Nghiên cứu hệ thống anten thông minh trong thông tin di động

Đề tài về anten là một đề tài rộng và cần nhiều kiến thức chuyên sâu, đặc biệt là anten thông minh. Các lĩnh vực liên quan tới nó là rất nhiều, bao gồm trường điện từ, anten, lan truyền sóng, thông tin, xử lý ngẫu nhiên, lý thuyết thích nghi, ước lượng phổ, và xử lý tín hiệu mảng. Trong phạm vi đồ án, do thời gian có hạn cũng như kiến thức bản than còn hạn chế nên em chỉ dừng lại ở mức độ lý thuyết về anten thông minh và các vấn đề cơ bản về anten (chương 2) đồng thời mô phỏng các giải thuật ước lượng hướng góc tới (chương 4). Qua đó có thể ứng dụng vào việc ước lượng hướng góc tới (chương 3), nhằm đưa ra các giải pháp phát triển anten thông minh để từ đó áp dụng vào các hệ thống thực tế làm tăng độ phủ sóng và tăng dung lượng của mạng 3G hoặc ứng dụng vào các trạm di động để tăng tốc độ downlink thõa mãn nhu cầu thị trường di động, hoặc xa hơn nữa là ứng dụng anten thông minh trong các hệ thống MIMO.Một số hướng phát triển để tài như dùng anten thông minh làm điểm tựa để có thể phát triển để nghiên cứu hoặc xây dựng hệ thống MIMO, ứng dụng vào WCDMA, xây dựng hệ thống 3G.

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu chương

Chương này gồm 2 mục chính là giới thiệu về anten và cơ sở về anten, nhằm lý giải về lợi ích rất lớn của việc phát triển nhanh chóng lĩnh vực anten thông minh Để thiết kế và phân tích anten thông minh đòi hỏi kiến thức thực hành của nhiều lĩnh vực khác nhau và liên quan đến kiến thức nhiều môn học bao gồm các kiến thức các quá trình ngẫu nhiên, điện từ, truyền sóng, các phương pháp ước lượng phổ, các kỹ thuật thích nghi…Đặc biệt là việc thiết kế anten thông minh dựa trên

lý thuyết cơ bản về anten, do đó, trong chương này cũng trình bày một số vấn đề cơ bản của anten như độ rộng búp sóng, độ định hướng, góc khối của anten, độ lợi, diện tích hiệu dụng, công suất bức xạ đẳng hướng tương đương

1.2 Giới thiệu về anten

1.2.1 Giới thiệu chung về Anten

Năng lượng điện từ có thể được truyền đi theo hai cách:

- Dùng các hệ truyền dẫn, nghĩa là các hệ dẫn sóng điện từ như đường dây song hành, đường truyền đồng trục, ống dẫn sóng kim loại hoặc điện môi v.v Sóng điện từ truyền lan trong các hệ thống này thuộc loại sóng điện từ ràng buộc

- Bức xạ sóng ra không gian, sóng sẽ được truyền đi dưới dạng sóng điện từ tự do

Thiết bị dùng để bức xạ sóng điện từ hoặc thu nhận sóng từ không gian bên ngoài được gọi là anten Anten có chức năng chuyển đổi năng lượng điện từ từ một môi trường này (từ không gian) thành tín hiệu điện ở một môi trường khác (dây dẫn, cáp đồng trục hoặc ống dẫn sóng…) và ngược lại Các thiết kế vật lý của anten có thể thay đổi tùy vào từng loại anten

Anten được ứng dụng trong các hệ thống thông tin vô tuyến, vô tuyến truyền thanh, truyền hình, vô tuyến đạo hàng, vô tuyến thiên văn, vô tuyến điều khiển từ xa v.v…Trong thông tin mặt đất hoặc vũ trụ, ra đa, vô tuyến điều khiển thì yêu cầu anten bức xạ với hướng tính cao, nghĩa là sóng bức xạ chỉ tập trung vào một góc rất hẹp trong không gian

Ngày nay, sự phát triển của kỹ thuật trong các lĩnh vực thông tin, ra đa điều khiển v.v… đòi hỏi anten không chỉ đơn thuần làm nhiệm vụ bức xạ hay thu sóng điện từ mà còn tham gia vào gia công tín hiệu Trong trường hợp tổng quát, anten là một tổ hợp gồm nhiều hệ thống, trong đó chủ yếu là hệ thống bức xạ, hoặc cảm thụ sóng bao gồm các phần tử anten (dùng để thu hoặc phát), hệ thống cung cấp tín hiệu đảm bảo việc phân phối năng lượng cho các phần tử bức

xạ với các yêu cầu khác nhau (trường hợp anten phát), hoặc hệ thống gia công tín hiệu (trường hợp anten thu)

1.2.1.1 Anten vô hướng

Hình 1.1 Anten vô hướng và vùng phủ sóng

Anten vô hướng phát và thu như nhau trong mọi hướng Phương pháp này tán xạ các tín hiệu, khi tới được đúng đối tượng sử dụng thì năng lượng tín hiệu chỉ bằng một phần nhỏ tổng năng lượng đã phát xạ vào môi trường

Kỹ thuật anten vô hướng không thể loại bỏ tín hiệu gây nhiễu và không có khả năng định hướng đa đường không gian

1.2.1.2 Anten định hướng

Anten định hướng được xây dựng để có các hướng phát và thu ưu tiên cố định Ngày nay, rất nhiều tháp anten thông thường phân chia thành các tế bào hình quạt Một vùng 3600 thường được phân chia thành 3 vùng nhỏ 1200 Các anten quạt cho độ tăng ích cao hơn trong những vùng hạn chế của góc phương vị khi so sánh với các anten vô hướng

Hình 1.2 Anten định hướng và vùng phủ sóng

1.2.2 Anten thông minh là gì?

Thuật ngữ “anten thông minh” nói chung là để chỉ bất kỳ anten mảng nào, được nối đến bộ

xử lý tín hiệu phức tạp, bộ xử lý này có thể hiệu chỉnh hay làm thích nghi các đồ thị búp sóng của chính nó để làm nổi bật các tín hiệu có ích và tối thiểu các tín hiệu nhiễu

Top ViewSide View

Anten thông minh thường bao gồm cả hai hệ thống thích nghi chuyển búp và định dạng búp Các hệ thống chuyển búp sẽ chứa một vài mẫu búp sóng cố định trong đó, qua đó, búp sóng tới

sẽ được chọn khi muốn truy cập tại bất kỳ thời điểm cho trước nào, tùy thuộc vào các yêu cầu của hệ thống Các hệ thống thích nghi định dạng búp cho phép anten lái búp tới bất kỳ hướng nào có ích đồng thời cũng làm triệt các tín hiệu nhiễu Khái niệm anten thông minh trái ngược với búp cố định “anten đổ”, không làm thích nghi đồ thị bức xạ của nó tới môi trường trường điện

từ thường xuyên thay đổi Trong những năm trước, anten thông minh được gọi là anten mảng thích nghi hoặc các anten mảng định dạng búp sóng bằng số Thuật ngữ mới này phản ánh đúng

kỹ thuật “thông minh” của chúng ta ngày nay và chỉ ra một cách rõ ràng hơn rằng một anten mảng thích nghi được điều khiển bởi quá trình xử lý tín hiệu tinh vi

1.2.3 Các lợi ích của anten thông minh

Anten thông minh có rất nhiều lợi ích quan trọng trong các ứng dụng không dây cũng như là các cảm biến như rađa Trong thế giới của các ứng dụng không dây di động, anten thông minh có thể làm tăng dung lượng hệ thống bằng cách hướng các tia hẹo đến thuê bao có ích, trong khi triệt đi các thuê bao không có ích còn lại Việc này tạo ra một tỉ số tín hiệu trên nhiễu cao hơn, mức công suất thấp hơn, và có thể tái sử dụng tần số nhiều hơnn trong cùng một cell Khái niệu này được gọi là đa truy cập phân chia theo không gian (SDMA) Tại Hoa Kỳ, hầu hết các trạm gốc đều sectơ hóa mỗi cell với góc 120o Điều này sẽ làm tăng dung lượng hệ thống lên gấp 3 lần trong một cell bởi vì các thuê bao trong mỗi 3 sectơ này có thể chia sẽ cùng nguồn tài nguyên phổ với nhau Hầu hết các trạm gốc có thể được điều chỉnh để trang bị anten thông minh trong mỗi sectơ

Do đó, các sectơ 120o có thể được chia nhỏ hơn như hình Việc chia nhỏ hơn này giúp có thể sử dụng mức công suất thấp hơn, làm tăng dung lượng hệ thống và băng thông

Một lợi ích khác của anten thông minh là có thể làm giảm các ảnh hưởng có hại của hiệu ứng

đa đường Một thuật toán hằng số module để điều khiển anten thông minh có thể được hoàn thành để triệt đi các tín hiệu đa đường Việc này sẽ làm giảm pha đinh một cách đột ngột ở tín hiệu thu Tốc độ dữ liệu sẽ cao hơn vì anten thông minh có thể đồng thời vừa giảm can nhiễu cùng kênh vừa giảm hiệu ứng pha đinh đa đường Việc giảm đa đường không chỉ đem lại lợi ích cho thông tin di động mà còn cho nhiều ứng dụng của hệ thống rađa khác

Anten thông minh có thể được dùng để nâng cao các kỹ thuật tìm phương (DF) bằng kỹ thuật chính xác hơn đó là kỹ thuật tìm góc tới (AOA) Việc tích hợp một mảng rất lớn các kỹ thuật ước lượng phổ sẽ làm cô lập AOA bằng thuật toán hiệu chỉnh góc, thuật toán này sẽ khuếch đại

độ phân giải của mảng ướng lượng phổ đó lên Việc ước lượng chính xác góc tới (AOA) thì rất hữu dụng đặc biệt là trong các hệ thống rađa trong vấn đề giải quyết hiện tượng vật ảnh hoặc vật di chuyển Khả năng tìm phương (DF) của anten thông minh cũng có thể làm mở rộng phạm vi cung cấp dịch vụ trong hệ thống không dây vì nó có thể làm tăng khả năng xác định vị trí của một thuê bao di động đặc biệt Ngoài ra, anten thông minh thậm chí có thể hướng dãy búp sóng chính về phía các tín hiệu có ích khi không có tín hiệu tham chiếu hoặc chuỗi huấn luyện cho trước Khả năng này được gọi là định dạng búp sóng mù Anten thông minh cũng là một phần trong hệ thống thông tin MIMO và trong hệ thống rađa MIMO đa dạng sóng Vì mỗi dạng sóng khác nhau được phát từ một phần tử trong dãy anten phát và được kết hợp lại tại dãy anten thu, khi đó anten thông minh sẽ có vai trò trong việc xác định các mẫu bức xạ để làm tối ưu khả năng nhận diện tín hiệu đa đường Đối với hệ thống rađa MIMO, anten thông minh có thể khai thác tính độc lập

giữa các tín hiệu khác nhau tại mỗi dãy phần tử nhằm sử dụng phương pháp mục tiêu nhấp nháy đối với các tín hiệu có chất lượng đã được tăng, để tăng độ phân giải, và để làm giảm tín hiệu dội.

1.3 Cơ sở về anten

1.3.1 Mật độ công suất

Các trường được bức xạ bởi anten mang năng lượng có thể bị ngăn chặn bởi khoảng cách xa các anten thu Một ví dụ đơn giản, giả sử quá trình lan truyền của trường pha (phasor field) được phát ra bởi một điểm nguồn của anten đẳng hướng (isotropic antenna), được thể hiện trong tọa độ cầu :

Nếu bản chất môi trường là không tổn hao, thì các trường thay đổi tức thời theo

thời gian dễ dàng được suy ra từ biểu thức (1.1) và (1.2) :

Cường độ trường điện trong biểu thức (1.3) xem như là bức xạ theo hướng dương

của r và được phân cực theo hướng dương của θˆ Cường độ từ trường trong biểu thức (1.4) xem như là bức xạ theo hướng dương của r và được phân cực theo hướng dương của ˆø Hình 1.1 cho thấy các vectơ trường trong hệ tọa độ cầu

Hình 1.1 Trường điện từ bức xạ từ một nguồn điểm.

Các trường xa (far-field) này trực giao với nhau và tiếp xúc với hình cầu bán kính r Vectơ Poynting là tích có hướng (cross product) của các vectơ cường độ điện trường và các vectơ cường độ từ trường (vectơ Poynting : do John Henry Poynting tìm ra):

P E H = × W/m2 (1.5) Tích có hướng (cross product) theo chiều kim đồng hồ và theo hướng lan truyền của mật độ công suất (power density) Vectơ Poynting là thước đo mật độ công suất tức thời chảy ra từ nguồn Bằng cách thay biểu thức (1.3)

và (1.4) vào (1.5) và dùng phép đơn giản hàm lượng giác ta có :

2 0

1

ˆ ,

2

T r

Hình 1.2 Mật độ công suất từ một nguồn điểm đẳng hướng

Biểu thức (1.8) tương ứng với mật độ công suất trung bình bức xạ ra từ anten đẳng hướng

và biểu thức này không là một hàm của θ hoặc ø Trong các anten thực tế, mật độ công suất luôn luôn là một hàm theo r và ít nhất một tọa độ góc (angular coordinate) Nhìn chung, mật độ công suất có thể được trình bày như là một dòng chảy của công suất qua mặt cầu bán kính r như trong hình 1.2 Tổng công suất được bức xạ bởi anten được tính bằng tích phân mặt kín của mật

độ công suất trên biên mặt cầu của anten Điều này tương đương với việc áp dụng định lý phân kỳ (divergence theorem) cho mật độ công suất Tổng công suất được tính bởi :

( ) , 2 ( , , ) 2 r( , , )

U θ φ = r W r θ φ = r W r θ φ (1.12)

Dễ dàng thấy rằng công thức (1.12) có thể biểu diễn như sau:

ra một đồ thị bức xạ không đẳng hướng Hình 1.4 là một ví dụ về đồ thị 3-D trong hệ tọa độ cầu

Đồ thị anten hay đồ thị búp sóng (beam pattern) cho thấy hướng tín hiệu bị bức xạ

Hình 1.4 Đồ thị 3-D kiểu bức xạ của antenTrong hình 1.4 hướng bức xạ cực đại là hướng θ =0 hay là dọc theo trục z

1.3.3 Các thuật ngữ anten cơ bản

1.3.3.1 Độ rộng búp sóng

Độ rộng búp được đo tại điểm -3dB của đồ thị bức xạ Hình 1.5 là mặt cắt 2-D của hình 1.4

Độ rộng búp là góc giữa điểm -3dB Vì vậy, điểm -3dB còn được gọi là điểm nửa tia công suất

Hình 1.5 Độ rộng tia nửa công suấtTrong trường hợp đồ thị trường thay vì đồ thị công suất, điểm -3dB sẽ được chuẩn hóa về biên độ

0 0

4 ,

, sin

U D

1.3.3.3 Góc khối của anten

Góc khối của antenΩA là góc mà tất cả công suất bức xạ đi qua, nếu cường độ bức xạ của nó bằng với cường độ bức xạ của chính anten đó Góc khối của anten có thể được cho bởi công thức sau :

( )

0 2

A

U

d d U

θ θ φ

Góc khối anten có đơn vị là đơn vị góc khối (steradian) với một đơn vị góc khối được định nghĩa là một giá trị được tính bằng diện tích mặt cầu được giới hạn bởi hình chóp nón chia cho bình phương bán kính mặt cầu r2 Do đó có 4π đơn vị góc khối trên một mặt cầu Góc khối anten

là một dạng không gian của tạp nhiễu băng thông tương đương (noise equivalent bandwidth) trong viễn thông

1.3.3.4 Độ tăng ích (độ lợi)

Độ định hướng của một anten cho thấy tính định hướng của anten Anten có khả năng hướng năng lượng tốt hơn Tính định hướng giả sử rằng không có suy hao trong anten, suy hao vật dẫn, suy hao cách điện, và đường dây truyền sóng mất phối hợp Độ tăng ích của anten là một sự sửa đổi của độ định hướng bao gồm cả những hiệu ứng không có lợi của anten Độ lợi phản ánh nhiều hơn đặc tính thực tế của anten Công thức độ lợi của anten :

e là hiệu suất của anten bao gồm các ảnh hưởng của suy hao và mất phối hợp Đồ thị tạo ra bởi

độ tăng ích của anten thì giống như là đồ thị tạo ra bởi độ định hướng ngoại trừ hệ số tỉ lệ hiệu suất (efficiency scale factor) e

1.3.3.5 Diện tích hiệu dụng

Một anten có thể bức xạ công suât theo nhiều hướng ưu tiên khác nhau và nó cũng có thể thu nhận công suất từ các hướng ưu tiên giống nhau Đây được gọi là nguyên lí thuận nghịch Hình 1.6 là các anten phát và anten thu Anten phát thì phát đi công suất P1 (Watts) và bức xạ một mật độ bức xạ W1 (Watts/m2)

Hình 1.6 Anten phát và anten thuAnten thu chặn một phần mật độ công suất tới W1 bằng cách đó đưa công suất P2 đến tải Anten thu có thể được xem như một diện tích hiệu dụng của diện tích Ae2 bắt lấy một phần công suất khả dụng Dùng công thức (1.15) và (1.20) ta có thể viết công suất thu như sau :

e e

A Pe D

P A W

r

θ φ π

Với r1, , θ φ1 1 là hệ tọa độ cầu cục bộ cho anten 1

Nếu các anten trong hình 1.6 làm ngược lại anten thu phát và anten phát thu, ta

e e

A P e D

P A W

r

θ φ π

Với r2, , θ φ2 2 là hệ tọa độ cầu cục bộ cho anten 2

1.3.3.6 Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương (EIRP)

Là tổng công suất mà nó bức xạ bởi anten vô hướng, cường độ bức xạ của nó bằng với cường

độ bức xạ của anten đang xét Bởi vì, đối với một anten vô hướng thì công suất được bức xạ tổng bằng 4π lần cường độ bức xạ :

1.4 Kết luận chương

Một số vấn đề cơ bản về anten đã được trình bày khá cụ thể trong chương này Trong thế giới của các ứng dụng thông tin di động, những lợi ích to lớn của anten thông minh có thể áp dụng trong rất nhiều lĩnh vực như tăng độ phủ sóng và dung lượng trong mạng 3G, áp dụng trong các trạm di động, các hê thống MIMO Cụ thể sẽ được trình bày ở chương 2

CHƯƠNG 2 HỆ THỐNG ANTEN TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG 2.1 Giới thiệu chương

Chương này sẽ trình bày vai trò của anten trong thông tin di động bao gồm:

- Tăng độ phủ sóng và tăng dung lượng trong mạng 3G: tác động của anten thông minh đến dung lượng đường uplink và downlink

- Anten thông minh trong các trạm di động

- Anten thông minh trong hệ thống MIMO: các kỹ thuật đa anten này sẽ giải quyết được các nguyên nhân của can nhiễu và hiện tượng đa đường theo nhiều cách khác để hoặc làm giảm nhẹ tác động của chúng hoặc khai thác nó để tăng chất lượng hệ thống và tuyến thông tin

2.2 Tăng độ phủ sóng và tăng dung lượng trong mạng 3G

2.2.1 Tác động của anten thông minh đến độ phủ sóng và dung lương đường uplink

Vì độ phủ sóng đường uplink bị giới hạn, ngoại trừ đối với dữ liệu có tốc độ rất cao hoặc những dung lượng PA thấp (VD: các microcell), nênphần này sẽ tập trung vào vấn đề làm tăng độ phủ sóng bằng cách dùng anten mảng tại trạm gốc Mật độ của bộ thu BS này được xác định bằng

hệ số nhiễu, tốc độ symbol tối đa thu được, mức nhiễu của môi trường RF, và điểm khởi tạo

Nếu ta có thể giảm độ nhạy yêu cầu thì sẽ làm tăng dung lượng và/hoặc làm giảmcông suất phát di động Độ nhạy máy thu là

Với: C là công suất sóng mang.

N và IMAI là công suất nhiễu và can nhiễu đa truy cập.

Và tải của cell là

Với can nhiễu đa truy cập là

Nếu anten thông minh có thể làm giảm độ nhạy máy thu cần thiết về S’, thì sẽ làm

tăng dung lượng thêm và giảm công suất đi một lượng như sau

Ta có dung lượng và độ giảm công suất như sau

Trong hình 2.1, ta vẽ là một hàm theo độ lợi của mạng, có được bằng cách dùng anten thông minh cho các hệ số tải khác nhau Độ lợi mạng được xác định là tổng của tổng độ lợi trực tiếp, độ lợi hoặc tổn hao phân tập, và các loại tổn hao khác, như tổn hao kết hợp tương ứng với một vài quá trình thực hiện kỹ thuật búp

cố định Trong một hệ thống có 75% tải, một độ lợi 1 dB của độ nhạy máy thu có thể làm giảm công suất đi 3 dB Khi công suất phát giảm, tuổi thọ pin của thiết bị di động sẽ tăng.

Mặt khác, nếu cùng một công suất phát của thiết bị di động được giữ lại, sẽ đồng nghĩa với việc mởrộng phạm vi hoạt động Hình 2.2 biểu diễn khả năng tăng dung lượng mong muốn nhưng không làm giảm công suất Độ lợi 3 dB có 40% tải

hệ thống tương đương với việc tăng dung lượng lên khoảng 250% Tuy nhiên, trong trường hợp trên, nếu ta cho dung lượng tăng lên, tải hệ thống cũng sẽ tăng.

Hình 2.1 Độ giảm công suất và độ lợi

Hình 2.2 Độ tăng của dung lượng với độ lợi của mạng lưới khi công suất không giảm

Để kiểm soát và duy trì cùng một tải hệ thống này, công thức làm tăng dung lượng

hệ thống bên trên được sửa lại như sau

Biểu diễn biểu thức (2.7) ở hình 2.3 trong một hệ thống có 50% tải cho các hệ số giảm công suất khác nhau Đối với độ lợi 3 dB, công suất có thể giảm 50% và dung lượng sẽ tăng 33% Có thể tăng dung lượng lên 67.5% khi độ lợi là 4 dB

Hình 2.3 Độ tăng dung lượng và độ giảm công suất giống nhau khi hệ thống có tải 50%

Có một số phương pháp có thể được dùng để làm tăng chất lượng do tác động của anten thông minh Từ việc mở rộng tuyến và mô phỏng mức hệ thống đến các

kỹ thuật phân tích về khả năng không được sử dụng và quá trình phân tích dung lượng thống kê Một cách khác để làm tăng tác động của anten thông minh lên đường uplink thông qua chương này là dùng quỹ đường truyền và các biểu thức tải Dùng anten thông minh ở đường uplink sẽ có hai điều lợi, thứ nhất là giảm tỉ số

cần thiết, và thứ hai là độ lợi về khoảng cách, cả hai đều làm tăng độ phủ sóng Ta có thể thấy rằng hệ số tải đường uplink là hàm theo tốc độ dữ liệu, ,

và số lượng thuê bao Do đó, việc giảm sẽ làm giảm hệ số tải cho một lượng thuê bao hoặc thông lượng của sector cho trước Việc giảm tải đường uplink cho một thông lương hệ thống cho trước sẽ làm tăng cả độ phủ sóng và dung lượng kênh Độ phủ sóng tăng là do hệ số tải thấp và do đó tổn hao đường tối đa cho phép (MAPL) sẽ cao hơn.Dung lượng tăng là do số thuê bao và thông lượng sector tăng đến khi hệ số tải đạt đến mức tải chỉ tiêu Hình 2.4 mô tả phương pháp lám tăng độ phủ sóng bằng cách dùng 4 anten có búp cố định, cho rằng giảm 3 dB Chú ý rằng các độ lợi phụ thuộc vào số lượng thuê bao (thông lượng) hoặc, chính xác hơn

là, tùy thuộc và hệ số tải.

Độ lợi sẽ lớn nhất khi tải nhiều, vì tại các mức đó, can nhiễu do nhiệt sẽ tăng rất cao Đều này được chứng minh ở hình 2.5, ta thấy rằng ảnh hưởng lớn nhất là khi tải cao Tóm lại, khi dùng anten thông minh tại trạm gốc, ta có thể tăng dung lượng

đường uplink bằng cách tăng hệ số tải chỉ tiêu của đường uplink mà không làm mất

đi độ phủ sóng do giảm và độ lợi anten mảng có thể giới hạn mức can nhiễu

và làm tăng độ phủ sóng.

Hình 2.4 Độ tăng sự phủ sóng đường uplink của đa anten có búp sóng cố định

Hình 2.5 Độ giảm can nhiễu đường uplink của đa anten có búp sóng cố định

2.2.2 Tác động của anten thông minh đến dung lượng đường downlink

2.2.2.1 Định dạng búp sóng

Mật độ phủ và dung lượng có liên hệ với nhau theo tỉ lệ nghịch, khi anten thông minh được dùng để tăng độ phủ sóng và dung lượng thì có thể tăng đồng thời cả hai Anten mảng hơn hai phần tử thực hiện cả búp sóng cố định và chuỗi người dùng đặc trưng có thể tạo ra độ lợi lớn hơn kỹ thuật phân tập phát Độ lợi có hai thành phần chính, độ lợi về khoảng cách và độ lợi của việc lọc theo không gian Độ

lợi khoảng cách tỉ lệ với số lượng phần tử anten M và bằng 10log(M) Việc lọc theo

không gian sẽ làm giảm can nhiễu trong một AS giới hạn, và do đó độ lợi sẽ lớn nhất khi AS nhỏ vì can nhiễu bị giới hạn thành một vùng góc nhỏ và giảm khi AS tăng, vì nhiều can nhiễu tăng lên hoặc trải vài hệ thống Hình 2.6 biểu diễn độ lợi theo quan điểm giảm công suất trong một macrocell Ta có thể thấy rằng độ lợi tăng khi số búp sóng (phần tử) tăng và cao nhất khi AS nhỏ.

Hình 2.6 Độ lợi định dạng búp sóng và độ rộng góc trong WCDMA

Hình 2.7 Độ tăng dung lượng và độ phủ sóng đường downlink và uplink của đa anten có búp sóng

cố định Macrocell, góc mở nhỏ

Hình 2.8 Độ tăng dung lượng và độ phủ sóng đường downlink và uplink Macrocell, góc mở lớn.Với 4 tia cố định tại đường uplink sẽ cung cấp độ lợi khoảng 3 dB về và 2.2 dB cho hai búp sóng ở đường downlink khi AS bằng 2o, thông lượng sector có thể tăng từ 905 Kbps lên 1,208 Kbps, trong khi độ phủ sóng tăng lên khoảng 9 dB Những độ lợi của khi AS bằng 20o là tương đối nhỏ (1.8 dB) AS cao hơn sẽ làm can nhiễu nhiều hơn ở đường uplink hoặc trải dài đường downlink vì vùng góc sẽ rộng hơn, do đó làm giảm độ lợi về chất lượng một ít Độ lợi là kết quả của quá trình tăng quỹ đường uplink, hệ số tải uplink (can nhiễu thấp hơn), độ lợi về khoảng cách Đây là quá trình tăng cả về quỹ đường truyền và biểu thức tải Độ lợi cũng sẽ cao hơn nếu dùng 4 tia ở đường downlink Ví dụ, độ phủ sóng đường downlink sẽ tăng đáng kể khi dữ liệu có tốc độ 384/64 Kbps, như ở hình 10.23, với anten mảng có độ lợi về là 4.5 dB Dung lượng thực tế theo thông lượng sector phụ thuộc vào tải chỉ tiêu của đường downlink Hình 10.24 so sánh các độ lợi đó khi tải chỉ tiêu khác nhau

Hình 2.9 Độ tăng sự phủ sóng đường downlink của đa anten có búp sóng cố định.

Hình 2.10 Độ tăng dung lượng đường downlink của đa anten có búp sóng cố định.

2.2.2.2 Môi trường Microcell

Trong một microcell, công suất phát trạm gốc thường bị giới hạn và thấp hơn nhiều so với trường hợp macrocell Do đó, độ phủ sóng trong một macrocell sẽ có khả năng bị giới hạn về đường downlink Một khác biệt chính nữa giữa hai loại cell này là độ rộng góc (AS) trong một microcell lớn hơn nhiều trong một macrocell Như đã khảo sát ở các chương trước, khi AS tăng, độ tương qua giữa các phần tử anten cũng tăng nên độ phân tập cũng tăng Do đó, độ phân tập phát có thể có ảnh hưởng nhiều hơn trong các môi trường này vì chất lượng định dạng búp sóng về việc giảm can nhiễu bị ảnh hưởng bởi AS lớn Dung lượng STTD và CLTD tăng khoảng 50% và 75%, một cách tương ứng, trong môi trường microcell Hình 2.11

so sánh độ giảm của can nhiễu (độ lợi về dung lượng) bằng cách dùng STTD trong

cả microcell và macrocell Hệ số trực giao đường downlink và tỉ số can nhiễu liên cell dùng trong phép tính là 0.9 và 0.4, một cách tương ứng, đối với microcell, trái ngược với 0.5 và 0.65 trong trường hợp macrocell Đối với hệ số tải chỉ tiêu 40%

(độ tăng nhiễu khoảng 2.2 dB), thông lượng sẽ tăng 65% đối với trường hợp microcell với khoảng 50% với trường hợp macrocell.

Hình 2.11 Độ tăng dung lượng đường downlink với độ tăng can nhiễu của STTD:

(a) macrocell, và (b) microcell Tóm lại, ở đường uplink, anten mảng tại trạm gốc sẽ kích hoạt chức năng tự điều chỉ hệ thống để làm tối ưu tín hiệu thu Kết quả là mức tín hiệu thu sẽ được cải thiện bằng một hệ số M (số phần tử anten); tại cùng một thời điểm, can nhiễu sẽ giảm đáng kể Độ lợi tương ứng cũng sẽ xảy ra khi dùng anten thông minh ở đường downlink Khi hệ thống được điểu chỉnh để đạt được mức công suất truyền tín hiệu tối ưu theo hệ số M thông qua việc phát công suất bằng một anten đơn tại trạm gốc Cùng lúc đó, can nhiễu thấp hơn sẽ được trải rộng ở đường downlink Can nhiễu giảm sẽ là tăng cả về số thuê bao của hệ thống hoặc chất lượng tín hiệu, điều đó là thông lượng dữ liệu cao hơn Lợi ích của việc giảm can nhiễu cho mạng rộng là, trong cả hai trường hợp, làm tăng hiệu quả về phổ Lợi ích của anten thông minh không chỉ giới hạn ở việc cung cấp độ lợi về khoảng cách, mà còn làm tăng tỉ số

, đồng nghĩa với việc tăng độ phủ sóng và dung lượng Mọi hệ thống vô tuyến đều chịu một số tác động của hiệu ứng pha-đing Do mội trường luôn thay đổi, hiệu ứng pha-đing sẽ thay đổi theo thời gian Và khó khăn cho người thiết kế

hệ thống vô truyền là hệ thống phải mạnh để trái các trường hợp mất kết nối và xảy

ra các margin độ ngột, và phải thiết kế sao cho có thể tránh được hiện tượng đing, vì nó sẽ làm giảm độ phủ sóng Pha-đing thực chất được giảm nhẹ khi dùng nhiều anten Khi một anten bị biến chất trong anten mảng, thì sẽ cần đến các anten còn lại Do đó, ngõ ra của anten mảng sẽ tốt hơn theo thời gian Do đó, có một yếu

pha-tố làm giảm margin để chống lại hiệu ứng pha-đing, được gọi là “độ lợi phân tập” ngoài độ lợi về khoảng cách Độ lợi này tùy thuộc vào khả năng mất kết nối, mức

xử lý hiệu ứng pha-đing cần thiết, và số lượng anten Đơn giản là, các hệ thống anten thông minh làm tăng độ phủ sóng và hiệu quả về phổ của hệ thống không dây, mặc dù có một số mối liên hệ giữa chi phí, độ phủ sóng, và dung lượng còn lại trong hệ thống vô tuyến.

2.3 Anten thông minh trong các trạm di động

Với sự ra đời của các ứng dụng di động có tốc độ cao, người ta mong đợi rằng dung lượng đường downlink của hệ thống CDMA 3G càng cao càng tốt Do đó, điều quan trọng là phát minh ra các phương pháp có thể làm tăng dung lượng đường downlink để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng này Có thể gia tăng chất lượng bằng việc phân tập trong hệ thống vô tuyến, kỹ thuật này rất phổ biến và được dùng trong các hệ thống cellular trong nhiều thập niên tại các bộ thu trạm gốc Tuy nhiên việc ứng dụng tính phân tập vô tuyến này vẫn chưa thể thực hiện vì một

số lý do Rào cản quan trọng nhất là việc thực hiện kỹ thuật phân tập sẽ tăng tính phức tạp và chi phí cho các trạm nền Lý do thứ hai là các điện thoại cho hệ thống cellular còn chưa thịnh hành, dẫn đến thực tế rằng các lợi nhuận có thể thu được từ các thiết bị đó sẽ phụ thuộc vào kỹ thuật hiện có Các mạng CDMA cố định sẽ thu lợi nhuận cao nếu có bất kỳ can nhiễu nào được giảm, thậm chí nếu chỉ một phần nhỏ người dùng điện thoại di động có bộ thu phân tập Việc tăng dung lượng đường downlink cũng sẽ đơn giảm tỉ lệ với phần trăm thiết bị điện thoại cao cấp (vd: điện thoại có trang bị bộ thu phân tập) Vì một bộ thu đôi sẽ cần lượng công suất phát trạm nền nhỏ hơn, do đó sẽ cho phép nhiều kết nối đồng thời hơn nhằm tăng giới hạn của phổ và công suất phát trung bình Dung lượng đường downlink của một hệ thống CDMA sẽ tỉ lệ nghịch với công suất phát trạm gốc cần thiết để duy trì mức dịch vụ cho mỗi người dùng cho trước Để có thể điều khiển công suất, trạm gốc (hoặc nhiều trạm gốc trong trường hợp chuyển vùng mềm) sẽ hiệu chỉnh phần công suất phát đến mỗi thuê bao để duy trì mức dịch vụ cho trước Tỉ số năng lượng mỗi bit thông tin so với tổng mật độ nhiễu và can nhiễu là b

t

E

N ; đây là thông số then chốt mô tả

chất lượng của bất kỳ hệ thống thông tin số nào Khi biết được dạng truyền và cách thức thu tín

hiệu, giá trị b

t

E

N sẽ xác định mức sai số của đường truyền số và là hàm theo đặc tính kênh truyền

Trong hệ thống CDMA, giá trị này cần phải thay đổi để theo kịp tốc độ sai số qua các điều kiện kênh truyền khác nhau Điều này có thể được thực hiện thông qua bộ điều khiển công suất vòng bên ngoài, nó sẽ thiết lập giá trị cần thiết dựa trên chất lượng dịch vụ mong muốn Độ lợi xử lý

được ký hiệu là W

b

PG R

= , là tỉ số giữa tốc độc chip trải phổ và tốc độ bit tín hiệu Khi cho sẵn băng thông tín hiệu, W sẽ cố định [VD: 1.2288 Mcps với sóng mang 1.25-MHz (đối với IS-95 hoặc CDMA2000) hoặc 3.84 Mcps với sóng mang 5-MHz đối với hệ thống WCDMA] Chú ý rằng tốc độ

bit R b sẽ thay đổi theo loại dịch vụ (VD: các dịch vụ thoại trong CDMA2000 có thể dùng các bộ mã

hóa tiếng nói có tốc độ khác nhau, có R b bằng 9600 bps, 4800 bps, 2400 bps và 1200 bps, suy ra

độ lợi xử lý là 128, 256, 512 và 1024, tương ứng, hoặc các ứng dụng tốc độ dữ liệu cao khoảng 153.6 Kbps đối với hệ thống 1XRTT và 3.1 Mbps đối với hệ thống 1XEV-DV) Các hệ thống WCDMA hiện tại có tốc độ đường downlink là 64, 128, 256, hoặc 384 Kbps Ký hiệu công suất phát tổng của trạm gốc là Ior và công suất pháy của trạm gốc theo lưu lượng hoặc kênh chỉ định đối với thuê bao thứ i là Ec Khi đó phần công suất phát cấp cho người dùng thứ i là

đó, thì công suất cần thiết sẽ là

I sẽ thành

Vì số lượng tuyến hoạt động bị giới hạn bởi công suất của trạm gốc, nên ta có thể tính trung bình

số lượng thuê bao có thể được hỗ trợ trong một sector hay còn gọi là dung lượng vector như sau

E E I

Dễ thấy rằng phần công suất cấp phát cho thuê bao càng nhỏ thì số lượng thuê bao được hỗ trợ

sẽ càng tăng Một phương pháp để làm giảm trị trung bình của

or

cE

I là định dạng búp sóng đường

downlink bằng cách sử dụng các anten mảng tại trạm gốc Như đã thảo luận ở chương trước, khoảng cách FDD trong hệ thống CDMA sẽ cải thiện chất lượng trong điều kiện tốt nhất khi các trọng số đường downlink được tính dựa trên các đại lượng đường lên Cách khác để khắc phục vấn đề này là dùng các trạm gốc có trang bị nhiều anten Kỹ thuật này sẽ loại bỏ điều kiện mà để ước lượng kênh truyền downlink chính xác tại trạm gốc vì việc này có thể được gán cho MS, do nó

có mọi thông tin cần thiết để ước lượng ma trận tương quan đường downlink một cách chính xác

Trong hệ thống MRT, các anten được nối nhau để làm tối đa độ nhạy khi giả sử rằng nhiễu

và can nhiễu mà 2 anten thu được có tương quan chéo thấp Những trọng số đã áp và ngõ vào của các anten này là một hàm theo SNR thu được

2.3.2 Định dạng búp sóng thích nghi hay việc kết hợp tối ưu

Đây là hệ thông kết hợp tối ưu nhất, trong đó 2 anten được kết hợp khi biết đầy đủ tính tương quan can nhiễu giữa chúng Vì mục tiêu là làm giảm can nhiễu và làm tăng SINR, nên việc lái không có thể được thực hiện để làm giảm hoặc triệt can nhiễu bị phát hiện bởi MS Tuy nhiên, việc lái không có thể sẽ không được dùng trong trường hợp này do kích thước giới hạn của MS Các kỹ thuật kết hợp tối ưu (OC) như thế là hoạt động dựa theo các bài toán kiểu Wiener-Hopf,

và kết quả là tạo ra một MMSE hoặc làm tối đa SINR, do đó sẽ thích hợp hơn Trong phần còn lại của mục này, ta sẽ chỉ ra tại sao đây là trường hợp gián tiếp mô phỏng và nghiên cứu một số đặc tính anten mảng có liên quan Ta biết rằng một anten mảng M phần tử có thể làm không M-1 can

nhiễu ở cả hai hướng LOS và môi trường đa đường Tăng anten mảng có thể tách và kết hợp các tín hiệu có khoảng cách không gian gần nhai như trường hợp trong môi trường pha đinh đa đường miễn là băng thông anten mảng nhỏ hơn AS của các đường thu được Chất lượng của anten mảng tăng theo M, lớn hơn AS, và đặc hơn các tín hiệu đa đường Tại MS, khi cho phổ công suất phương vị có mật độ đều qua 3600, thì kết quả AS là 1040 Hình 2.12 biểu diễn việc định dạng búp sóng anten mảng ứng với các khoảng cách phần tử anten nhỏ của các mảng broadside

2, 3, và 4 phần tử Qua đồ thị ta thấy rằng khi M = 3 và 4, thì băng thông sẽ nhỏ hơn AS (1040), thậm chí khi khoảng cách d nhỏ hơn Còn trường hợp M = 2, ta chú ý rằng các giá trị lớn hơn d (khoảng 0.3λ) sẽ cần phải có băng thông cần thiết hơn

Để so sánh các kỹ thuật kết hợp tối ưu này với nhau theo các thông số như tỉ số SINR tối đa với việc lái không, ta sẽ xem xét cả hai trường hợp LOS và pha đinh đa đường Ta có

[ 1 0 0 ]T 1

H NS

Hình 2.12 Độ rộng búp sóng 3-dB như là một hàm theo khoản cách giữa các

phần tử cho trường hợp M = 2, 3 và 4Trong khi vector trọng số tối ưu lấy từ chỉ tiêu SINR cực đại là

theo không gian (đa đường) Sao khi đã lái không, ngõ ra anten mảng sẽ bằng

d

y t =s t +w N t (2.16)Khi đó SINR tại ngõ ra anten mảng sau khi lái không là

2 2

Với NLOS tượng trưng cho trường hợp đa đường, θdlà DOA của tín hiệu mong muốn, A là ký

hiệu của vector không gian của thuê bao mong muốn, và R IN là ma trận tương quan nhiễu cộng

Để so sánh chất lượng của 2 kỹ thuật này, có nhiều mô phỏng được thực hiện trong các môi trường khác nhau, với các khoảng cách phần tử, số tí hiệu đa đường, và DOA của tín hiệu mong muốn và can nhiễu khác nhau Hình 2.13 và 2.14 so sánh SINR thu được khi dùng mảng 2 phần

tử trong môi trường LOS đối với d = 0.5λ và 0.2λ, tương ứng, đối với một tín hiệu mọng muốn tại

00 và một can nhiễu tại 30

Hình 2.15 và 2.16 mô tả chất lượng tín hiệu khi một tín hiệu mong muốn và một tín hiệu can nhiễn đều có 2 đường đến

Sau cùng là hình 2.17 và 2.18 so sánh chất lượng của tín hiệu khi tín hiệu mong muốn và tín hiệu can nhiễu đều có 4 đường đến

Qua kết quả trên, ta thấy tín hiệu mong muốn và tín hiệu can nhiễu đều có cùng công suất,

5000 mẫu được dùng tại mỗi điểm dữ liệu, và SINR trung bình là một hàm theo SNR ngõ vào Trong trường hợp đa đường, cho rằng các đường khác nhau có pha ngẫu nhiên trên dưới [0.2π]

Từ các đồ thị này, ta có thể kết luận rằng kỹ thuật SINR tối đa lái không rất tốt đối với SNR thấp bất chấp môi trường truyền ra sao Đó là do quá trình làm tối đa SINR, tương đương với việc duy trì độ lợi cao tại hướng tín hiệu mong muốn trong khi vẫn tính đến tín hiệu nhiễu cộng (tối đa hóa

S và thối thiểu hóa N), việc đó sẽ có hiệu quả hơn là chỉ làm giảm can nhiễu (giảm I) Đối với SNR cao, vì S đã thực sự cao, nên cả 2 kỹ thuật đều đạt được chất lượng như nhau Thực tế, chất lượng tín hiệu sẽ như nhau khi khi SNR vượt qua một ngưỡng rất cao nào đó Điều này là do khi SNR tăng, và ta giả sử rằng can nhiễu và tín hiệu mong muốn có công suất giống nhau, nên việc giảm hay làm không can nhiễu sẽ làm tăng đáng kể SINR (bằng cách giảm I) Trong các điều kiện này, sẽ rất có lợi để làm không hoặc giảm can nhiễu bởi vì công suất tín hiệu là đã cao hơn nhiều tín hiệu nhiễu rồi và vì vậy sẽ không cần thiết phải tăng độ lợi theo hướng tín hiệu mong muốn Ở phần trước có đề cập rằng kỹ thuật kết hợp tối ưu như SINR tối đa hoặc MMSE được

chọn qua việc lái búp hoặc lái không để làm tăng chất lượng mong muốn là

or

c i

E E I

   

  ÷ 

   

Hình 2.13 INR tối ưu có lái không, M = 2, tín hiệu mong muốn tại 00, can nhiễu

tại 30, d = λ / 2, theo hướng LOS

Hình 2.14 INR tối ưu có lái không, M = 2, tín hiệu mong muốn tại 00, can nhiễu

tại 30, d = 0.2 λ, theo hướng LOS

Hình 2.15 SINR tối ưu có lái không, M = 2, tín hiệu mong muốn có 2 phần tại 00 và 20 can nhiễu có

2 phần tại 40 và 60, d = 0.5 λ Các tín hiệu có cùng công suất

Hình 2.16 SINR tối ưu có lái không, M = 2, tín hiệu mong muốn có 2 phần tại 00 và 20 can nhiễu có

2 phần tại 40 và 60, d = 0.2 λ Các tín hiệu có cùng công suất

Hình 2.17 SINR tối ưu có lái không, M = 2, tín hiệu mong muốn có 4 phần tại 00,20, 40 và 50, can

nhiễu có 4 phần tại 30, 70, 90 và 110, d = 0.2 λ Các tín hiệu có cùng công suất

Hình 2.18 SINR tối ưu có lái không, M = 2, tín hiệu mong muốn có 4 phần tại 00,20, 40 và 50, can

nhiễu có 4 phần tại 30, 70, 90 và 110, d = 0.5 λ Các tín hiệu có cùng công suất

2.4 Anten thông minh trong hệ thống MIMO

2.4.1 Nguyên lý của hệ thống MIMO

Bảng 2.1 so sánh tất cả kỹ thuật kết nối đa anten có thể có Nhìn chung, ta xác định số lượng

anten phát M T và số lượng anten thu M R Ta có thể xem kênh vô tuyến như là kênh vector có

miền M R x 1 hoặc M T x 1 Nếu ta chỉ dùng một anten để truyền, thì tốc độ dữ liệu sẽ luôn bị giới

hạn do chất lượng của anten đó Một cách để khôi phục các yếu kém của kênh này là dùng một đa

anten tại đầu cuối bộ thu để đảo tất cả hoặc một phần ảnh hưởng của kênh truyền Trong trường hợp này anten phát sẽ phải có hình dạng cổ chai theo 1 hướng Tuy nhiên, chất lượng thường sẽ tốt hơn so với khi dùng một anten tại mỗi đầu cuối Có cách khác thể đạt được hiệu quả như trên là dùng nhiều anten tại đầu cuối máy phát khi không chỉnh sửa được máy thu (chẳng hạn điện thoại di động) nhằm tạo ra nhiều điều kiện tín hiệu sao cho khi đến máy thu đó sẽ giống hoặc gần giống với các điều kiện tín hiệu tại đó (đã được tích hợp trong nhiều anten) để dùng các góc rỗi khác bằng cách nào đó, như là phân tập cao hơn chẳng hạn Chất lượng thu được này rất giống với trường hợp trên khi dùng cùng một số lượng anten Mặt khác, trong các

hệ thống MIMO, dữ liệu được truyền thông qua một kênh ma trận được tạo bởi MT anten phát và

MR anten tốt hơn là một kênh vector, và tạo ra các loại độ lợi mới ngoài việc chỉ có những lợi ích

về độ lợi anten mảng hoặc lợi ích của việc phân tập Ta sẽ ký hiện tín hiệu đến là s(t) và tín hiệu thu là y(t), tín hiệu nhiễu thu được là n(t) và ma trận kênh là là H( ) τ ,t Ta có

1

M i i

2 2

1

M i i T

2 1

2

log 1

Thấy rằng, dung lượng không tăng khi số anten phát tăng Tuy nhiên, điều đó không có nghĩa là ta không thể tăng dung lượng bằng cách dùng các hệ thống phân tập phát vòng mở như STTD và STS STS và STTD cho ra độ lợi phân tập, nó có thể được làm cân bằng để tăng dung lượng Dung lượng này tăng lên không phải là kết quả của việc tăng số phần tử anten mà thực ra

là dựa trên việc tăng SINR để tránh FER hay BLER cho sẵn so với trường hợp SISO Mặt khác, khi kênh truyền là máy phát, như trường hợp phân tập phát theo vòng kín (TXAA và CLTD), khi đó ta có

2 2

1

M i i

T

T

M M

2 1

log 1

L

i

SINR C

Biểu thức (2.30) cho thấy rằng dung lượng kênh của hệ thống MIMO có thể được diễn tả bằng tổng của L kênh SISO hoặc nhiều ống dẫn dữ liệu theo không gian Để làm tối đa dung lượng kênh truyền MIMO, ta cho một công suất tổng trên kênh truyền cố định y có

0 0

0 0

0 0 M M T R

h h H

Hình 2.23 Đa hợp theo không gian với MIMOHình 2.24 so sánh chất lượng của tất cả 4 hệ thống với SINR và số lượng phần tử anten phát

và thu Đối với trường hợp anten mảng thích nghi (định dạng búp sóng), chỉ có ảnh hưởng của việc tăng độ lợi anten mảng được xem xét trong quá trình so sánh Chất lượng thực tế sẽ tốt hơn khi áp dụng các khả năng giảm can nhiễu vào

Bảng 2.1 so sánh các kỹ thuật theo không gian khác nhau ở phần trước

2.4.2 Các phương pháp phát tín hiệu

Ta thấy rằng có thể tăng chất lượng tín hiệu khi dùng hệ thống MIMO bằng cách dùng nhiều anten phát mà không cần tăng công suất phát, vì nó là phương pháp rất không hiệu quả nếu muốn tránh can nhiễu hoặc tăng hiệu quả sử dụng phổ Đúng hơn là, trong hệ thống

MIMO, có một điều kiện ràng buộc rằng công suất đỉnh P max được áp đặt vào mỗi anten phát để

tổng công suất tại máy thu là P tot = M T P max tương đương với trường hợp một anten phát Ta có thể cấp phát công suất tổng này qua mọi N mode riêng của kênh truyền trong nhiều hướng khác nhau, miễn là không vượt qua giới hạn công suất mỗi anten và công suất tổng Các phương pháp thông thường bao gồm water filling, cấp phát công suất đồng nhất, định dạng búp sóng, và lái búp

Hình 2.24 Đồ thị so sánh chất lượng giữa các kỹ thuật không gan khác nhau

Bảng 2.1 Các hệ thống theo không gian đa phần tử

búp sóng, lái búp

Phân tập tỉ lệ với M T

Tạo độ lợi mảng, giảm can nhiễu bằng phương pháp định dạng búp sóng

MIMO >1 >1 Dùng nhiều anten tại cả

máy phát và máy thu

Phân tập tỉ lệ với M R và M T

Tạo độ lợi mảng (khi kết hợp phù hợp với việc ước lượng kênh truyền ưu tiên

2.4.2.1 Water Filling

Cho một suất phát tổng P tot = M T P max Phương pháp water filling sẽ phân bố công suất qua các mode riêng theo cách mà mode nào có phương sai nhiễu thấp nhất sẽ thu được phần tổng công suất lớn nhất Kỹ thuật cấp phát công suất water filling là tối ưu trong điều kiện ràng buộc về công suất tổng Tuy nhiên, chất lượng sẽ giảm sút khi công suất mỗi anten bị giới hạn

2.4.2.2 Cấp phát công suất đồng nhất

Là phương pháp truyền tín hiệu dùng để cấp phát công suất tổng qua mọi mode Phương

pháp cấp phát công suất đồng nhất này hỗ trợ công suất P tot /N cho mỗi mode; việc cấp phát công

suất tổng này tạo ra công suất bằng nhau tại mỗi anten Khi số lượng mode nhỏ hơn số anten phát, một tỉ số có thể được dùng để giới hạn lại điều kiện nào đó Chú ý rằng kết quả sẽ giống như trường hợp công suất cực đại Pmax được cấp phát cho mỗi mode

2.4.2.3 Định dạng búp sóng

Việc cấp phát công suất cho quá trình định dạng búp sóng sẽ đặt tất cả công suất có thể có lên một mode riêng Để đạt được dung lượng cần thiết, công suất phát tổng sẽ được gán cho mode riêng tương ứng với trị riêng cao nhất Do đó, SINR sẽ tối đa trong điều kiện của việc dùng đơn mode

2.4.2.4 Lái búp

Trong vấn đề truyền dẫn có định dạng búp sóng đã diễn tả, cả biên độ và pha của mode riêng chính đều được dùng tại máy phát Việc truyền dẫn lái búp cũng đặt công suất tổng lên tia dữ liệu riêng (mode riêng); tuy nhiên, thay vì dùng cả biên độ và pha của mode riêng chính, thì chỉ có thông tin về pha là được dùng Thông tin về biên độ được loại bỏ bằng cách chuẩn hóa vector riêng chính như là tất cả hệ số của vector có bên độ duy nhất Để bảo đảm rằng công suất đến

mỗi anten phát là P max thì một tỉ số bằng với P max /P tot được áp vào Phương pháp lái búp tốt hơn hết là nên dùng công suất tổng hiện có bằng cách tăng công suất phát theo hướng người dùng mong muốn Trong vấn đề định dạng búp sóng, tỉ số nhằm bảo đảm cho công suất cao nhất của anten sẽ bằng với giới hạn công suất của mỗi anten, trong khi hệ thống lái búp sẽ ép công suất

trên tất cả anten bằng P max, do đó, sẽ cho ra công suất phát tổng cao hơn và SINR hiệu quả cao hơn

2.4.3 Các phương pháp MIMO

Có vài phương pháp để thực hiện một hệ thống MIMO dựa trên việc có hoặc không có thông tin kênh truyền tại máy phát hay không Bảng 2.2 là bảng tổng kết lại các hệ thống MIMO khác nhau

Ta có thể đạt được chất lượng tốt nhất khi dùng các đầu cuối cố định, vì kích thước anten mảng thu không bị giới hạn nhiều do các điều kiện vật lý Tốc độ pha đinh chậm, hoặc chính xác hơn là, việc thiếu tính di động sẽ làm ước lượng đúng kênh truyền, do đó sẽ chỉ cần phương pháp CSI cơ sở mà thôi Hơn nữa, việc dùng các anten có hướng trong anten mảng thu sẽ làm cải thiện chất lượng hơn Đối với các đầu cuối di động, nhưng thường cố định trong quá trình sử dụng (như laptop), kích thước anten mảng dù sao cũng sẽ bị giới hạn hơn nhưng việc dùng anten thu

có hướng vẫn cần thiết hơn Trong trường hợp này, một phương pháp kết hợp sẽ thích hợp hơn vì

ta có thể thay đổi chế độ làm việc một cách tự động (do tính thích nghi) giữa các chế độ là toàn

bộ, một phần, hoặc không có CSI Cuối cùng, đối với các đầu cuối di động, kích thước anten mảng cũng như anten thu sẽ bị giới hạn rất nhiều (như điện thoại di động) Điều này sẽ tạo ra môi trường SINR từ thấp đến trung bình dẫn đến phương pháp CSI cục bộ hoặc full-CSI Đây là bởi vì khi tính di động cao, tốc độ pha cũng sẽ nhanh, dẫn đến việc ước lượng kênh truyền kém chính xác hơn Mặc dù tần số hồi tiếp có thể sẽ tăng lên để máy phát có thể ước lượng kênh truyền nhanh hơn sự thay đổi trong kênh này, điềunày sẽ làm hiệu quả tăng đáng kể

Bảng 2.2 Các phương pháp MIMO

Máy phát được trang bị

thông tin kênh cố định

(CSI đủ)

Chất lượng tốt nhất Tăng đáng kể khi cần

hồi tiếp CSI

Chất lượng tệ nhất Đầu cuối di động

Máy phát có CSI giới hạn

(CSI cục bộ)

Vẫn cần một CSI hồi tiếp

Chất lượng trung bình Đầu cuối di động xách

tay

2.4.4 Thuận lợi của MIMO và các vấn đề chính về chất lượng

Thuận lợi lớn nhất của hệ thống MIMO là khả năng cung cấp các độ lợi về dung lượng rất lớn trong các điều kiện hiện tại khi so vớ các kỹ thuật theo không gian khác Trong các hệ thống SIMO/MISO, dung lượng của chúng tăng khoảng 1 bps/Hz khi gấp đôi SINR, trong khi trong hệ thống MIMO, việc gấp đôi tỉ số SNR sẽ tăng dung lượng lên khoảng Nbps/Hz, N = min (MT, MR) Thận lợi khác của hệ thống MIMO là có thể làm tăng tính tin cậy của tuyến thông tin Khi sự phân tập tăng, xác suất mà một tốc độ dữ liệu cho trước không thể duy trì là

outage

Với κlà một hằng số và N là bậc phân tập Trong một hệ thống SIMO hay MISO, N= M R & M T, một

cách tương ứng, trong khi trong hệ thống MIMO N = M R * M T

2.4.5 Đặc tính truyền dẫn RF

Các thuận lợi về chất lượng của hệ thống MIMO xảy ra khi kênh truyền dẫn RF bị phân tán hoàn toàn (vd: đa đường, pha đinh) chẳng hạn như các ứng dụng không có tầm nhìn thẳng

(nonLOS) thường là có độ phân tán tốt Trong các trường hợp LOS, việc sử dụng anten đối cực

có thể bảo quản dung lượng bằng cách bắt nhiều tín hiệu đa đường hơn

2.4.6 Đa hợp theo không gian

Việc dùng kết hợp anten thu và phát như đã khảo sát ở phần trước sẽ cung cấp các dung lượng mà sẽ tăng tuyến tính theo số phần tử anten SM trong hệ thống MIMO có thể được dùng trong các trường hợp yêu cầu tốc độ dữ liệu đỉnh cao và xác xuất hỏng hóc rất thấp Các yêu cầu hoạt động cần thiết để đạt được các độ lợi này theo SM có thể được tóm tắt như sau:

- Sự phân tán tín hiệu nhiều đáng kể

- Tốc độ dữ liệu cao hơn khoảng Doppler cực đại (ví dụ, cho người dùng cố định)

- Điều chế cho các SNR cao

Độ lợi phân tập phát và việc phát triển dung lượng kênh sẽ tăng khi số phần tử anten hoặc các nhánh phân tập tăng lên nhưng các độ lợi này sẽ giảm bớt nếu quá 4 phần tử Chất lượng của quá trình định dạng búp sóng sẽ tốt hơn khi tăng số lượng phần tử anten vì độ rộng búp sóng

sẽ giảm và độ lợi mảng sẽ tăng lên Tuy nhiên, khi độ rộng búp sóng giảm nhỏ hơn độ rộng của góc thì sẽ độ lợi sẽ không tăng nữa, có một ngưỡng trên về tốc độ bound ứng với số lượng phần

tử anten Hình 2.25 mô tả điều này, ta có thể thấy rằng trong các macrocell có AS dưới 150

, thì ngưỡng trên của tốc độ bound ứng với số lượng phần tử này là 20 khi AS bằng 50 và khoảng 8 khi AS bằng 120 Hình 2.26 mô tả về chất lượng của các phương pháp khác nhau trong chương này Ta thấy rằng đối với các người dùngcó SINR cao (vd: gần trạm gốc), SM sẽ tốt hơn các kỹ thuật khác Trong trường hợp SINR trung bình, cả quá trình định dạng búp sóng và SM đều

có cùng chất lượng, trong khi việc định dạng búp sóng sẽ tốt hơn các kỹ thuật khác nếu người dùng có SNR thấy (vd: tại biên của cell)

Bảng 2.3 So sánh về chất lượng của MIMO

Vùng có SINR thấp Vài bậc phân tập

Giảm khả năng mất tín hiệu→cần tuyến biên thấp hơn→hội tụ tốt hơn

Tốc độ dữ liệu trung bình không tăng đáng kểVùng có SINR từ trung bình đến cao Tốc độ dữ liệu trung bình tăng đáng kể trong hệ thống

SIMO (bằng cách khai thác các kênh song song để tăng thông lượng tuyến thông tin)

SNR cao→thông lương tăng theo bậc của tuyến thông tin

Phân tập lớn sẽ làm tốc độ dữ liệu trên tuyến ít biến đổi

Hình 2.24 Tốc độ bound trên các phần tử anten cao hơn AS

Hình 2.25 MIMO, định dạng búp sóng, và phân tập

2.5 Kết luận chương

- Kỹ thuật anten thông minh trong mạng 3G, ở đường uplink, anten mảng tại trạm gốc sẽ kích hoạt chức năng tự điều chỉ hệ thống để làm tối ưu tín hiệu thu Kết quả là mức tín hiệu thu sẽ được cải thiện bằng một hệ số M (số phần tử anten); tại cùng một thời điểm, can nhiễu sẽ giảm đáng kể Độ lợi tương ứng cũng sẽ xảy ra khi dùng anten thông minh ở đường downlink Khi hệ thống được điểu chỉnh để đạt được mức công suất truyền tín hiệu tối ưu theo hệ số M thông qua việc phát công suất bằng một anten đơn tại trạm gốc Cùng lúc đó, can nhiễu thấp hơn sẽ được trải rộng ở đường downlink Can nhiễu giảm sẽ là tăng cả về số thuê bao của hệ thống hoặc chất lượng tín hiệu, điều đó là thông lượng dữ liệu cao hơn Lợi ích của việc giảm can nhiễu cho mạng rộng là, trong cả hai trường hợp, làm tăng hiệu quả về phổ Lợi ích của anten thông minh không chỉ giới hạn ở việc cung cấp độ lợi về khoảng cách, mà còn làm tăng tỉ số , đồng nghĩa với việc tăng độ phủ sóng và dung lượng Mọi hệ thống vô tuyến đều chịu một số tác động của hiệu ứng pha-đing Do mội trường luôn thay đổi, hiệu ứng pha-đing sẽ thay đổi theo thời gian Và khó

khăn cho người thiết kế hệ thống vô truyền là hệ thống phải mạnh để trái các trường hợp mất kết nối và xảy ra các margin độ ngột, và phải thiết kế sao cho có thể tránh được hiện tượng pha-đing,

vì nó sẽ làm giảm độ phủ sóng

- Các kỹ thuật MIMO đang được đề xuất một cách rộng rãi như là kỹ thuật chính để làm tăng dung lượng kênh của các hệ thống cellular Kỹ thuật này có thể làm tăng SINR và phát triển phổ một cách hiệu quả bằng cách kích hoạy chế độ truyền đa tia Để sử dụng đầy để các chức năng có thể này, kỹ thuật MIMO nên được kết hợp với kỹ thuật thích nghi đường truyền, còn được gọi là kỹ thuật mã hóa và điều chế thích nghi, kỹ thuật này có thể ánh xạ giá trị SINR cao vào tốc độ dữ liệu người dùng cao

CHƯƠNG 3 CÁC PHƯƠNG PHÁP ƯỚC LƯỢNG HƯỚNG GÓC TỚI 3.1 Tóm tắt chương

Ta thấy rằng một nguồn tin có thể có nhiều đường truyền dẫn và nhiều góc tới khác nhau Nếu nhiều máy phát hoạt động cùng lúc, thì mỗi nguồn tín hiệu có thể tạo ra một thành phần đa đường tại bộ thu Do đó, cần phải ước lượng hướng góc tới để giải mã xem bộ phát nào đang hiện diện và vị trí góc khả dụng của chúng là vị trí nào Có thể dùng các dữ kiện này để ước lượng hoặc liên kết các tín hiệu lại nhằm tăng độ tin cậy, loại bỏ nhiễu, hoặc cả hai

3.2 Ước lượng AOA Bartlett

Nếu anten mảng có trọng số đều, ta có thể xác định ước lượng AOA Bartlett như sau:

P θ =a− θ R a θ (3.1)Phương pháp ước lượng AOA Bartlett có đồ thị hàm số dạng không gian và là phương pháp ước lượng AOA có quá trình định dạng búp sóng Với các điều kiện mà tại đó PB( ) θ tượng trưng cho các tín hiệu đơn sắc không tương quan và không có nhiễu hệ thống, biểu thức (3.1) tương đương với biểu thức sau:

i m

P θ e − θ− θ

Do đó, đồ thị hàm số này sẽ tương đương với biến đổi Fourier có không gian hữu hạn của tất

cả tín hiệu đến Việc này cũng tương ứng với việc cộng tất cả hàm hệ số sắp xếp lái búp với mỗi góc đến hay việc tìm ra giá trị bình phương tuyệt đối

3.3 Ước lượng AOA Capon

Ước lượng AOA Capon được gọi là đáp ứng không biến dạng có phương sai nhỏ nhất

(MVDR) Nó còn được xem như phương pháp ước lượng maximum likelihood khi ước lượng công suất đến từ một hướng và xem tất cả các nguồn tín hiệu còn lại là nhiễu Do đó, mục tiêu chính là tối đa hóa tỉ số tín hiệu trên nhiễu (SIR) khi cho tín hiệu mong muốn đi qua không méo

về biên độ và pha Giả sử ma trân tương quan của tín hiệu nguồn RSS là ma trận đường chéo Tỉ

số SIR tối đa này đạt được khi có một tập hợp các trọng số mảng ω ω ω ω=[ 1 2 M]T như sau

( )

1 1

xx H

xx

R a

θ ω

−

Với Rxx là ma trận tương quan mảng không có trọng số

Thế các trọng số của biểu thức (3.3) vào anten mảng, ta có phổ giả như sau

3.4 Ước lượng AOA dự báo tuyến tính

Mục tiêu của phương pháp dự báo tuyến tính là để giảm sai số dự đoán giữa ngõ ra của cảm biến thứ m và ngõ ra thực tế Mục tiêu của ta là tìm ra các trọng số nào làm giảm sai số tiên đoán bình phương trung bình Tương tự như ở biểu thức, ta có thể tìm các trọng số bằng biểu thức:

1 1

Kỹ thuật dự báo tuyến tính thỉnh thoảng được gọi là kỹ thuật tự hồi quy Người ta chứng minh được rằng các đỉnh của phổ khi dùng phương pháp dự báo tuyến tính thì tỉ lệ với bình phương công suất

3.5 Ước lượng AOA entropy cực đại

Phương pháp entropy cực đại được tìm ra bởi Burg Mục tiêu của ta là tìm ra phổ giả nào làm tối đa hàm entropy theo các điều kiện ràng buộc Phổ giả có dạng :

3.6 Ước lượng AOA phân tích hài Pisarenko

Ước lượng AOA phân tích hài Pisarenko (PHD) được đặt tên theo một nhà toán học người Nga đã nghĩ ra phương pháp sai số bình phương trung bình bé nhất này Mục tiêu của phương pháp này là tối thiểu sai số bình phương trung bình của ngõ ra anten mảng với điều kiện ràng buộc rằng chuẩn của vector trọng số phải là đơn nhất Vector đặc trưng dùng để tối thiểu sai số bình phương trung bình này sẽ phù hợp với trị riêng nhỏ nhất Đối với anten mảng M = 6 phần tử,

2 tín hiệu đến, sẽ có 2 vector đặc trưng liên quan với tín hiệu và có 4 vector đặc trưng liên quan với nhiễu Phổ giả PHD sẽ có dạng như biểu thức (3.8)

( )

( ) 2 1

Với e1là vector đặc trưng liên quan với trị riêng nhỏ nhất λ1

3.7 Ước lượng AOA chuẩn bé nhất (Min-norm)

Phương pháp chuẩn bé nhất được phát triển bởi Reddi; Kumaresan và Tufts Phương pháp này cũng được giải thích rõ ràng bởi Ermolaev và Gershman Phương pháp chuẩn bé nhất chỉ thích hợp cho các anten mảng tuyến tính đồng dạng (ULA) Thuật toán chuẩn bé nhất tối ưu trọng

số vector bằng cách giải quyết bài toán tối ưu với:

minω ωH H 0

s

E ω = ωHu1= 1 (3.9)Trong đó: ω= các trọng số anten mảng

3.8 Ước lượng AOA MUSIC

MUSIC là viết tắt của MUltiple SIgnal Classification Phương pháp này đầu tiên được đặt ra bởi Schmidt và là một phương pháp cấu trúc riêng có độ phân giải cao và phổ biến MUSIC tạo ra các ước lượng không lệch cho nhiều tín hiệu, nhiều góc tới, và nhiều dạng sóng có độ lớn cao