng mong muốn Thêm vào

đó, phần năng lượng phát xạ ra các hướng khác ấy thực tế sẽ trờ thành các nhiễu, gây ra bời những người sử dụng ngoài ý muốn

Ý tưởng ăng ten thông minh là sử dụng giản đồ ăng ten trạm gốc không cố định, mà biểu đổ bức xạ được biến đổi phù hợp với các điều kiện truyền sóng hiện tại và có thể tạo ra các búp sóng theo ý muôn trong giản đổ ăng ten Bằng cách khuếch đại độ tăng ích ăng ten theo hướng có thông tin mong muốn, đồng thời tạo ra giàn đồ với hướng phát xạ nhỏ (thậm chí tới 0) về phía vật gây nhiễu, ăng ten thông minh có thể tránh được tối đa những nguồn nhiều không mong muốn, đồng thời tăng khả năng thu thông tin hữu ích, từ đó làm cho chất lượng của tuyến kết nối thông tin có thể được cài thiện một cách đáng kể, vói nhiều ưu

12 Ăng ten thông minh điểm khác nhau Hình ảnh của một ăng ten thông minh có nhiều

búp sóng cực đại thay đổi linh hoạt như trên hình 1.1

Hình 1.1 Minh họa giàn đồ phát xạ của một ăng ten thõng minh

Điểu này có thể hình dung như một ăng ten chỉ hướng chùm sóng (búp sóng) vế phía thành phần được liên lạc Sự khác nhau giữa khái niệm ăng ten thông minh và ăng ten cố định được minh

họa ờ hình Ì 2

(1): Ang ten dẻ quạt tiêu chuẩn 65* (2): Ang ten dàn pha (PA), thuê bao 1; chuyển động theo chiểu kim dóng hố (3): Ang ten dàn pha (PA) thuê bao 2; chuyển động ngược chiểu kim dâng hố (4): Dẻ quạt khác

Hình Ì 2 Mình họa sự khác nhau giữa giàn đó phái xạ cua trạm góc truyền thống và trạm gốc ăng ten thòng minh

Chuông 1: Tổng quan vế công nghệ ăng ten thông minh 13 Các nguyên tắc chung của ăng ten thông minh là phù hợp với cả hệ thống TDMA (GSM) và hệ thống CDMA (IS-95 và UMTS) Trong cuốn sách này, phần lớn các kỹ thuật được trình bày và các kết quả thử nghiệm dựa trên các phép kiểm tra dựa trên TDMA, vì vậy cuốn sách không đi sâu phân tích cụ thể, toàn diện được tất cả các mặt của công nghệ ăng ten thông minh trong thông tin di động nói chung Tuy nhiên, một quan điểm toàn diện

về ăng ten thông minh ứng dụng cho CDMA đã được Liberti và Rappaport đưa ra và nghiên cứu kỹ lưỡng

1.1.2 Động lực phát triển cồng nghệ ăng ten thông minh Công nghệ ăng ten thông minh là công nghệ còn hết sức mới mẻ nhưng là một xu hướng đẩy tiềm năng trong kỹ thuật xử

lý theo không gian trong thông tin di động Ngoài ra ăng ten thông minh còn có thể phân biệt những người sử dụng khác nhau, thông qua không gian hay còn gọi là phương pháp đa truy nhập phân chia theo không gian (SDMA: Spatial Division Multiple Access) Bằng phương pháp SDMA, nhiều người sử dụng trong cùng một ó (cell) có thể sử dụng cùng một kênh thông tin vật lý: cùng sóng mang, cùng khe thòi gian và cùng mã trải phổ Việc nghiên cứu và áp dụng ăng ten thông minh trong thông tin vô tuyến tổ ong bắt đầu từ những năm đầu thập kỷ

1990 và sự chú ý đến công nghệ này ngày càng tăng lên vì đa truy nhập phân chia theo không gian được xem như là bước đột biến trên con đường khai phá nhằm nâng cao dung lượng của hệ thống bị giới hạn bời phổ tần

14 Ăng ten thòng minh

Trong tương lai, ăng ten thông minh còn nâng cao hon nữa

hiệu suất sử dụng năng lượng và phổ tần số, làm tăng năng luông

thu hữu ích cũng như giảm thiểu các nhiễu và khả năng gây nhiễu

Cùng vái việc tăng dung lượng, ăng ten thõng minh còn một

số ưu điểm khác đối với mạng tế bào bao gồm tăng vùng phù

sóng, nâng cao mức bảo mật của hệ thống, tạo điều kiện triển

khai thực hiện các dịch vụ mới Điều này sẽ được trình bày chi

tiết hơn ở phần sau Có thể tóm tắt động lực thúc đẩy sự ra đời và

phát triển công nghệ ăng ten thông minh trong thông tin di dộng

như sau: - Triệt nhiễu ỏ đường

lẽn và đường xuống V Dung lượng

Ì

- Cải thiện SNR nhờ có

khuếch đại ăng ten Ì Phạm vi phù sóng

ỉ /

- Giảm thiểu hiện tương

đa đường ' tốc độ bít, tốc dỏ di dõng / Chất lượng dịch vụ (QoS)

Hình 13 Công nghệ áng len thông minh

Dụng lượng mạng, phạm vi phủ sóng điền đầy "điểm chết", ít trạm gốc hơn, QoS cao

hơn, các dịch vụ mói -> Các lợi ích

Thị trường mới cho các trạm gốc hiện đại hơn,

điếu khiển mạng vô tuyến mềm dẻo hơn

QoS cao hơn, linh hoạt hơn, bảo mật thõng tin, các dịch vụ mái, tuổi thọ ắc quy dài hơn

Chương 1: Tổng quan vế cõng nghệ áng ten thông minh 15

Với các đặc điểm chính của ăng ten thông minh như: thu độ nhạy cao, có thể thực hiện đa truy nhập phân chia theo không gian, loại bỏ nhiễu ờ đường lên và đường xuống, giảm ảnh hường cùa pha đinh đa đường Xét trên phương diện hệ thống, điểu này

sẽ dẫn đến dung lượng hệ thống cao hem, phạm vi ô được mở

rộng, phạm vi phù sóng tăng lên bằng cách điền đầy các điểm chết"', chất lượng dịch vụ cao hơn, công suất tiêu thụ của máy di động thấp ờ trạm di động và khả năng điều khiển công suất tiêu thụ (xem hình 1.3 và 1.4)

Công nghệ ăng ten thông minh là một trong các công nghệ

mới đã được đề nghị sử dụng trong mạng vô tuyến tổ ong mới nhằm cải thiện chỉ tiêu cùa hệ thống Ăng ten thông minh có thể kết hợp với các kỹ thuật khác như tách sóng đa người sử dụng,

phân tập phân cực và mã hóa kênh trong mạng vô tuyến tổ ong

Các tiêu chuẩn của giao diện không gian đang dần trở nên gần gũi với ăng ten thông minh và sự xuất hiện cùa phẩn mềm vô tuyến làm cho ăng ten thông minh có thể tối ưu hóa kiến trúc

mạng vô tuyến và tích hợp ăng ten thòng minh vào trong mô-đem thích nghi trong tương lai

Một câu hòi đặt ra: Tại sao ăng ten thông minh mới được chú ý đặc biệt chỉ trong vài năm trờ lại đây mà không phải tù

khoảng 10 năm về trước? Câu trả lời có lẽ là không đúng nếu cho rằng đa số các nhà khai thác đã không thấy cần phải lo lắng

nhiều lắm về dung lượng và hiệu quả phổ tần của hệ thống thông tin di động Thực tế về sau cho thấy, nếu các trạm gốc phải bám

111 "Điểm chết" là vị trí mà sóng vô tuyến điện không truyền đến dược hoặc truyền đến rất yếu do điều kiện truyền sóng bất lợi trong mồi trường thực tế, gây ra bởi các vật càn che chắn dày đạc hoặc do địa hình quá lồi lõm Vì vậy tại các "điểm chết", thõng tin vô tuyến khó thực hiện đuọc hoặc không đảm bảo chất lượng liên lạc

16 Áng ten thõng r theo đổng thời một số lượng lớn người sử dụng mạng, thì các giá trị tính toán trong hệ thống là rất lớn, đây chính là nguyên nhăn càn trờ việc đưa ăng ten thông minh vào mạng thực tế Chì đến gần đây nhò sự ra đời của các bộ xử lý tín hiệu số (DSP: Digital Signal Processor) giá rẻ và đầy sức mạnh, các bộ xử lý da mục đích, cũng như các kỹ thuật xử lý tín hiệu bằng phần mém (tỉ được cải thiện rất nhiêu, giúp cho công nghệ ăng ten thông minh trờ thành hiện thực trong hệ thông thông tin di động

1.1.3 VỊ trí của cóng nghệ ăng ten thông minh

trong thông tin di động tổ ong

Ăng ten thông minh làm tăng độ phức tạp và chi phí của hệ thống nhưng mặt khác việc điều khiển và quy hoạch mạng dẻ dàng hơn Mối quan hệ của ăng ten thông minh với các thành phần khác trong thiết kế mạng tổ ong được mô tả như ờ hình 1.5

Quy hoạch mạng

Quản lý,

diều khiển mạng

Cõng nghê IC Chuyển mạch vỏ tuyên

Thuật toán và cấu trúc máy thu Giao điên không gian

•ìlĩ Ị 5 Mối quan hệ của công nghệ ăng ten thông minh với các thành phàn chính của thiết kế mang toong

Chương ì: Tổng quan vé công nghệ ăng ten thông minh 17 Các thành phần như thuật toán và cấu trúc máy thu ăng ten thông minh, quy hoạch mạng, điều khiển mạng là các thành phần chính cùa mạng đã được nghiên cứu trước công nghệ ăng ten thông minh Trong thập kỳ 1990 người ta rất lưu ý vào các phương pháp tối ưu hóa ăng ten thông minh, các tiêu chuẩn, các kỹ thuật

dự báo kênh và cấu trúc máy thu Song sự hội nhập cùa công nghệ ăng ten thông minh vào mạng hiện tại và tương lai vẫn chưa thực sự nổi trội

Mối liên quan hai chiều giữa công nghệ ăng ten thông minh với các thành phẩn khác trong mạng là rất chạt chẽ Muốn cài thiện chì tiêu mạng vô tuyến, các thuật toán và cấu trúc máy thu ảng ten thông minh sẽ phải tối ưu hóa theo điều kiện truyền dẫn, môi trường nhiễu, tải yêu cầu tương ứng và Bự di 'chuyên cừu người sử dụng trong ỏ mà các tham số này lạ ttic8|quBW»f{flỊ)! BI hoạch mạng TRUNG TÂM HỌC LIỆU Mặt khác các tham sô máy thu ăng ten thông minh rát quan trọng cho dung lượng, vùng phủ và quy hoạch nhiêu trong mạng nên các tham số này phải tương tác chật chẽ với giao thức điều khiển mạng ờ các lớp khác nhau Các thuật toán ăng ten thõng minh sẽ phải tương thích và tối ưu hóa với giao thức mạng Trong khi vừa duy trì chất lượng kết nối yêu cầu, giao thức điều khiển lớp đoạn kết nối vừa thực hiện giám sát kênh và nhiễu, còn các lớp cao hơn của giao thức này phải phân phối tài nguyên vò tuyến với tín hiệu yêu cầu nhò nhất

Việc lựa chọn một thuật toán và cấu trúc máy thu ăng ten thông minh còn phụ thuộc vào giao diện vô tuyến và các tham số của nó Một số các yếu tố kỹ thuật có liên quan đến lựa chọn

18 Ang ten thõng minh thuật toán và cấu trúc máy thu là: phương pháp đa truy nhập, phương pháp truyền song công, khả năng hoa tiêu, điều chế phán tập, phân kênh lớp vặt lý và cấu trúc khung

Trong việc quy hoạch mạng, các ăng ten thòng minh có thể kết hợp tốt với các kỹ thuật khác như là nhảy tấn, phân láp macrô Các nhà thiết kế hệ thống có một số giải pháp để tối ưu hóa vị tri trạm gốc và các tham số ăng ten cho sự phân phổi tài và môi trường truyền dẫn Một số chiến lược khả dụng là: sử dụng ảng ten thông minh ờ trạm gốc ờ đường lên để tăng vùng phù sù dụng ăng ten thông minh đồng thời ở đường xuống và dường lên

để cải thiện dung lượng Có thể sử dụng áng ten thông minh ờ trạm di động mà không cài đặt ăng ten tại trạm góc, ăng ten thòng minh cũng có thỉ cài đặt đổng thời tại trạm gốc và trạm di động đe ỊỉịiặtỊ lận bác kênh song song SDMA (Spatial Division Multipíé.Acbess: Efa truy nhập theo không gian) giữa một máy di

;dạỊVg.\ầAiiạm gác* Trong trường hợp này có thể truyền tốc độ cao hơn bắng cách tách luồng dữ liệu vào các kênh song song

Đê có thể hiểu rõ hơn được khả năng, ảnh hưởng cùa ăng len thông minh trong hệ thống thông tin di động, sau đây chúng ta sẽ tìm hiếu một cách khái quát về thuật toán và cấu trác máy thu ăng ten thông minh

Ì 2 CÁC THUẬT TOÁN VÀ CẤU TRÚC MÁY THU ĂNG TEN THÔNG MINH

1.2.1 Nguyên tác và các mức độ thõng minh

cùa ăng ten thông minh

Cụm tù "Smart Antenna" có nghĩa như thế nào? Cơ sờ lý thuyết về ăng ten thòng minh không phái là mới, ý tường cùa ky

Chương 1: Tổng quan về cõng nghệ ăng ten thông minh 19 thuật dã được sử dụng từ nhiều năm về trước trong Chiến tranh Điện từ (EWF) như là các biện pháp dối phó với nhiễu điện từ Các hệ thống ra-đa quân đội cũng có những kỹ thuật tương tụ đã được sử dụng trong Chiến tranh Thế giới lần thứ Hai

Về nguyên tắc, có một số cách làm cho búp sóng ăng ten có thể điều chình được một cách thích nghi, ví dụ như các ăng ten được điều khiển bằng cơ học

Kỹ thuật duy nhất dùng để sù dụng cho các hệ thống di động trên mặt đất và thông tin cá nhân là dàn ăng ten bời vì để định dạng được búp sóng cùa ăng ten thông minh, nguyên tắc chung

là sử dụng dàn ăng ten

Vói suy nghĩ là các nguồn nhiễu hiếm khi ả cùng một khu vực địa lý với người sử dụng, vì vậy nếu khuếch đại đô tăng ích ăng ten theo hướng mong muốn và đồng thời đặt huống phát

xạ nhò (càng gần giá trị 0 càng tốt) vào hướng của nhiễu thì chất lượng của kết nối thông tin có thể được cải thiện một cách đáng

kể Trong các hệ thống thông tin cá nhân và di động, nguồn nhiễu là những người sử dụng khác với một người sử dụng hiện đang sử dụng

Trên đây là khái niệm có tính mở để cho ta có thể nhặn thấy

sự khác nhau giữa một ăng ten thích nghi (thông minh) với một ăng ten cố định (không thông minh), đó là đặc tính có búp sóng ăng ten thích nghi so với búp sóng cố định (hình 1.2)

Thông thường, từ "ăng ten" chi bao gồm một cơ chế chuyển đổi sóng điện từ tự do (EM: Electro-Magnetic - Điện từ) thành tín hiệu tần số vô tuyến (RF: Radio Frequency) di chuyển trong mội cáp bọc và các phần tử phát xạ Còn trong cụm từ ăng ten

20 Ang ten thõng minh thông minh, từ "ăng tenna" có một ý nghĩa rộng hơn, nó bao gồm một số các phần tử phát xạ, một mạng kết hợp/chia tách và một khối điều khiển Khối điêu khiển có thể được gọi là trí tuệ cùa ăng ten thông minh, thông thường được thực hiện bắng việc

sử dụng một bộ xử lý tín hiệu số (DSP) Bộ xử lý điểu khiển các tham số tiếp sóng cho ăng ten, dựa trên một số đầu vào, nhằm tối

ưu hóa tuyến kết nối thông tin (hình Ì 6)

sử dụng các khái niệm về mức độ thông minh sau:

- Búp sóng chuyển mạch (SL: Switched Lobe): Chuyển mạch búp sóng còn được gọi là chùm sóng chuyển mạch Đó là một kỹ thuật đơn giản và chì gồm có một chức năng chuyển mạch cơ bản giữa các ăng ten hướng theo các hướng khác nhau hay giữa các chùm sóng dược xác định từ trước cùa một đàn ăng ten Sự

Chương 1: Tổng quan về công nghệ ăng ten thông minh 21 chuyển mạch nhím chọn chế độ làm việc tốt nhất, thường đánh giá dưới dạng năng lượng thu vào Bởi vì độ định hướng cao hơn

so với một ăng ten thông thưòng, nên tăng thêm độ tăng ích nào

đó Ăng ten kiểu này dễ thực hiện hơn trong các cấu trúc tế bào đang tồn tại so với các ăng ten 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 Arriaval - Hướng của tia tới) đối với tín hiệu thu được từ người sử dụng, có thể thực hiện bám thuê bao liên tục và nó được xem như là một khái niệm chuyển mạch búp sóng theo nghĩa chung nhất Trong trường hợp này công suất thu được khuếch đại (hình 1.7)

Búp sóng chuyển mạch Dàn pha động Dàn thích nghi

Hình ỉ.7 Sự khác nhau giữa các mức độ ăng ten thông minh

22 Ẳng ten thông minh

- Dàn thích nghi (AA: Adaptive Array): Trong trường họp này thuật toán DOA được dùng để xác định hướng các nguồn nhiễu (la những người sử dụng khác nhau) Sau đó giàn đổ phát

xạ được điều chình tới mức 0 về phía không mong muôn tránh khỏi nhiễu Thêm vào đó, bằng việc dùng các thuật toán đặc biệt

và kỹ thuật phân tập không gian, ăng ten thích nghi có thể thu các tín hiệu đa đường và kết hợp chúng lại thành tín hiệu có ích Nhờ vậy tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SIR: Signal to Interference Ratio) hay tỳ sô tín hiệu trên tạp âm và nhiễu (SINR: Signal to Interíerence plus Noise Ratio) sẽ được cực đại

1.2.2 Phản loại máy thu ăng ten thòng minh

Cấu trúc của máy thu ăng ten thông minh được gắn liền với các thuật toán định dạng chùm sóng và cấu hình vật lý cùa ăng ten thông minh (hay dàn ăng ten) Sự kết hợp giữa các thành phần này tạo nên mức độ thông minh của ăng ten thông minh Cấu trúc máy thu ăng ten thông minh có thể phần thành một

sô loại sau:

a Máy thu búp hướng chuyển mạch (hay còn gọi là chùm sóng chuyển mạch)

b Máy thu xử lý chì miền không gian

c Máy thu xử lý không gian - thời gian

d Máy thu tách sóng không gian - thời gian

Loại máy thu đẩu tiên (a) có nhiều búp sóng cố định, có thể đạt mức độ thông minh cùa PA Ba loại máy thu sau (b, c, d) thuộc hệ thõng ăng ten thích nghi có giản đồ ăng ten thay đổi thích ứng với điều kiện truyền sóng và thông minh nhất

Chương 1: Tổng quan về cõng nghệ ăng ten thông minh 23

Sự phân chia này có tính tương đôi nhất định vì trong một sô

trường hợp, các loại máy thu khác nhau có thể có cùng nguyên

tắc xử lý thông tin hoặc thuật toán định dạng chùm sóng, hay

cùng một loại máy nhưng ờ trong hệ thống khác nhau (như GSM

hoặc CDMA) thì chúng sẽ ít nhiêu khác nhau,

Nói chung, một hệ thống ăng ten thông minh có thế được

cấu thành bởi một mạch định dạng chùm sóng cố định, hoặc một

tập các bỏ vi xử lý thích nghi, hoặc cả hai Mạch định dạng chùm

sóng cố định tạo ra M chùm sổng từ M phần tử ăng ten cỏ độ lợi

thấp Tập các bộ vi xử lý thích nghi tách ra K tín hiệu từ M tín

hiệu đầu vào

1.2.2.1 Hệ thống búp hướng chuyến mạch

a Mạch định dạng chùm sóng cố định (FBN)

Mạch này được mô tả bời ma trận T có M hàng Véc tơ tín

hiệu tại đầu ra của ma trận là y(t) liên hệ với véc tơ tín hiệu tại

đầu vào u(t) theo:

Mồi đầu ra của FBN (Fixed Beamforming Network) là một

chùm sóng và tương ứng với véc tơ trọng sô chuỗi nằm trong một

cột cùa ma trận T Thông thường mạch định dạng chùm sóng

được sử dụng để tạo ra M chùm sóng từ M phần tử ăng ten Ma

trận định dạng chùm sóng cỡ MxM có dạng như sau:

24 Ăng ten thòng minh Các chùm sóng trực giao với nhau nếu véc tơ trọng số úng với mỗi chùm sóng là trực giao với véc tơ trọng số ứng với chùm sóng kia Nếu ma trận T có kích thước MxM với các cột trục giao thì FBN hữu ích cho cà hệ thống chùm sóng chuyển mạch lẫn hệ thống chùm sóng thích nghi được tạo ra bời một tập các

bộ xử lý chuỗi thích nghi

Thí dụ một giải pháp đơn giản sử dụng cho mạch định dạng chùm sóng như bộ cầu ghép 90° trong ma trận Butler (bàng 1.1) Mạch này thường được sử dụng ờ tầng RF Có thể thấy rằng các véc tơ trọng số tương ứng với mỗi cổng trong bàng Ì Ì là trực giao vói nhau

Thay cho việc dựa vào FBN, các hệ thống ăng ten thông minh có thể sử dụng một tập các bộ xử lý chuỗi thích nghi Mỗi

bộ xử lý chuỗi thích nghi là một mạch thay đổi theo thời gian, sử dụng véc tơ trọng số wt I để thu được tín hiệu K tại thời điểm chi

số thời gian i Thông thường có sự phản hồi từ tầng điểu chế dể thích ứng với véc tơ trọng số Khi bộ xử lý chuỗi thích nghi được kết hợp sử dụng thì FBN là tùy chọn nếu ma trận FBN có cỡ MxM với các cột trực giao Báng l ì Pha các phán tử cùa bộ lạo tin

có ma trận Butler 4x4

Phần tử

ăng ten 1 ăng ten 2 Phẩn từ ăng ten 3 Phẩn tử ăng ten 4 Phin tử chùm sóng Hướng thinh phin Pha nội cổng 1 -45° -180° •45° •90° -138.6° -13S1 Cổng 2 -0° -45° -90" -135° -104.5° -tó1 Cổng 3 -135' -90° -45» 0° 75.5° 45« Cổng 4 -90° -45° -180° -45° 41.4" 135"

Chương ti Tổng quan vé công nghệ ăng ten thông minh 25 Bất kỳ giải pháp chuỗi thích nghi nào đạt được mà không dùng FBN thì cũng đạt được khi sử dụng cùng với FBN Nói một cách khác, trong trường hợp cố định FBN không làm giảm chỉ tiêu tĩnh của một bộ xù lý chuôi thích nghi

Thực tế khi sử dụng FBN kết hợp với bộ xử lý chuỗi thích nghi trong hệ thống ăng ten thông minh kết hợp định dạng chùm sóng RF/IF (hình 1.8), thì FBN còn có thể cải thiện chỉ tiêu của

bộ xử lý chuỗi thích nghi bằng cách sử dụng phương pháp tiền lựa chọn theo không gian, nhờ đó mà xuyên âm đến từ các tín hiệu khác với tín hiệu mong muốn bị giảm bớt trước khi đi vào

bộ xử lý chuỗi thích nghi Đặc biệt, vì dải động là một giới hạn chính trong việc thiết kế các bộ biên đổi tương tự/số có độ rộng băng tần lớn nên tác dụng của tiền lựa chọn theo không gian có thể làm đơn giản hơn việc ứng dụng hệ thống chuôi thích nghi

bộ

xử lý chuỗi thích nghi

A/D

tín hiệu K-1

Giải mã tín hiệu 0 Giải mã tín hiệu 1

M phấn tử

ăng ten M chùm sóng lối ra M tín hiệu đi vào

K tín hiệu được giải mã KÌM

Hình ỉ 8 Sơ đồ cấu trúc hệ thống ăng ten thông minh định dạng chùm sóng kết hợp RF/IF

26 Ang ten thõng minh

b Hệ thống chùm sóng chuyến mạch

Là hệ thống ăng ten thông minh sử dụng mạch định dạng chùm sóng cố định, có cấu trúc tương đối dơn giàn, chi yêu cấu một mạch định dạng chùm sóng FBN, một chuyển mạch RF và một mạch logic điều khiên để chọn một chùm sóng tốt nhất cho việc nhận tín hiệu mong muốn, bằng cách chọn một đầu ra trong

số M véc tơ trọng số xác định được chỉ ra ở công thức (Ì 2) Hình 1.9a mô tả sơ đồ cấu trúc cùa hệ thống chùm sóng chuyển mạch và một số đặc điểm của nó, ờ đây FBN được thể hiện bằng ma trận Butler Nếu đáu ra sau chuyển mạch RF có nhiều bộ thu thì mỗi bộ thu phải được thiết kế riêng một bộ chọn chùm sóng Cơ chế để chọn chùm sóng hiệu quả rất phức tạp tùy thuộc vào hệ thống FDMA, TDMA hay CDMA mặc dù có thể áp dụng hệ thòng chùm sóng chuyển mạch vào tất cả các phương pháp đa truy nhập này

Hình Ì 9b mô tả giản đồ phát xạ cùa hệ thống chùm sóng chuyển mạch Các búp sóng là cố định, búp sóng nào thu tín hiệu lớn nhất sẽ được chọn

Chùm sóng

Hướng tín hiệu

được thiết kế

Chùm sóng 4

Tin hiệu nhiêu

LNA: Bộ khuếch đại tạp âm thấp DC: Bộ hạ tần

ADC: Bộ chuyển đổi tương lự/số

Ma trận Butler

Ngưài

sử dụng f*fr*| LNA HũCvảADcỊ—-Chuyển mạch RF Cấu trúc của các ăng ten chùm sóng chuyển mạch

Đặc điểm: Chia nhỏ dẻ quạt thành các chùm sóng hẹp

Máy thu quét xác định búp sóng tốt nhắt đối vãi mỗi người sử dụng Chất lượng xấu hơn so với các hệ thống thích nghi

Hình 1.9a Hệ thống chàm sóng chuyển mạch

28 Ang ten mồng minh

Hình 1.9b Mầu phù sóng cùa hệ thống chùm sóng chuyển mạch 1.2.2.2 Hệ thống ăng ten thích nghi

Hệ thống này bao gồm các máy thu sử đụng các thuật loàn

thích nghi trọng số, được phân thành loại máy thu chi xử lý trong

miền không gian và máy thu xử lý cả trong miền khống gian và

thời gian

Trong hệ thống ăng ten thích nghi, do tăng tính phức tóp cùa

việc xử lý tín hiệu liên tiếp, cho nên có đặc tính tốt hơn nhiêu so

với những gì đạt được bằng cách sử dụng hệ thống chùm sóng

chuyên mạch đã nói ờ trên Nguyên tắc chung cùa hệ thống ảng

ten thích nghi là xử lý tín hiệu và định dạng chùm sóng theo các

thuật toán thích nghi trọng số để tìm ra véc tơ trọng số tối ưu, từ

đó thiết lập được dạng chùm sóng tốt nhất cho hoạt động cùa hệ

thống thòng tin dùng ăng ten thông minh Trên nguyên tắc này,

các loại ăng ten thích nghi đểu cùng sử dụng một số thuật toán

thích nghi và kỹ thuật định dạng chùm sóng nhất định trong

thực tế

Chương 1: Tổng quan về công nghệ ăng ten thông minh 29 Cấu trúc của hệ thống ăng ten thích nghi được biểu diễn trên hình ì.lo Phần thu của ăng ten thông minh bao gồm các khối: khối các phần từ ăng ten, khối vô tuyến, khối định dạng búp sóng

và khối xử lý tín hiệu (tạo tín hiệu lỗi, thuật toán thích nghi ) Trong đó khối vô tuyến bao gôm chuỗi các bộ hạ tần để đổi tẩn

số RF thu được từ phần tử ăng ten xuống băng gốc, sau đó đưa qua các bộ chuyển đổi A/D và đi vào bộ xử lý chuồi thích nghi

Hình Ị 10 Cấu trúc hệ thông ăng ten thích nghi

Khối xử lý tín hiệu dựa trên các tín hiệu thu được sẽ tính toán véc tơ trọng số wki Véc tơ trọng số này được điều chỉnh thích nghi một cách tối ưu, nhằm đưa ra một giản đổ ăng ten có

30 Ang ten thông ninh khá năng tối đa độ lớn cùa tín hiệu được đưa đến bộ giải điểu chí dối với tín hiệu k tại chi sô thời gian i Dãy d; dược lạo ra là ước lượng hoặc sự thay thế tín hiệu mong muôn cùa người sử dụng thứ i tại đầu ra cùa hệ thống ăng ten thích nghi

Hình 1.11 Các giàn đồ ăng ten kết quả cùa SL, PA và AA

khi định dạng chùm sóng cho mật tin hiệu

Các loại máy thu ăng ten thông minh khác nhau có chái lượng định dạng chùm sóng khác nhau, tỷ lệ với độ phức tạp cùa chúng Hình 1.11 mô tả sự so sánh chất lượng định dạng chùm sóng cùa các loại máy thu ăng ten thông minh ứng với 3 mức dỏ thông minh SL, PA và AA Trong hình 1.11, chú ý xem AA điểu chinh điểm 0 cùa giản đồ bức xạ về hướng nguồn nhiễu mạnh nhất, khi so sánh với PA và SL

Chương 1: Tổng quan về công nghệ ăng ten thông minh 31

a Máy thu xử lý chỉ miền không gian

Loại máy thu này xử lý các tín hiệu thu được chì theo miền

không gian ưu điểm là giảm nhiễu đồng kênh (CCI: Co-Channel

Interference) Để định dạng chùm sóng, nó có thể dùng các

thông tin cấu trúc không gian của tín hiệu như góc phát xạ của

tín hiệu thu được, định dạng chùm sóng theo hướng tới (DoB),

hoặc thông tin về đặc điểm cấu trúc phổ theo thời gian hay các

đặc tính của tín hiệu thu (SSBF: Signal Structural BeamForming

-Định dạng chùm sóng dựa trên cấu trúc dữ liệu), hoặc định dạng

chùm sóng dựa trên một tín hiệu hướng dẫn (TRB: Time

Reíerence Beamíorming - Định dạng chùm sóng tham khảo theo

thời gian) Cấu trúc chung của máy thu ăng ten thông minh xử lý

miền không gian có thể mô tả như hình 1.12

cấu trúc của các ăng ten với lọc không gian

y(n) = x(n).v»(n)T

xin) = [x,(n) x„(n)]

w(n) = [w,(n) wM(n)]

xM(n): Tín hiệu ăng ten thứ M

wM(n): Trọng số ăng len của phẩn tử ăng ten thử M

-f- =j=»- Đẩu ra y(n)

Hình ỉ.12 Cấu trúc cùa máy thu áng ten thông minh xửỉý không gian

32 Ang ten thõng minh Máy thu chì xử lý miền không gian có đặc điểm sau:

- Đòi hỏi M dãy máy thu;

- Các tín hiệu thu được hạ tần xuống băng gốc và được lấy mẫu;

- Các tín hiệu cùa mỗi dãy máy thu được nhân với trọng số liên hợp w, sau đó được cộng lại với nhau

b Máy thu xử lý không gian - thời gian

Hình 1.13 là cấu trúc và một số đặc điểm cùa máy thu xù lý không gian - thời gian Loại máy thu này kết hợp kỹ thuật xù lý không gian với phân tập thời gian, nhờ vậy đạt được ưu điểm của

cả hai phương pháp phân tập thời gian (chống pha đinh) và xử lý theo không gian (giảm cơ) Thời gian giữa các phần từ ăng ten đầu ra là T

Máy thu xử lý không gian - thời gian có đặc điểm sau:

- Tín hiệu được đưa vào các bộ cân bằng truyền thống, sau

đó được kết hợp lại với các độ trễ khác nhau;

- Mồi phần tử ăng ten có một bộ cân bằng riêng biệt;

- Các trọng số không gian và thời gian dược tính theo phương pháp lặp

Trong phán lớn các trường hợp, đây là sự kết hợp cùa máy thu RAKE, bộ cân bằng kênh và ăng ten thông minh

33

Sự thích nghi trọng số không gian

—

••• < *~

Sự thích nghi trọng số không gian

Sự thích nghi trọng

Hình 1.13 Máy thu xử lý không gian - thời gian

c Máy thu tách sóng không gian - thời gian

Hình 1.14 là sơ đổ cấu trúc và các đặc điếm chính của loại máy thu ăng ten thông minh áp dụng công nghệ mới nhất, đã hợp nhất xử lý theo không gian và thời gian

Máy thu tách sóng không gian - then gian có đặc điểm sau:

- Tách sóng và cân bằng không gian - thời gian được kết hợp thực hiện chung với nhau;

- Cung cấp các chì tiêu, chế độ làm việc tốt nhất;

- Độ phức tạp cao nhất

34 Ang ten mãng ninh

Hình 1.14 Máy thu tách sóng không gian - thời gian

1.2.3 Các thuật toán thích nghi trọng số

Định dạng chùm sóng là nhiệm vụ cơ bản nhất cùa ăng ten thông minh và được tiến hành theo 3 bước:

Thứ nhất là ước lượng (đánh giá) hướng tới của mọi thành phân đa đường Bước tiếp theo xác định xem tín hiệu tới lừ một hướng xác định là cùa người sử dụng mong muốn hay cùa nguồn nhiễu Thứ ba là tính toán các trọng số ăng ten tối ưu cho SINR

và sử dụng mẫu này để thu túi hiệu trên thực tế