Ứng dụng kỹ thuật búp sóng sử dụng anten mảng cho hệ thống thông tin tế bào

Phần mềm hệ thống anten mảng sử dụng kỹ thuật búp sóng thích nghi..24 Hình 2-5.. THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 2G Second-Generation wireless telephone technology - mạng điện thoại di động thế hệ t

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn này là kết quả nghiên cứu của bản thân tôi với sự hướng dẫn của TS Trịnh Anh Vũ Nếu có gì sai sót tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm

Hà Nội, tháng 12 năm 2008 Người viết cam đoan

NGUYỄN HÀ DUY

LỜI CẢM ƠN

Em muốn cảm ơn sâu sắc tới TS Trịnh Anh Vũ – thầy giáo hướng dẫn Thầy

đã tận tình hướng dẫn, gợi ý cho em hoàn thành luận văn thạc sĩ này Cảm ơn những lời nhận xét quý giá của thầy

Em xin cảm ơn chân thành tới các thầy cô giáo trong Trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội đã giúp đỡ, góp ý cho em trong quá trình thực hiện luận văn

Em xin gửi lời cảm ơn tới gia đình và bạn bè, những người đã có nhiều động viên, khuyến khích em trong cuộc sống cũng như trong học tập

Cuối cùng, em muốn gửi lời cảm ơn tới tất cả những người đã hỗ trợ và giúp

đỡ em trong quá trình hòan thành quyển luận văn thạc sĩ này

Hà Nội, tháng 12 năm 2008

Nguyễn H à Duy

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤCLỤC iii

DANH MỤC HÌNH VẼ … v

DANH MỤC BẢNG ….……….……… ….vi

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ………….……… ……… vii

MỞ ĐẦU ………… ……… ……… 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT BÚP SÓNG …… … …… 3

1.1 Giới thiệu……… ……… …………3

1.2 Tổng quan về kỹ thuật búp sóng ……… …… 5

1.2.1 Kỹ thuật búp sóng……… …………5

1.2.2 Phân loại các kỹ thuật búp sóng……… … …… 8

1.3 Ứng dụng của kỹ thuật búp sóng……… ……… ………12

1.4 Tổng kết chương ……… … ……… 15

CHƯƠNG 2 KỸ THUẬT TẠO BÚP SÓNG ……… …… 17

2.1 Búp sóng chuyển mạch……… ……….… …… 17

2.2 Búp sóng thích nghi……….………21

2.2.1 Hệ anten mảng tuyến tính……….……….24

2.2.2 Một bộ tạo búp sóng đơn giản……….……… 27

2.2.3 Tiêu chuẩn tối ưu các trọng số……… 30

2.2.3.1 Trung bình bình phương phương sai nhỏ nhất (MMSE)…… 31

2.2.3.2 Tỷ số tín hiệu trên nhiễu lớn nhất (MSIR)…… … 34

2.2.3.3 Phương sai nhiễu đầu ra nhỏ nhất (LCMV)……… … 35

2.2.3.4 Mối liên hệ giữa các tiêu chuẩn ……… ……… ……36

2.2.4 Các thuật toán thích nghi ……… ……… …….37

2.2.4.1 Thuật toán trung bình bình phương tối thiểu (LMS) ………….38

2.2.4.2 Nghịch đảo ma trận liên hiệp lấy mẫu nhỏ nhất (SMI) ………39

2.2.4.3 Thuật toán bình phương tối thiểu (RLS) ……… 40

2.3 Tổng kết chương……….…….43

CHƯƠNG 3 ƯỚC LƯỢNG HƯỚNG ĐẾN (DOA)……… 44

3.1 Giới thiệu ……… …….………44

3.2 Các phương pháp ước lượng DOA truyền thống …… ………….…….46

3.2.1 Phương pháp ước lượng phổ (delay - and - sum) ……… ………….… 46

3.2.2 Phương pháp phương sai nhỏ nhất của Capon ……… ….…… 49

3.3 Các phương pháp ước lượng DOA dựa trên không gian con ………….51

3.3.1 Thuật toán MUSIC ……… ……… 51

3.3.2 Các thuật toán MUSIC cải tiến ……… ………57

3.3.2.1 Thuật toán Root-MUSIC ………….…….……….……… 57

3.3.2.2 Thuật toán Cyclic-MUSIC ……… ……….…… 58

3.3.3 Thuật toán ESPRIT 60

3.4 Các kỹ thuật giống nhau nhiều nhất (ML: Maximum Likelihood) … 65

3.5 Ước lượng DOA với các tín hiệu có liên quan chặt với nhau 67

3.5.1 Các kỹ thuật làm mượt không gian 68

3.5.2 MUSIC đa chiều 70

3.6 Ước lượng số lượng tín hiệu đến 71

3.7 Tổng kết chương 73

CHƯƠNG 4 ỨNG DỤNG KỸ THUẬT BÚP SÓNG SỬ DỤNG ANTEN MẢNG CHO HỆ THỐNG THÔNG TIN TẾ BÀO 75

4.1 Tham số CIR 76

4.2 Các chương trình mô phỏng tính toán CIR 78

4.3 Các kết quả mô phỏng 83

4.4 Tổng kết chương 87

KẾT LUẬN 88

TÀI LIỆU THAM KHẢO 90

PHỤ LỤC 92

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1-1 Anten đẳng hướng và mô hình phủ sóng……… 4

Hình 1-2 Anten Sector và vùng phủ sóng 4

Hình 1-3 Vùng phủ sóng của anten sử dụng kỹ thuật búp sóng 6

Hình 1-4 Sơ đồ khối của anten mảng M phần tử 7

Hình 1-5 Mô tả kỹ thuật búp sóng chuyển mạch ……….9

Hình 1-6 Mô tả kỹ thuật búp sóng thích nghi ………10

Hình 1-7 Vùng phủ với hệ anten sử dụng kỹ thuật búp sóng chuyển mạch và búp sóng thích nghi 10

Hình 1-8 Anten thu phát theo kỹ thuật SDMA……… 13

Hình 2-1 Ma trận Butler tạo 8 búp sóng đầu ra 19

Hình 2-2 Dạng búp sóng đầu ra của ma trận tạo búp Butler tại tần số 2.400 Ghz 19

Hình 2-3 Sơ đồ khối một anten mảng sử dụng kỹ thuật búp sóng thích nghi 22

Hình 2-4 Phần mềm hệ thống anten mảng sử dụng kỹ thuật búp sóng thích nghi 24

Hình 2-5 Hệ anten mảng tuyến tính 25

Hình 2-6 Mảng hai phần tử đẳng hướng 28

Hình 2-7 Hệ thống tạo búp sóng tổng quát 30

Hình 2-8 Bộ tạo búp sóng thích nghi 31

Hình 2-9 Sơ đồ thực hiện thuật toán LMS 39

Hình 2-10 Sơ đồ thực hiện thuật toán RLS 42

Hình 3-1 Các tín hiệu đến mảng anten với các góc khác nhau 45

Hình 3-2 Sơ đồ bộ tạo búp sóng cổ điển 47

Hình 3-3 So sánh chất lượng của phương pháp ước lượng phổ và phương pháp phương sai nhỏ nhất của Capon 50

Hình 3-4 So sánh chất lượng của phương pháp phương sai nhỏ nhất của Capon và thuật toán MUSIC 56

Hình 3-5 Mô hình mảng anten theo thuật toán ESPRIT ……….…61

Hình 3-6 So sánh thuật toán MUSIC truyền thống và thuật toán MUSIC sử dụng kỹ thuật làm mượt không gian trong việc xác định DOA 70

Hình 4-1 Sử dụng kỹ thuật búp sóng tại trạm cơ sở trong hệ thống thông tin tế bào

76

Hình 4-2 Mối quan hệ giữa trạm cơ sở và trạm di động 78

Hình 4-3 Mô hình xắp xếp các tế bào trong mô hình mô phỏng: (a) 19 tế bào sử dụng cùng tần số, (b) lựa chọn các tế bào khi kích thước cluster là 7, (c) lựa chọn các tế bào khi kích thước cluster là 3 79

Hình 4-4 Biểu đồ quá trình mô phỏng 80

Hình 4-5 Vị trí các trạm cơ sở của các tế bào sử dụng cùng tần số 81

Hình 4-6 Cải thiện tham số CIR ……… 84

Hình 4-7 Cải thiện tham số CIR trong trường hợp tính đến hiệu ứng sigma …… 85

Hình 4-8 Cải thiện tỷ số CIR khi đồng thời sử dụng kỹ thuật búp sóng tại trạm di động và trạm cơ sở ……… 86

DANH MỤC BẢNG Bảng 2-1 Đầu ra ma trận Butler 19

Bảng 4-1 Chức năng của các chương trình được sử dụng 78

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

2G Second-Generation wireless telephone technology - mạng điện thoại

di động thế hệ thứ 2

3G Third-Generation wireless telephone technology - mạng điện thoại di

động thế hệ thứ 3

ABF Analog BeamForming – Kỹ thuật búp sóng tương tự

ADCs Analog Digital Converter – Bộ chuyển đổi tương tự sang số

AIC Akaike Information theoretic Criteria – Tiêu chuẩn lý thuyết thông tin

của Akaike

AWGN Additive White Gaussian Noise – Tạp âm trắng cộng

BER Bit Error Rate – Tỉ lệ lỗi bit

BF Beamformer – Bộ tạo búp sóng

BFN BeamForming Network – Mạch định dạng búp sóng

BTS Base Transceiver Station – Trạm thu phát gốc

CDMA Code Division Multiple Access – Đa truy nhập phân mã

CIR Carrier to Interference Ratio - Tỷ số giữa công suất tín hiệu mong

muốn và tổng công suất tín hiệu giao thoa đồng kênh

DAMPS Digital Advanced Mobile Phone System - Hệ thống điện thoại số

DBF Digital BeamForming- Kỹ thuật búp sóng số

DFT Discrete Fourier Transform – Biến đổi Fourier rời rạc

DOA Direction Of Arrival – Hướng tới

ESPRIT Estimate of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques -

Ước lượng tham số tín hiệu thông qua các kỹ thuật bất biến luân phiên

FDMA Frequency Division Multiple Access - Đa truy cập phân chia theo mã

FFT Fast Fourier Transform – Biến đổi Fourier nhanh

GSM Global System for Mobile Communications – Hệ thống GSM

LCMV Linearly constrained Minimum variance - Phương sai nhiễu đầu ra

nhỏ nhất

LMS Least Mean Squares - Trung bình bình phương tối thiểu

MDL Rissanen Minimum Descriptive Length – Tiêu chuẩn MDL của

Rissanen

ML Maximum Likehood – Giống nhau lớn nhất

MMSE Minimum Mean Square Error – Trung bình bình phương sai số nhỏ

nhất

MS Mobile Staion – Máy di động

MSINR Maximum Signal to Interference ratio - Tỷ số tín hiệu trên nhiễu lớn

nhất

MUSIC MUltipe Signal Classification – Phân loại tín hiệu đa đường

MVDR Minimum Variance Distortionless Response - Đáp ứng không méo

phương sai nhỏ nhất

OFDM Orthogonal Frequency - Division Multiplexing - đa truy nhập theo tần

số trực giao

RAKE Máy thu RAKE

RLS Recursive Least Squares - Thuật toán bình phương tối thiểu

SDMA Spatial Division Multipe Access - Đa truy nhập theo không gian

SH Sequential Hypothesis – giả thuyết theo dãy

SIR Signal-to-Interference Ratio – Tỉ số tín hiệu trên nhiễu

SINR Signal-to-Interference plus Noise Ratio - Tỉ số tín hiệu trên nhiễu và

tạp âm

SMI Direct Sample Covariance Matrix- Ngịch đảo ma trận liên hiệp lấy

mẫu nhỏ nhất

TD-SCDMA Time Division - Synchronous Code Division Multiple Access - Đa

truy nhập theo mã đồng bộ phân kênh theo thời gian

TDMA Time Division Multiple Access – Đa truy nhập phân thời gian

TSL Total Least Squares Criterion - Tiêu chuẩn tổng bình phương nhỏ nhất

UMTS Universal Mobile Telecommunications System – Hệ thống thông tin

di động UMTS

MỞ ĐẦU

Các hệ thống thông tin di động tế bào ngày phát triển nhằm phục vụ cho các nhu cầu về dịch vụ ngày một lớn của khách hàng Do vậy, các kỹ thuật, công nghệ mới cần được nghiên cứu và triển khai để đáp ứng những nhu cầu đó Trong thời gian gần đây, hệ thống anten sử dụng kỹ thuật búp sóng dùng cho các hệ thống thông tin

di động là một trong những công nghệ được quan tâm nghiên cứu rộng rãi và thu được những kết quả rất khả quan, bao gồm các thuật toán, các thử nghiệm cho đến các sản phẩm thương mại Đến nay, các hệ thống anten sử dụng kỹ thuật này không còn là một khái niệm xa lạ như vài năm trước đây và được xem như một trong những công nghệ đầy hứa hẹn cho hệ thống thông tin di động 3G và sau 3G nhằm đáp ứng yêu mở rộng dung lượng, vùng phủ cũng như tăng chất lượng dịch vụ di động Ngoài các phương thức đa truy nhập truyền thống như TDMA, FDMA và CDMA, với việc sử dụng kỹ thuật búp sóng cho hệ thống anten, hệ thống của chúng

ta có thể hỗ trợ một phương thức đa truy nhập mới, đa truy nhập theo không gian SDMA, cho phép sử dụng tối đa mọi tài nguyên có thể của một hệ thống truy nhập

vô tuyến (thời gian, tần số, mã và không gian)

Nhận thấy việc ứng dụng kỹ thuật búp sóng trong các hệ thống anten có thể giải quyết rất tốt việc cải thiện dung lượng cũng như chất lượng của các hệ thống thông

tin di động, nên em đã chọn đề tài: “ứng dụng kỹ thuật búp sóng sử dụng anten mảng cho hệ thống thông tin tế bào” Đề tài được bố cục thành 4 chương, với các

nội dung như sau:

Chương 1: Giới thiệu tổng quan về kỹ thuật búp sóng Chương này trình bày

khái quát về kỹ thuật búp sóng, phân loại các kỹ thuật búp sóng cũng như các ứng dụng của kỹ thuật búp sóng

Chương 2: Kỹ thuật tạo búp sóng Nghiên cứu các kỹ thuật được sử dụng để tạo

búp sóng sử dụng với mảng anten, bao gồm cả búp sóng chuyển mạch và búp sóng thích nghi Kỹ thuật tạo búp sóng chuyển mạch đơn giản hơn nhưng kém hơn về độ tăng ích cũng như chất lượng… Các thuật toán tạo búp sóng thích nghi sử dụng các

Chương trình mô phỏng gồm hai phần chính là thiết lập các giá trị ban đầu (Status initialization) và lặp (loop), cụ thể như sau:

[Status initialization]

Đầu tiên, kích thước cluster được quyết định bằng cách thiết lập các tham số I và

J Kích thước cluster được tính thông qua công thức sau:

J I J

I2 + 2 + ⋅

(4.2)

Ví dụ, khi I=J=1 thì kích thước cluster là 3 Tiếp theo, dựa trên kích thước cluster,

ta quyết định cách sắp xếp các trạm cơ sở (Việc sắp xếp này được đưa ra bởi hai chương trình set_D.m và stationinit.m Trong đó, chương trình set_D.m xác định khoảng cách giữa hai trạm cơ sở của hai tế bào đồng kênh và chương trình stationinit.m xác định vị trí của các trạm cơ sở này) Kết quả của chương trình stationinit.m được chỉ ra như hình vẽ 4.5 Chúng ta cũng chọn độ cao của trạm cơ

sở và bán kính của tế bào (ở đây, ta giả sử rằng bán kính tế bào là r = 100 [m])

Hình 4.5 Vị trí các trạm cơ sở của các tế bào sử dụng cùng tần số

Thứ hai, ta xác định các đặc điểm của của độ lợi anten tại cả trạm gốc và trạm di động Gọi trạm cơ sở và trạm di động của tế bào thứ i lần lượt là Bi và Mi Trong chương trình mô phỏng này, ta giả sử:

) ( )

( )

( )

đối với tất cả các góc đến φ trong trường hợp 2 Mặt khác ta gán các giá trị cụ thể cho các tham số độ lợi anten trong trường hợp hợp 1, cụ thể là xấp xỉ như sau:

⎩

⎨

⎧

−

∉

≤

≤

−

=

2 / , 2 / ,

2 / 2

/ ), ( cos log 10 )

π π φ

π φ π

φ φ

x G

n

Trong đó, x là độ lợi anten theo hướng ngược Tham số n được sử dụng để xác định

độ rộng búp sóng φ Giá trị này không quá 3dB Giá trị của tham số n được xác

định theo công thức sau:

) 180 / cos(

log

2 / 1 log 10

10

θπ

=

Ta có thể dùng công thức (4.4) để xác định các giá trị G HB i(φ), G HM i(φ), G VB i(φ)

và G VM i(φ)

[Loop]

Vị trí của các trạm di động trong mỗi tế bào được xác định một cách ngẫu nhiên Đầu tiên ta tính toán khoảng cách giữa Mi và Bi để xác định công suất yêu cầu Pi

của Mi (i=0,…,18) Bằng cách điều khiển Pi, ta có thể thực hiện kỹ thuật điều khiển công suất Kỹ thuật này cũng là một cách có hiệu quả để cải thiện CIR và điều khiển búp sóng Sử dụng kỹ thuật này tại mỗi trạm di động có thể điều khiển công suất truyền sao cho phù hợp với khoảng cách giữa trạm di động và trạm gốc mong muốn

Thứ hai, ta tính toán khoảng cách giữa trạm gốc trung tâm B0 và trạm di động Mi

trong tế bào thứ i để tìm mất mát đường truyền d i−α

Thứ ba, ta tính các góc theo phương nằm ngang và phương thẳng đứng θHB i,

i

VB

θ từ Bi đến Mi Trong trường hợp 1, mỗi Mi có một giá trị độ lợi anten lớn nhất

đối với Bi Cụ thể là G HM i có đỉnh khi φ = 0 như theo (4.4), đạt được tại hướng

) 0 (

i

HM

G

) 18 , , 0 (i=

i

HB

θ Cũng tương tự như vậy, độ lợi lớn nhất theo phương nằm ngang G VM i( 0 ) đạt được đối với hướng

i

VB

θ Tiếp theo, ta tính các góc theo các phương thẳng đứng và nằm ngang θHB0 và θVB0đối với trạm trung tâm B0 và Mj

(j=1,…18) Sự khác nhau giữa θHB ivà θHB0, giữa θVB ivà θVB0được sử dụng để tính các giá trị ( )

0

HB

HM j

0

VB

VM j

Tương tự như vậy, ta tính các góc theo phương nằm ngang và phương thẳng đứng 0

HM

θ và θVM0giữa trạm di động M0 và trạm gốc B0, các giá trị và lớn nhất tương ứng với các góc

) 0 ( 0

HB

G G VB0( 0 )

0

HM

θ và θVM0 Tiếp theo, ta tính các góc theo các phương thẳng đứng và nằm ngang θHM j và θVM jgiữa Mj (j=1,…,18) và B0 Sự khác nhau giữa θHM j và θHM0, giữa θVM jvà θVM0được sử dụng để tính các giá trị

)

(

0 HM j

HB

G θ và G VB0(θVM j)

Cuối cùng, dựa vào công thức (4.1), ta tính được CIR cho đường lên tại trạm gốc trung tâm cho cả hai trường hợp 1 và 2

Sau khi kết thúc quá trình lặp (loop), các thống kê về CIR cho cả hai trường hợp

1 và 2 được đưa ra

4.3 Các kết quả mô phỏng

Hình vẽ 4.6 đưa ra kết quả về việc cải thiện CIR của đường lên tại trạm cơ sở trung tâm, ta có thể thấy sự khác biệt rất lớn giữa hai trường hợp 1 và 2 Các tham

số dùng trong chương trình mô phỏng này như sau:

• I = 1, J=1;

• G HB i(φ) được xác định theo (4.4), trong đó, x = -100[dB], n=2.41 (θ =60);

• (φ) = (φ) = (φ) = 0

i i

sử dụng kỹ thuật búp sóng;

• Độ lệch chuẩn của hiệu ứng sigma bằng 0;

A watermark is added at the end of each output PDF file.

To remove the watermark, you need to purchase the software from

http://www.anypdftools.com/buy/buy-pdf-splitter.html