Phân tích và thiết kế anten cho điện thoại di động 4g

1.2 Hướng đi cho tương lai 1.2.1 Hệ thống vô tuyến toàn cầu Một giải pháp tốt cho vấn đề nêu trên đó là đưa ra một hệ thống vô tuyến toàn cầu có thể kết nối một cách hiệu quả nhiều mạn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

- ĐẶNG NHƯ ĐỊNH

PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ ANTEN CHO ĐIỆN THOẠI

DI ĐỘNG 4G

Chuyên ngành : Kỹ Thuật Điện Tử Viễn Thông

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Kỹ Thuật Điện Tử Viễn Thông

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :

PGS TS ĐÀO NGỌC CHIẾN

Hà Nội – 2011

1

LỜI CAM ĐOAN

Luận văn này được hoàn thành sau một thời gian nghiên cứu và tìm hiểu các nguồn tài liệu đã học, sách báo chuyên ngành cũng như các thông tin trên Internet

mà theo tôi là hoàn toàn tin cậy Tôi xin cam đoan luận văn này không giống với bất

kỳ công trình nghiên cứu hay luận văn nào trước đây mà tôi đã biết

Hà Nội, ngày 10 tháng 10 năm 2011

Người thực hiện

Đặng Như Định

2

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

MỤC LỤC 2

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT 4

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 5

LỜI MỞ ĐẦU 8

Chương 1 GIỚI THIỆU 10

1.1 Hiện trạng của bài toán 10

1.2 Hướng đi cho tương lai 11

1.2.1 Hệ thống vô tuyến toàn cầu 11

1.2.2 Các yêu cầu về tốc độ dữ liệu 12

1.2.3 Mạng truy nhập vô tuyến 12

1.3 Kết quả mong đợi 13

Chương 2 CÔNG NGHỆ 4G VÀ HỆ THỐNG MIMO 14

2.1 Công nghệ di động thế hệ thứ 4 (4G) 14

2.1.1 Giới thiệu 14

2.1.2 Đặc điểm chính của công nghệ LTE-Advanced 14

2.1.3 Kết luận 21

2.2 Khái niệm và mô hình hệ thống MIMO 21

2.2.1 Định nghĩa và đặc điểm 21

2.2.2 Những hạn chế của kênh truyền không dây 22

2.2.3 Ưu điểm của hệ thống MIMO 24

2.2.4 Hệ thống đa ănten và ảnh hưởng tương hỗ 25

2.2.5 Kỹ thuật phân tập anten 29

2.2.6 Kết luận 31

Chương 3 THIẾT KẾ ANTEN VI DẢI MIMO CHO CÔNG NGHỆ 4G 32

3.1 Thiết kế anten với phần mềm HFSS 32

3

3.1.1 Lý thuyết trường điện từ ứng dụng trong Anten 32

3.1.2 Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) 35

3.1.3 Phần mềm mô phỏng Ansoft HFSS 37

3.2 Thiết kế anten vi dải MIMO ứng dụng cho công nghệ 4G 42

3.2.1 Các thông số về anten cho hê thống MIMO 42

3.2.2 Hướng tiếp cận thiết kế anten MIMO một phần tử bức xạ với nhiều đường tiếp điện 43

3.2.3 Quá trình thiết kế và phân tích 44

3.2.4 Phân tích mô hình chế tạo anten và các kết quả đo đạc 70

3.2.5 Kết luận 74

KẾT LUẬN 75

PHỤ LỤC 78

4

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

MIMO Multi Input Multi Output

WCDMA Wideband Code division multiple access

WLAN Wireless Local Area Network

3GPP 3rd Generation Partnership Project

OFDMA Orthogonal frequency-division multiplexing

SC-FDMA Single-carrier Frequency Division Multiple Access

WiMAX Worldwide Interoperability for Microwave Access

HFSS High Frequency Structure Simulation

EMI/EMC Electromagnetic interference /Electromagnetic compatibility EBG Electromagnetic band gap

5

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1: Sự phát triển của các hệ thống tế bào 11

Hình 1.2: Hệ thống vô tuyến toàn cầu 12

Hình 1.3: Cấu hình hệ thống tế bào 4G 13

Hình 2.1: Ví dụ về khối kết tập sóng mang 16

Hình 2.2: Khối anten MIMO 2×2 18

Hình 2.3: Truyền dẫn đa điểm phối hợp 19

Hình 2.4: Chuyển tiếp trong LTE-Advanced 21

Hình 2.5: Hệ thống MIMO 22

Hình 2.6: Mô hình (a) MMA và (b) MEA 25

Hình 2.7: Các nguyên nhân gây tương hỗ 26

Hình 2.8: Các quá trình gây nhiễu giữa liên chấn tử 27

Hình 2.9: Hàm tương quan giữa các anten thành phần như là hàm của khoảng cách theo bước sóng 28

Hình 3.1: Hình vẽ phân cách hai môi trường 34

Hình 3.2: Cách chia phần tử hữu hạn trong HFSS: (a) thành các tam giác trên bề mặt, (b) thành các tứ diện trong không gian ba chiều 38

Hình 3.3: Mô hình mô phỏng 41

Hình 3.4: Anten MIMO thông dụng và anten MIMO có đa đầu vào 44

Hình 3.5: So sánh về hệ số tăng ích giữa hai ăng ten có cùng kích thước nhưng khác nhau về cách tiếp điện 45

Hình 3.6: Mô hình anten vi dải 45

Hình 3.7: Cấu trúc đường tiếp điện vi dải 47

Hình 3.8: Mô hình anten MIMO một phần tử bức xạ 48

Hình 3.9: Mật độ dòng điện của anten khi được tiếp bởi (a) đường tiếp điện bên trái và (b) đường tiếp điện bên phải 48

Hình 3.10: Bộ lai 900 49

6

Hình 3.11: Mô hình mô phỏng bộ lai 900 50

Hình 3.12: Ma trận tán xạ S tính theo dB 50

Hình 3.13: S12, S13 tính theo độ 51

Hình 3.14: Bộ Crossorver được ghép bởi hai bộ lai 900 51

Hình 3.15: Bộ Crossover biến đổi 52

Hình 3.16: Công cụ tính toán trở kháng vào của đường truyền vi dải 53

Hình 3.17: Cấu hình bộ Crossover 53

Hình 3.18: Tham số tán xạ S của bộ Crossover 54

Hình 3.19: Mật độ dòng bề mặt tại a) 2.05GHz và b) 1.92GHz 55

Hình 3.20: Bộ Crossover với cấu trúc Ground Defected 56

Hình 3.21: Mô hình đường truyền với Defected Ground và sơ đồ tương đương 57

Hình 3.22: Phân bố mật độ dòng điện của mô hình bộ Crossover với cấu trúc Defected Ground khi được tiếp điện tại (a) Port 1, và (b) Port 2 57

Hình 3.23: Tham số tán xạ S của bộ Crossover với cấu trúc Ground Defected 58

Hình 3.24: Tối ưu với các kích thước khác nhau của cấu trúc Defected Ground 59

Hình 3.25: Mật độ dòng điện bề mặt tại 1.92GHz tại a) Mô hình không có cấu trúc Defected Ground và b) Mô hình có cấu trúc Defected Ground 60

Hình 3.26: Mô hình anten được đề xuất 62

Hình 3.27: Ma trận tán xạ S 63

Hình 3.28: Đồ thị phương hướng bức xạ trong các mặt phẳng tại (a) 1.92 GHz, (b) 2.05 GHz và (c) 2.17 GHz 64

Hình 3.29: Đồ thị phương hướng bức xạ trong không gian 3 chiều khi tiếp port bên phải tại các tần số a) 1.92GHz và b)2.05GHz 65

Hình 3.30: Hệ số tăng ích đỉnh 65

Hình 3.31: Mô hình bẻ góc 450 của đường vi dải 66

Hình 3.32: Hệ số tổn hao ngược của anten khi thay đổi L1 67

Hình 3.33: Hệ số S12&S21 của anten khi thay đổi L1 67

Hình 3.34: Mật độ dòng điện của anten khi được tiếp điện tại 2.05GHz bởi (a) đường tiếp điện bên trái và (b) đường tiếp điện bên phải 68

7

Hình 3.35: Đồ thị phương hướng bức xạ trong mặt phẳng xoy tại (a) tần số 1.92 GHz với đường tiếp điện bên phải, (b) tần số 1.92 GHz với đường tiếp điện bên trái, (c) tần số 2.05 GHz với đường tiếp điện bên phải, (d) tần số 2.05 GHz với đường tiếp điện bên trái, (e) tần số 2.17 GHz với đường tiếp điện bên phải và (f) tần số 2.17 GHz với đường tiếp điện bên trái 69 Hình 3.36: Mô hình chế tạo anten 70 Hình 3.37: Kết quả đo đạc của anten ở (a) Port 1, và (b) Port 4 73

số là một tài nguyên khan hiếm Đồng thời, muốn cải thiện nâng cao chất lượng tín hiệu và giảm ảnh hưởng của phading thì máy phát phải đạt công suất đủ lớn hoặc tăng kích thước anten để duy trì hiệu suất bức xạ Tuy nhiên, đối với những thiết bị

di động cầm tay như điện thoại di động, máy tính xách tay có kích thước nhỏ gọn thì không thể áp dụng được phương pháp này Hiện nay, hệ thống anten sử dụng nhiều phần tử bức xạ ở cả phía phát và phía thu hay còn gọi là kỹ thuật đa đầu vào

đa đầu ra (kỹ thuật MIMO) đang được ứng dụng khá phổ biến trong truyền thông vô tuyến Kỹ thuật này đem lại nhiều ưu thế về chất lượng truyền tín hiệu cũng như tốc

độ truyền tải dữ liệu và khắc phục được đáng kể những nhược điểm của hệ thống truyền thông vô tuyến

Và trong khi công nghệ di động thế hệ thứ 3 (3G) vẫn đang tìm kiếm thị trường

để đưa vào ứng dụng rộng rãi thì các nhà nghiên cứu đã bắt tay vào việc nghiên cứu công nghệ di động băng rộng thế hệ thứ tư (4G) 4G là một thế hệ tiếp theo của công nghệ hiện đang sử dụng ở các mạng điện thoại di động có khả năng truyền tải các dữ liệu, âm thanh, hình ảnh với chất lượng cao Với 4G, các nhà thiết kế kỳ vọng sẽ có thể cho phép các thiết bị di động chuyển vùng (roaming) tự động qua các công nghệ không dây khác nhau Các chuẩn quốc tế cũng đang được hình thành, trong đó có chuẩn LTE Advanced (Long-term-evolution Advanced) là sự phát triển của LTE để tiến lên IMT – Advanced (International Mobile Telecommunications

9

Advanced) LTE-Advanced sẽ tương thích thuận - nghịch với LTE, nghĩa là các thiết bị LTE sẽ hoạt động ở cả mạng LTE Advanced mới và các thiết bị LTE-Advanced cũng hoạt động ở cả các mạng LTE cũ Theo đó, hệ thống LTE Advanced sẽ được hỗ trợ hoạt động trong nhiều băng tần khác nhau của LTE ứng với từng khu vực khác nhau trên thế giới Hiện tại, các nước thuộc khu vực Nhật Bản, Châu Âu, Châu Á dải tần hoạt động của hệ thống 1920-1980 MHz cho hướng lên và 2110-2170 MHz cho hướng xuống là tiêu chuẩn để xây dựng một hệ thống UMTS IMT Và trong tương lai hệ thống LTE Advanced sẽ kế thừa dải tần hoạt động này cũng như có thể bổ sung thêm băng tần cho mình Song song với đó, là việc thiết kế anten MIMO cho hệ thống 4G sẽ gặp nhiều khó khăn và thách thức Vấn đề đầu tiên đặt ra là kích thước anten phải nhỏ gọn, đạt được yêu cầu của các nhà sản xuất thiết bị di động khi tích hợp vào thiết bị, sản phẩm Hơn nữa, trong hệ thống nhiều phần tử bức xạ, ảnh hưởng tưỡng hỗ giữa chúng là đáng kể, hiện tượng này cần phải được giảm thiểu để nâng cao độ ổn định và hiệu suất bức xạ của hệ

thống Vì vậy, tôi đã chọn đề tài: “Phân tích và thiết kế anten cho điện thoại di

động 4G” nhằm giải quyết những vấn đề nêu trên, đồng thời mong muốn tìm ra

hướng nghiên cứu mới cho công nghệ thiết kế, chế tạo anten ở Việt Nam

10

Chương 1 Giới thiệu

1.1 Hiện trạng của bài toán

Thế giới đang bước vào kỷ nguyên hội tụ của thông tin di động, máy tính và Internet Điều này đã và đang tạo nên một xã hội đa phương tiện băng rộng Các hệ thống tế bào hiện nay (thường hiểu là các hệ thống 2G) tuy đã được tối ưu hoá cho các dịch vụ thoại thời gian thực nhưng chúng có khả năng rất hạn chế trong việc cung cấp các dịch vụ đa phương tiện băng rộng bởi vì chúng có tốc độ truyền dữ liệu chậm và màn hiển thị nhỏ Các hệ thống IMT-2000, hay gọi là các hệ thống 3G, đang trong quá trình phát triển với tốc độ dữ liệu nhanh hơn lên tới 384kbit/s (2Mbit/s về sau) và có màn hiển thị tốt hơn các hệ thống 2G Thông tin truyền qua Internet sẽ ngày càng phong phú hơn Các dịch vụ đa phương tiện băng rộng chẳng bao lâu nữa sẽ tràn đầy trong mạng cố định dựa trên công nghệ Internet thế hệ tiếp theo Tuy nhiên, khả năng của các hệ thống 3G không thể đáp ứng được nhu cầu ngày càng tăng của các dịch vụ đa phương tiện băng rộng Điều này đặt ra là phải

có một hệ thống thông tin mới có khả năng đáp ứng được các nhu cầu của truyền thông đa phương tiện

Các hệ thống tế bào đã mở ra một thời kỳ tiến bộ trong công nghệ vô tuyến và những thay đổi trong nhu cầu của người sử dụng như trong hình 1.1 Hình 1.1 chỉ ra

sự tiến hoá của các hệ thống tế bào từ 1G đến 4G Cùng với sự bùng nổ của lưu lượng Internet trong mạng cố định, yêu cầu cho các dải dịch vụ đang trở nên mạnh

mẽ hơn thậm chí trong các mạng thông tin di động Hệ thống tế bào 4G sẽ hỗ trợ tốc

độ dữ liệu cao hơn các hệ thống tế bào 3G (W-CDMA, CDMA2000)

Tuy nhiên, các hệ thống mà hỗ trợ các dịch vụ dữ liệu tốc độ cực cao (ví dụ 1Gbit/s) thường không có khả năng cung cấp một vùng bao phủ toàn quốc Những

11

nơi mà người sử dụng yêu cầu các dịch vụ dữ liệu tốc độ cực cao có thể là các khu vực điểm nóng (hot spot) nhỏ, gia đình, chợ, các nhà ga, sân bay, khách sạn… Do vậy không thể nào xây dựng được một siêu hệ thống vô tuyến để đáp ứng được mọi nhu cầu Một vấn đề quan trọng là làm sao xây dựng được một hệ thống cho phép người sử dụng các dịch vụ đa phương tiện băng rộng cho cả những người sử dụng

di động và những người di cư khắp mọi nơi

Hình 1.1: Sự phát triển của các hệ thống tế bào

1.2 Hướng đi cho tương lai

1.2.1 Hệ thống vô tuyến toàn cầu

Một giải pháp tốt cho vấn đề nêu trên đó là đưa ra một hệ thống vô tuyến toàn cầu có thể kết nối một cách hiệu quả nhiều mạng vô tuyến riêng (ví dụ các hệ thống

tế bào 2G/3G/4G, WLAN, các hệ thống quảng bá…), được tối ưu hoá tới các môi trường truyền thông khác nhau, sử dụng công nghệ Internet băng rộng Khái niệm này cho phép mỗi hệ thống vô tuyến phát triển độc lập với các hệ thống khác như trong hình 1.2 Các hệ thống tế bào cung cấp vùng bao phủ rộng, trong khi hệ thống WLAN sẽ chỉ bao phủ các khu vực điểm nóng nhưng với tốc độ dữ liệu cao hơn nhiều các hệ thống tế bào Các hệ thống quảng bá có thể có vùng bao phủ rộng để cung cấp cho người dùng di động và di cư với các chương trình video và ca nhạc chất lượng cao một chiều Sự kết hợp ngày càng gần của các hệ thống tế bào,

12

WLAN, quảng bá và các hệ thống vô tuyến khác sẽ là hết sức quan trọng để cung cấp các dịch vụ toàn quốc

Hình 1.2: Hệ thống vô tuyến toàn cầu

1.2.2 Các yêu cầu về tốc độ dữ liệu

Nhu cầu về tải số lượng lớn thông tin ngày càng tăng và sẽ trở nên cao hơn Ghép dữ liệu mềm dẻo nhiều dải tốc độ thông tin lớn hơn các hệ thống vô tuyến 3G hiện nay là yêu cầu cho các liên kết đường xuống (trạm gốc tới máy di động) Yêu cầu đặt ra cho các tốc độ dữ liệu có thể là:

- Các điểm nóng và môi trường đông dân cư: 100M đến 1Gbit/s

- Môi trường phương tiện vận tải: ~100Mbit/s

Do giới hạn của nhiều băng tần hiện nay, các hệ thống yêu cầu phải có hiệu suất phổ rất cao Để đạt được điều này, các hệ thống anten đa đầu vào, đa đầu ra (MIMO) sẽ đóng một vai trò quan trọng

1.2.3 Mạng truy nhập vô tuyến

Lưu lượng gói sẽ thống trị lưu lượng chuyển mạch kênh trong tương lai gần Hình 1.3 đưa ra một khái niệm về cấu hình mạng tế bào 4G Phần vô tuyến của mạng sẽ gần với một mạng WLAN, nhưng với sự quản lý tính di động vùng rộng như trong các hệ thống tế bào 2G/3G Các hệ thống tế bào yêu cầu nhiều chức năng kiểm soát cuộc gọi và cơ sở dữ liệu được phân phối Tất cả các chức năng này sẽ

1.3 Kết quả mong đợi

Luận văn này hướng tới phát triển, nghiên cứu, thiết kế một hệ thống anten hoàn chỉnh ứng dụng cho công nghệ MIMO 4G Khi đó chỉ tiêu thiết kế sẽ là: thiết

kế anten MIMO hoạt động tốt ở dải tần 1.9GHz – 2.2GHz, đồng thời phải giảm tác động tương hỗ giữa các phần tử riêng lẻ của anten

Quá trình thiết kế sẽ gặp nhiều trở ngại trước tiên là việc lựa chọn loại anten phù hợp nhất đáp ứng được những yêu cầu như giá thành rẻ, dễ chế tạo, băng thông rộng, tính tích hợp cao cho các thiết bị di động Sau đó là giai đoạn áp dụng một số phương pháp kỹ thuật để điều chỉnh các thông số anten: hệ số tổn hao ngược, bức

xạ đẳng hướng …và cuối cùng là ghép các anten để trở thành một hệ thống hoàn chỉnh trong khi vẫn đảm bảo các thông số anten thay đổi trong điều kiện cho phép Sau đây chúng ta sẽ đi sâu tìm hiểu chi tiết hơn về mặt lý thuyết của công nghệ 4G và MIMO, từ đó tạo nên hướng thiết kế cho hệ thống anten

14

Chương 2 Công nghệ 4G và hệ thống MIMO

2.1 Công nghệ di động thế hệ thứ 4 (4G)

2.1.1 Giới thiệu

Trong khi các công nghệ di động thế hệ thứ 3 (3G) vẫn đang tìm kiếm các thị trường để đưa vào ứng dụng rộng rãi thì các nhà nghiên cứu đã bắt tay vào việc nghiên cứu công nghệ di động băng rộng thế hệ thứ tư (4G) 4G là một thế hệ tiếp theo của công nghệ hiện đang được sử dụng ở các mạng điện thoại di động có khả năng truyền tải các dữ liệu, âm thanh và hình ảnh với chất lượng cao Với 4G, các nhà thiết kế kỳ vọng sẽ có thể cho phép các thiết bị di động chuyển vùng (roaming)

tự động qua các công nghệ không dây khác nhau Ở đây, ta sẽ tập trung giới thiệu

về công nghệ tiềm năng LTE-Advanced, công nghệ 4G của tương lai

2.1.2 Đặc điểm chính của công nghệ LTE-Advanced

a) Tổng quan về LTE-Advanced

LTE-Advanced là sự tiến hóa trong tương lai của công nghệ LTE, công nghệ dựa trên OFDMA này được chuẩn hóa bởi 3GPP trong phiên bản (Release) 8 và 9 LTE-Advanced, dự án được nghiên cứu và chuẩn hóa bởi 3GPP vào năm 2009 với các đặc tả được mong đợi hoàn thành vào quý 2 năm 2010 như là một phần của Release 10 nhằm đáp ứng hoặc vượt hơn so với những yêu cầu của thế hệ công nghệ vô tuyến di động thế hệ thứ 4 (4G) IMT-Advanced được thiết lập bởi ITU LTE-Advanced sẽ tương thích ngược và thuận với LTE, nghĩa là các thiết bị LTE sẽ hoạt động ở cả mạng LTE Advanced mới và các thiết bị LTE-Advanced sẽ hoạt động ở cả các mạng LTE cũ

Gần đây, ITU đã đưa ra các yêu cầu cho IMT-Advanced nhằm tạo ra định nghĩa chính thức về 4G Thuật ngữ 4G sẽ áp dụng trên các mạng tuân theo các yêu cầu

15

của IMT-Advanced xoay quanh báo cáo ITU-R M.2134 Một số yêu cầu then chốt bao gồm:

- Hỗ trợ độ rộng băng tần lên đến và bao gồm 40 MHz

- Khuyến khích hỗ trợ các độ rộng băng tần rộng hơn (chẳng hạn 100 MHz)

- Hiệu quả sử dụng phổ tần đỉnh đường xuống tối thiểu là 15 b/s/Hz (giả sử sử dụng MIMO 4x4)

- Hiệu quả sử dụng phổ tần đỉnh đường lên tối thiểu là 6,75 b/s/Hz (giả sử sử dụng MIMO 4x4)

- Tốc độ thông lượng lý thuyết là 1,5 Gb/s (trong phiên bản trước đây, 1Gb/s thường được coi là mục tiêu của hệ thống 4G)

Hiện tại chưa có công nghệ nào đáp ứng những yêu cầu này Nó đòi hỏi những công nghệ mới như là LTE-Advanced và IEEE 802.16m Một số người cố gắng dán nhãn các phiên bản hiện tại của WiMAX và LTE là 4G nhưng điều này chỉ chính xác đối với phiên bản tiến hóa của các công nghệ trên, chẳng hạn LTE-Advanced, còn LTE chỉ có thể gọi với cái tên không chính thức là 3,9G LTE sử dụng kỹ thuật

đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao OFDMA ở đường xuống Trong khi đó,

ở đường lên, LTE sử dụng kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số - đơn sóng mang SC-FDMA Một số tính năng khác của LTE:

- Tốc độ số liệu đỉnh đường xuống lên đến 326Mb/s với độ rộng băng tần 20 MHz

- Tốc độ số liệu đỉnh đường lên lên đến 86,4 Mb/s với độ rộng băng tần 20 MHz

- Hoạt động ở cả chế độ TDD và FDD

- Độ rộng băng tần có thể lên đến 20 MHz bao gồm cả các độ rộng băng 1,4; 3; 5; 10; 15 và 20 MHz

- Hiệu quả sử dụng phổ tăng so với HSPA ở Release 6 khoảng 2 đến 4 lần

- Độ trễ giảm với thời gian trễ vòng giữa thiết bị người sử dụng và trạm gốc là

10 ms và thời gian chuyển từ trạng thái không tích cực sang tích cực nhỏ hơn 100 ms

16

b) Những công nghệ thành phần đề xuất cho LTE-Advanced

- Truyền dẫn băng rộng hơn và chia sẻ phổ tần

Mục tiêu tốc độ số liệu đỉnh của LTE-Advanced rất cao và chỉ có thể được thỏa mãn một cách vừa phải bằng cách tăng độ rộng băng truyền dẫn hơn nữa so với những gì được cung cấp ở phiên bản đầu tiên của LTE và độ rộng băng truyền dẫn lên đến 100 MHz được thảo luận trong nội dung của LTE - Advanced Việc mở rộng độ rộng băng sẽ được thực hiện trong khi vẫn duy trì được tính tương thích phổ Điều này có thể đạt được bằng cách sử dụng “khối kết tập sóng mang” trong

đó nhiều sóng mang thành phần LTE được kết hợp trên lớp vật lý để cung cấp độ rộng băng cần thiết Đối với thiết bị đầu cuối LTE, mỗi sóng mang thành phần sẽ xuất hiện như là một sóng mang LTE trong khi một thiết bị đầu cuối LTE-Advanced có thể khai thác toàn bộ độ rộng băng khối kết tập

Hình 2.1 minh họa trường hợp các sóng mang thành phần liên tiếp nhau mặc dù

ở khía cạnh băng gốc, điều này không phải là điều kiện tiên quyết Truy nhập đến một lượng lớn phổ liên tục ở bậc 100 Mhz không thể có thường xuyên Do đó, LTE-Advanced có thể cho phép kết tập các sóng mang thành phần không liền kề để xử lý các tình huống trong đó một khối lượng lớn phổ liên tiếp nhau không sẵn có Tuy nhiên, nên lưu ý rằng sự kết tập phổ không liền kề đang là thách thức từ khía cạnh thực thi Vì vậy, mặc dù khối kết tập phổ được hỗ trợ bởi các đặc tả cơ bản thì sự kết tập phổ phân tán chỉ được cung cấp bởi các thiết bị đầu cuối cấp cao nhất Cuối cùng, lưu ý rằng truy nhập trên các độ rộng băng truyền dẫn cao hơn không chỉ hữu ích từ khía cạnh tốc độ đỉnh mà quan trọng hơn là công cụ cho việc

mở rộng vùng phủ sóng với các tốc độ số liệu trung bình

Hình 2.1: Ví dụ về khối kết tập sóng mang

17

- Giải pháp đa anten

Các công nghệ đa anten, bao gồm định dạng chùm và ghép kênh theo không gian là các thành phần công nghệ then chốt vốn có của LTE và chắc chắn sẽ tiếp tục đóng một vai trò quan trọng hơn trong LTE-Advanced Thiết kế đa anten LTE hiện tại cung cấp lên đến bốn cổng anten với các tín hiệu tham chiếu ô cụ thể tương ứng

ở đường xuống, kết hợp với sự tiền mã hóa dựa trên sổ mã Cấu trúc này cung cấp

cả sự ghép theo không gian lên đến bốn lớp, đưa đến tốc độ bit đỉnh là 300 Mbit/s cũng như là định dạng chùm (dựa trên sổ mã) Kết hợp với nhau trên độ rộng băng toàn phần là 100 MHz, sơ đồ ghép không gian LTE hiện tại sẽ đạt được tốc độ đỉnh

là 1,5 Gbit/s vượt xa so với yêu cầu của LTE-Advanced Có thể thấy trước rằng hỗ trợ ghép kênh theo không gian trên đường lên sẽ là một phần của LTE-Advanced Việc tăng số lớp truyền dẫn đường xuống vượt xa con số bốn là có khả năng và có thể được sử dụng như là phần bổ sung đối với sự tăng tốc đỉnh thông qua sự mở rộng băng tần

MIMO là một phần tất yếu của LTE để đạt được các yêu cầu đầy tham vọng về thông lượng và hiệu quả trải phổ MIMO cho phép sử dụng nhiều anten ở máy phát

và máy thu Với hướng DL, MIMO 2x2 (2 anten ở thiết bị phát, 2 anten ở thiết bị thu) được xem là cấu hình cơ bản, và MIMO 4x4 cũng được đề cập và đưa vào bảng đặc tả kỹ thuật chi tiết Hiệu năng đạt được tùy thuộc vào việc sử dụng MIMO Trong đó, kỹ thuật ghép kênh không gian (spatial multiplexing) và phát phân tập (transmit diversity) là các đặc tính nổi bật của MIMO trong công nghệ LTE

Spatial Multiplexing: Ghép kênh không gian cho phép phát các chuỗi dữ liệu

khác nhau đồng thời nhằm tận dụng triệt để tài nguyên sóng của kênh vô tuyến Các chuỗi dữ liệu này có thể là của một người dùng đơn lẻ (single user MIMO hay SU-MIMO) hay nhiều người dùng (Multi User MIMO hay MU-MIMO)

Hình 2.2 minh họa đơn giản về đa phân chia theo không gian Trong ví dụ này, mỗi anten phát sẽ phát đi một chuỗi dữ liệu khác nhau Mỗi anten thu có thể nhận nhiều chuỗi dữ liệu từ cả hai anten phát

tả ở Hình 2

ẫn Phụ thu

g án A, thi

ch biệt về muyền dẫn đ

ồn tại, quyế

c thiết bị đtín hiệu thadụng cho v

đơn điểm M

ết định từ cáđầu cuối khô

am chiếu Uiệc đánh gi

ân tập tươn

ch đại cônguếch đại cô

Khối anten

phân tập đ Thông thưMIMO đượViệc chuyểuộc vào việc

p

LTE-AdvanSNR ở thiếnten nằm phược sử dụn

m phối hợp v

ng xuống, n

y mô mở rộncuối không

Ở đây, cùnMạng có th

ác điểm truông nhận b

ng nhằm đevới quá trìn

nó chỉ ra sự

ng, có 3 phưnhận ra sự

ng sử dụng

ể dựa trên uyền dẫn nàbiết được sự(sẵn có ở Rthiết lập này

ở mạng pháạng, đặc biệrạng thái rỗ

2

t đến từ W

ệu trước kh

để khai tháMIMO truykênh tần số

u sự cải thiệ

ối Định dạnmặt địa lý k

em lại hiệu

nh xử lí băngphối hợp trương án A,

ự truyền dẫbáo cáo đo

sự đo đạc

ào để truyền

ự hiện diện Release đầu

ện đáng kể

ng chùm làkết nối đến quả về chi

g gốc ở mộruyền dẫn t

B, C như s

ẫn xuất phá

o đạc và xửsuy hao đư

n đến thiết bcủa truyền

u tiên của L

ẫn đa điểm đơn tần vàcác mạng c

t nút

từ đa sau:

át từ

lý ở ường

bị cụ

n dẫn LTE) phối

à kết

ó tải

ể cung cấp

ện độ mạnhgười sử dụniệc xử lí ch

cáo trạng t

t bị đầu cuốnhững điểm

ợc sử dụng

hu đa điểm Ở nhiều kiều hệ thống

g người sửcác lợi ích

h tín hiệu m

ng để cải thhính xác ở

thái kênh g

ối được cun

m nào với cho việc x

m phối hợp khía cạnh, đ

g mạng tế b

điểm phối

ng cấp thônống hiển thvẫn giống n

hợp

ng tin phản

hị đối với mnhư là cho t

ột nút đơn ncác điểm thông gian đ

ại truyền dẫnhư phương

nó còn cho

a SNR Bởcần có các

hương pháp

ng tin nhận truyền dẫn

ệu thu được

hỏi cách ápơng tự như

y

n hồi trạng một thiết bịtruyền dẫn nên có thểtruyền dẫn kđến một thi

c ở phía thi

p dụng xử lphân tập ô

thái

ị đầu đơn thực khác iết bị phối trên

i hợp

ị đầu tham

hiên,

n dẫn u….) iết bị

lí tín lớn,

20

- Các bộ lặp và các bộ chuyển tiếp

Từ việc xem xét quỹ đường truyền, việc triển khai các giải pháp chuyển tiếp khác nhau nhằm giảm khoảng cách máy phát và máy thu xuống và cho phép tăng tốc độ số liệu Các bộ lặp đơn giản sẽ khuếch đại và chuyển đi các tín hiệu tương tự thu được Khi được cài đặt, các bộ lặp liên tục chuyển đi tín hiệu thu được mà không quan tâm đến có thiết bị đầu cuối trong vùng phủ sóng của nó hay không Những bộ lặp như vậy không hiển thị đối với cả thiết bị đầu cuối và trạm gốc Tuy nhiên, có thể xem xét các cấu trúc bộ lặp cao cấp hơn (chuyển tiếp L1), chẳng hạn

sơ đồ trong đó mạng có thể điều khiển công suất truyền của bộ lặp, chẳng hạn, chỉ tích cực bộ lặp khi người sử dụng hiện diện trong khu vực được điều khiển bởi bộ lặp nhằm tăng tốc độ số liệu cung cấp trong khu vực Các báo cáo đo đạc bổ sung từ các thiết bị đầu cuối có thể cũng được xem xét như là phương tiện hướng dẫn mạng

mà trong đó các bộ lặp được bật lên Tuy nhiên, việc điều khiển tái truyền dẫn và lập biểu thường nằm ở trạm gốc và vì vậy, các bộ lặp thường trong suốt từ khía cạnh di động

Nút trung gian cũng có thể giải mã và tái mã hóa bất kì số liệu thu được, ưu tiên chuyển tiếp nó đến người sử dụng được phục vụ Đây thường được xem là chuyển tiếp giải mã hóa-và-truyền tiếp Khi nút trung gian giải mã hóa và tái mã hóa khối

số liệu thu được thì tạo ra trễ đáng kể, lâu hơn độ dài khung con LTE 1ms Tuy nhiên, các nút chuyển tiếp không truyền tiếp các tạp âm và sự thích nghi tốc độ có thể được thực hiện một cách riêng rẽ cho mỗi kết nối

Đối với các bộ lặp, tồn tại nhiều tùy chọn khác nhau phụ thuộc vào các tính năng được hỗ trợ (chẳng hạn, hỗ trợ hơn hai bước nhảy, hỗ trợ cấu trúc mắt lưới) nhưng ở mức cao, có thể phân biệt hai tầng khác nhau, dựa trên việc truyền tiếp được thực hiện ở lớp 2 (chuyển tiếp lớp 2) hay lớp 3 (chuyển tiếp lớp 3 hoặc tự chuyển tiếp (self backhauling))

Mặc dù giống nhau ở nhiều điểm cơ bản (chẳng hạn trễ, không khuếch đại tạp âm), giải pháp self backhauling không yêu cầu bất kì nút, giao thức hoặc giao diện

2.2 Khái niệm và mô hình hệ thống MIMO

2.2.1 Định nghĩa và đặc điểm

Trong thông tin vô thuyến, MIMO là việc sử dụng nhiều anten ở cả bộ phát và

bộ thu để nâng cao chất lượng truyền tin Đây là một trong những dạng của công nghệ anten thông minh

Hệ thống MIMO là một hệ thống mà máy phát và máy thu đếu sử dụng nhiều anten Anten máy phát và anten ở máy thu đều cách nhau ở một khoảng cách nhất định

Trong mô hình MIMO, ta giả sử rằng:

- Các symbol , , … , được truyền từ anten từ những khoảng thời gian cho trước

ng giữa máy

suy giảm phao không hấp thụ củasuy giảm do

Hình 2.

ác khe thời

yền giữa anđầu ra và đầ

ầu vào của

ruyền khôn

hai anten s

ng kể đến sựmáy thu là kế

n trái đất

gây ra

là shần AWGN

n hay

Phađing là sự suy giảm biến thiên giữa max và min một cách không đều đặn Khi thiết bị đầu cuối di chuyển qua một khu vực nào có nhiều chướng ngại vật, có kích thước khác nhau, ví dụ: đồi, núi, toà nhà, hầm … Những chướng ngại vật này

sẽ che phủ hay cắt hoàn toàn tín hiệu Mặc dù kết quả của hiệu ứng này phụ thuộc vào kích cỡ của vật chắn và khoảng cách đến nó Do vậy, cường độ của tín hiệu thu được biến thiên một cách tất yếu Loại phađing này gọi là shadow phađing Cách khắc phục là đặt các trạm BS cao và gần nhau thì ta có thể tránh được các vật cản trong khi truyền dẫn

Ngoài ra còn có các loại phading khác như: Rayleigh phađing, multipath phađing, shortterm phađing Đây cũng là các loại khác của hiện tượng phađing gây

ra sự suy giảm của cường độ tín hiệu thu được

Rayleigh phađing là kết quả của việc thu vài tín hiệu của máy thu Các tín hiệu này được phản xạ từ nhiều vật và nhiều hướng khác nhau trong một khu vực Do khoảng cách khác nhau nên các tín hiệu thu được khác nhau về pha nên chúng có thể làm tăng thêm hay làm triệt tiêu tín hiệu tổng hợp Sự di chuyển của các thiết bị đầu cuối cũng gây ra sự biến thiên không thể dự đoán được của pha, tín hiệu theo thời gian làm cho sự suy giảm biến thiên mạnh Rayleigh phađing thường có trong khu vực đô thị Hiện tượng phađing sâu thường xảy ra ở các vùng tần số cao và khi các thiết bị di chuyển nhanh Để tránh hiện tượng phađing sâu thì giá trị trung bình của các tín hiệu thu được phải cao hơn vài dB so với độ nhạy máy thu

Nhiễu xuyên Symbol (ISI): vì dải thông của kênh nói chung bị hạn chế và khi một xung được truyền qua kênh đó thì nó sẽ gây ra sự méo mó tín hiệu đang truyền trong miền tần số Tương tự, đó là sự tán sắc của xung theo thời gian và xung của

24

mỗi symbol sẽ tràn sang khoảng thời gian của mỗi symol kế tiếp Loại nhiễu này được biết đến là nhiễu xuyên symbol (ISI) Điều này làm gia tăng sắc suất lỗi ở máy thu trong việc dò tìm symbol Rõ ràng rằng xung ở dải thông hạn chế được chọn để truyền dẫn nhằm tránh sự méo trong miền tần số do kênh truyền có giải thông hạn chế Tuy nhiên, sự cắt xén dải thông của tín hiệu được truyền lại làm giảm xung trong miền thời gian Điều nay sẽ gây ra sự chồng chéo của các symbol

Nhiễu đồng kênh (CCI): ngoài nhiễu gây ra bởi kênh truyền, một loại nhiễu khác cũng làm hạn chế hiệu quả hoạt động của hệ thống và công suất của hệ thống

là nhiễu đồng kênh (CCI) CCI tồn tại trong bất kỳ một hệ thống đang truy nhập nào Trong TDMA, SDMA, FDMA tần số được tái sử dụng nghĩa là có nhiều người sử dụng cùng chia sẻ một băng tần ở cùng một thời điểm và do vậy những người sử dụng cùng kênh chắc chắn tạo ra CCI lẫn nhau Do vậy cần có sự cân bằng giữa hiệu suất phổ và hiệu quả hoạt động của hệ thống

Tạp âm: ví dụ như tạp âm nhiệt làm giới hạn tỷ số SNR

2.2.3 Ưu điểm của hệ thống MIMO

Công suất cao bit/s/Hz vì với băng thông đắt và hiếm, số lượng các trạm gốc

bị hạn chế, nhờ có việc sử dụng nhiều anten phát và nhiều anten thu làm tăng tốc độ truyền dữ liệu nhờ vào kỹ thuật phân kênh không gian trong khi đó không cần mở rộng băng thông

Chất lượng truyền dẫn tốt hơn hay nói cách khác tỷ lệ lỗi bit BER giảm do sử dụng nhiều anten bên thu giúp chống được phađing Và với việc sử dụng kỹ thuật dãy anten có thể giúp giảm nhiễu

Độ lợi phân kênh không gian: độ lợi công suất thu được từ việc sử dụng nhiều anten ở cả hai phía của kênh truyền vô tuyến mà không cần tăng công suất máy phát hay mở rộng băng tần

Độ lợi phân tập: Nâng cao độ tin cậy kênh truyền bằng cách phát trùng dữ liệu trên những nhánh phađing độc lập

Như vậy SNR đầu ra gấp lần SNR đầu vào

25

2.2.4 Hệ thống đa ănten và ảnh hưởng tương hỗ

a) Giới thiệu hệ thống đa anten

Hệ đa anten(Multiantenna) là hệ mà các nguồn được kết nối với những phần tử phát xạ độc lập nhau, hoặc cùng chung một phân tử phát xạ nhưng sử dụng các thuộc tính vật lí khác nhau ( khác nhau về tính phân cực, khác nhau về đồ thị bức xạ…), còn gọi là hệ anten đa cổng ( Multiport antenna _ MPA)

Hình 2.6: Mô hình (a) MMA và (b) MEA

Chúng ta có thể phân loại hệ đa anten làm hai loại: loại sử dụng chung phẩn tử phát xạ và loại sử dụng các phần tử phát xạ độc lập Loại sử dụng chung phần tử bức xạ, có nhiều nguồn tiếp điện, sử dụng chung một phần tử bức xạ, tuy nhiên, mỗi nguồn vào sử dụng các thuộc tính bức xạ khác nhau: như là tính phân cực khác nhau, tần số khác nhau hay chế độ khác nhau ( Multimode antenna, Multipolarized antenna) Loại thứ 2, sử dụng các phần tử bức xạ độc lập nhau, như hình vẽ Mục đích là giảm ảnh hưởng giữa các cổng (port)

Ảnh hưởng tương hỗ, thông thường là những ảnh hưởng không mong muốn Trong hệ đa anten sử dụng đơn phần tử sẽ có ảnh hưởng tương hỗ giữa các cổng (port) là rất lớn, và ít được sủ dụng dù có ưu điểm là nhỏ gọn hơn Hệ đa anten sử dụng đa phần tử phát xạ vẫn tồn tại ảnh hưởng tương hỗ, vì chúng tồn tại trong cùng một hệ thống nên khoảng cách giữa các phần tử phát xạ nhìn chung không quá xa nhau Đặc biệt, khi hệ anten nay được tích hợp trên một thiết bị di động, thứ mà

26

kích thước là hạn chế, thì khoảng cách giữa các anten là rất nhỏ so với nửa bước sóng, ảnh hưởng tương hỗ trở lên nghiêm trọng Xét mô hình ảnh hưởng tương hỗ giữa các anten trên cùng một miếng đế điện môi như hình vẽ sau: Hình vẽ chỉ ra hai nguyên nhân cơ bản của hiện tượng tương hỗ: tán xạ trường khu gần và do sóng

bề mặt Tán xạ trường khu gần là sự bức xạ từ anten nguyên tố này sang cái còn lại qua trường không gian tự do Do các anten đặt trong khoảng cách ngắn, ảnh hưởng tương hỗ là đáng kể Nguyên nhân thứ 2, ảnh hưởng tương hỗ gây ra bởi sóng bề mặt Vì các anten nguyên tố nằm chung trên cùng miếng đế, sóng bề mặt giữa hai phần tử là rất lớn

Ảnh hưởng tương hỗ gây ra nhiễu giữa các anten thành phần Để hiểu rõ cơ chế gây nhiễu, ta xét quá trình sau Ta có thể chia làm 4 quá trình nhỏ như sau:

1 Từ một phần tử phát xạ ta phát tín hiệu như mong muốn

2 Do hiệu ứng dòng điện bề mặt, và do tán xạ trường khu gần, dòng điện của phần tử phát xạ mong muốn sẽ gây ra dòng điện cảm ứng (ảnh hưởng tương hỗ) đến các phần tử phát xạ khác (trực tiếp hay gián tiếp)

3 Dòng điện trên các phần tử cảm ứng gây suy hao

4 Dòng điện cảm ứng trên các phần tử cảm ứng gây ảnh hưởng ngược trở lại phần tử phát xạ làm phần tử phát xạ bị sai khác Dẫn trực tiếp sự sai khác của đặc tính phương hướng

Hình 2.7: Các nguyên nhân gây tương hỗ

27

Ảnh hưởng tương hỗ (mutual coupling) mang tính chất nội tại trong anten, không phụ thuộc vào môi trường truyền dẫn (kênh truyền) Tuy nhiên, ảnh hưởng

của nó, phụ thuộc rất nhiều vào các phần tử liên kết với anten…

Hình 2.8: Các quá trình gây nhiễu giữa liên chấn tử

b) Các nhân tố ảnh hưởng đến hệ anten MIMO

- Khoảng cách giữa các chấn tử

Nói chung, khoảng cách giữa các chấn tử ảnh hưởng lớn đến ảnh hưởng tương

hỗ giữa các anten thành phần Nguyên nhân là do mật độ phổ công suất tín hiệu tỉ lệ với hàm mũ của khoảng cách Giữa các anten thu, người ta thường để cho khoảng cách giữa các chấn tử là đủ lớn, qua đó hạn chế đáng kể ảnh hưởng tương hỗ Khoảng cách giữa anten trong các trạm phát sóng cố định thường để hàng vài bước sóng, thí dụ 10 Đối với thiết bị di động MS, khoảng cách thông thường để xác định khoảng cách giữa các chấn tử là xa hơn mức /2

Chúng ta hãy quan sát hình vẽ 2.12, biểu thị mỗi quan hệ giữa khoảng cách giữa các anten thành phần và hàm tương quan tín hiệu giữa các anten thành phần Tại khoảng cách bằng không, thì độ tương quan giữa các thành phần anten là lớn nhất

28

Hình 2.9: Hàm tương quan giữa các anten thành phần như là

hàm của khoảng cách theo bước sóng

Bởi vì khoảng cách bằng 0 ứng với sự tiễp xúc giữa các anten, các anten có cùng tín hiệu Tín hiệu trên anten 1 và anten 2 là hoàn toàn giống nhau, đồng nghĩa với độ tương quan bằng 1 Cũng trên hình vẽ biểu thị, độ tương quan nhỏ nhất ứng với khoảng cách nhỏ hơn nửa bước sóng, 0.383 lần bước sóng Sự phụ thuộc độ tương quan tín hiệu trên anten vào khoảng cách còn phụ thuộc vào cấu hình anten Tuy nhiên, nhìn chung, khoảng cách càng xa sẽ cho độ tương quan càng thấp

- Mô hình kiến trúc dãy các anten thành phần

Dãy anten nên là dãy có chiều dài trong mặt phẳng nằm ngang vì khi đó có thể khai thác được các tia đa đường Những thành phần đa đường này rất khác trong mặt phẳng phương vị Aziminth AOA Dãy hai chiều (trong một mặt phẳng thẳng đứng) cũng có thể giải quyết thành phần đa đường khác nhau theo chiều cao Tuy nhiên trong nhiều môi trường đặc biệt như outdoor thì sự trải của AOA theo chiều cao là nhỏ Do vậy khoảng cách giữa các phân tử anten theo chiều đứng phải đủ lớn

để tạo ra các tín hiệu không tương quan Điều này có nghĩa là đối với một khu vực cho trước thì tốt hơn hết là phân bố chúng theo mặt phẳng ngang Trong vài trường hợp khi mà sự trải AOA trong mặt phẳng phương vị là nhỏ và hướng tương đối của

nó so với dãy là không biết thì có thể sử dụng dãy trong mặt phẳng ngang

- Hướng của các anten thành phần

29

Hướng của các anten thành phần ảnh hưởng đến mật độ phổ công suất tại vị trí các anten lân cận Do tất cả các anten vốn dĩ chẳng bao giờ đẳng hướng lý tưởng cả

- Tính chất phân cực của anten thành phần

Tính chất phân cực quyết định đến sự cảm ứng điện từ trên anten Các anten được ghép nối đúng tính chất phân cực sẽ có độ tương quan tín hiệu là nhỏ nhất

2.2.5 Kỹ thuật phân tập anten

a) Giới thiệu về kỹ thuật phân tập anten

Kỹ thuật phân tập là một trong những phương pháp dùng để hạn chế ảnh hưởng của phađing Ý tưởng cho việc phân tập là tạo ra cách kênh độc lập với nhau và phađing ở các kênh không xảy ra đồng thời Trong hệ thống thông tin di động, kỹ thuật phân tập được sử dụng để hạn chế ảnh hưởng của phađing đa tia, tăng độ tin cậy của việc truyền tin mà không phải tăng công suất hay băng thông

Phân tập có thể áp dụng cho cả bên phát và bên thu Phân tập ở bên phát là một

kỹ thuật liên quan đến mã không gian-thời gian còn phân tập ở bên thu cho phép thu được nhiều bản sao của cùng một tín hiệu truyền Các bản sao này chứa cùng một lượng thông tin như nhau nhưng có ít sự tương quan về phađing Tín hiệu thu được bao gồm một sự kết hợp hợp lý của các phiên bản tín hiệu khác nhau sẽ chịu ảnh hưởng phađing ít nghiêm trọng hơn so với từng phiên bản riêng lẻ

Các phương pháp phân tập thường gặp là phân tập tần số, phân tập thời gian, phân tập không gian (phân tập anten) Trong đó kỹ thuật phân tập anten hiện đang rất được quan tâm và ứng dụng vào hệ thống MIMO nhờ khả năng khai thác hiệu quả thành phần không gian trong nâng cao chất lượng và dung lượng hệ thống, giảm ảnh hưởng của phađing, đồng thời tránh lãng phí băng thông tần số - một yếu

tố rất được quan tâm trong hoàn cảnh tài nguyên tần số ngày càng khan hiếm

b) Các phương pháp phân tập

- Phân tập tần số

30

Một phương thức để tạo ra sự độc lập kênh truyền là tạo ra nhiều sóng mang tần

số khác nhau khi truyền để đạt được mức phân tập lớn thì các sóng mang phải đủ

phân biệt nhau để mà các kênh đủ không tương quan

- Phân tập thời gian

Tức là phát dữ liệu ở các khoảng thời gian khác nhau Nếu các khoảng thời gian

đủ dài hơn thời gian gắn kết của kênh truyền thì sắc xuất mà các tín hiệu được phát

đi mà cùng bị phading sâu là rất thấp Cũng giống như đa dạng về tần số sẽ rất tốt nếu sử dụng mã mà có khả năng sửa lỗi khi có hiện tượng phading sâu

- Phân tập không gian

Là một kỹ thuật phổ biến Về phương thức này các máy thu sẽ đặt ở các điạ điểm khác nhau Điều này dẫn đến có các đường truyền khác nhau đến máy thu Chúng ta có thể sử dụng nhiều anten phát để đạt được sự phân tập pháp Có thể hiểu rằng sự tương quan giữa các kênh giảm khi khoảng cách giữa các anten tăng Khoảng cách yêu cầu để có được các kênh mà không tương quan với nhau được quy định bởi bước sóng của sóng mang Sự tương quan này như một hàm của khoảng cách và bước sóng của sóng mang Căn cứ vào mục b phần 2.2.4 (: các nhân

tố ảnh hưởng trong hệ đa anten) thì khoảng cách anten trong khoảng 0.383 lần bước sóng sẽ cho tín hiệu tương quan là nhỏ nhất

- Phân tập góc:

Một tín hiệu phađing nhiều đường bao gồm rất nhiều thành phần tín hiệu bị tán

xạ, đến anten thông qua nhiều đường Những thành phần này đến từ các góc khác nhau và theo các đường truyền khác nhau Do vậy các thành phần tín hiệu đến từ các hướng khác nhau sẽ là độc lập Một anten mà có tính đến hướng đến DOA có thể đạt được phân tập từ những tín hiệu không tương quan này Phương pháp này được áp dụng ở tần số sóng mang khoảng 10 GHz Tại tần số như vậy thì tín hiệu được truyền bị tán xạ cao trong không gian Khi đó máy thu sử dụng hai anten định hướng cao được trong các hướng khác nhau Điều này cho phép máy thu thu được hai mẫu của cùng một tín hiệu Hai mẫu này độc lập với nhau

31

- Phân tập phân cực

Khi đó hai tín hiệu được phân cực ngang và phân cực đứng được truyền bởi hai anten được phân cực khác nhau Và được thu tương ứng ở hai anten thu được phân cực khác nhau đảm bảo không có sự tương quan giữa hai dòng dữ liệu mà chẳng quan tâm đến khoảng cách giữa hai anten

Khi thiết kế anten MIMO thì ta thường sử dụng kết hợp phân tập không gian với phân tập góc, phân tập phân cực Vì hệ thống MIMO phát trên cùng một dải tần nên không sử dụng phân tập tần số.Tuy nhiên ta cũng không thể sử dụng tất cả các

kỹ thuật phân tập cho anten

2.2.6 Kết luận

Hệ thống đa anten là một hệ thống ngày càng được sử dụng phổ thông Nhờ và

hệ thống đa anten, mà người ta có thể tăng dung lượng thu phát tín hiệu Tuy nhiên, trong hệ thống MIMO, các anten có thể bị ảnh hưởng tương hỗ rất lớn, do khoảng cách giữa các anten không lớn hơn kích thước hệ thống Đặc biệt trong xu hướng sử dụng các thiết bị di động kích thước bé hiện nay, ảnh hưởng tương hỗ càng trở nên trầm trọng, gây nhiễu lớn Trong chương 2, chúng ta đã tìm hiểu hệ thống anten trong hệ thống MIMO, phân tích quá trình gây nhiễu đồng thời đưa ra phương pháp phân tập anten để giảm ảnh hưởng tương hỗ Tiếp theo, chúng ta sẽ tìm hiểu cơ bản

về lý thuyết trường, phương pháp FEM và phần mềm HFSS để từ đó có các giải pháp thiết kế, chế tạo anten cho công nghệ 4G một cách tối ưu nhất, đảm bảo được các yêu cầu đã đặt ra

32

Chương 3 Thiết kế anten vi dải MIMO cho công nghệ 4G

3.1 Thiết kế anten với phần mềm HFSS

3.1.1 Lý thuyết trường điện từ ứng dụng trong Anten

Trước khi đi vào tìm hiểu phần mềm HFSS ta sẽ tìm hiểu kiến thức tổng quan

về trường điện từ, cụ thể là hệ phương trình Maxwell và các điều kiện biên là những

cơ sở lý thuyết không thể thiếu được trong các bài toán trường điên từ

a) Hệ phương trình Maxwell

Mối quan hệ và sự thay đổi của điện trường và từ trường, sự nạp điện và dòng điện liên quan đến sóng điện từ được điều khiển bằng các định luật vật lý mà chủ yếu là phương trình Mawell Hệ phương trình này được viết dưới dạng tích phân và

vi phân, dưới đây sẽ trình bày rõ cả dạng tích phân và vi phân cùng ý nghĩa của từng phương trình trong hệ

- Hệ phương trình Maxwell dạng vi phân

Phương trình Maxwell dạng vi phân là dạng được dùng rộng rãi để giải bài toán giá trị đường biên trường điện từ Nó mô tả và chỉ ra các mối quan hệ liên quan của các vector trường, mật độ dòng điện và mật độ điện tích ở bất kỳ điểm nào trong không gian tại bất kỳ thời gian nào Hệ phương trình Maxwell được xây dựng trên định luật Ampe, định luật Faraday và định luật Gauss Hệ phương trình Maxwell dạng vi phân được viết như sau:

(3.1)

(3.3)

– hệ số điện thẩm môi trường / ; đối với chân không /

– hệ số từ thẩm môi trường / ; đối với chân không 4 10 /

－điện dẫn suất của môi trường (Simen/ mét) /

－toán từ rot (thể hiện sự xoáy)

－toán tử div (thể hiện có nguồn hay không có nguồn)

Như vậy, hệ phương trình Maxwell mô tả mối quan hệ giữa điện trường, từ trường, điện tích và dòng điện với nhau

Phương trình (1.1) chỉ ra rằng điện trường chuyển động sẽ sinh ra một từ trường xung quanh một cuộn dây Điện thế sinh ra tỷ lệ với tốc độ di chuyển của dòng điện

Phương trình (3.2) cho ta dòng điện dịch , tức là khi từ trường xuất hiện thì

sẽ có một quá trình nạp điện và phóng điện trong tụ Do đó công thức này cho ta thấy rằng dòng điện và trường điện biến đổi theo thời gian tạo ra từ trường Phương trình (3.3) là một ứng dụng tỹnh điện của lý thuyết đại số Gauss, cho

ta mối quan hệ tương đương giữa thông lượng chảy qua bất kỳ một mặt kín nào với nguồn bên trong của nó Do đó ta có thể kết luận điện trường là trường có nguồn, nguồn của điện trường là các hạt điện tích

Phương trình (3.4) cho ta thấy div của từ trường bằng 0, điều này có nghĩa là

từ trường là một trường xoáy

b) Điều kiện biên

Ta thừa nhận rằng các vector trường là hàm đơn trị, có đường bao và liên tục theo vị trí, thời gian Các vector trường liên quan tới sóng điện từ có những đặc điểm ở trên trừ điểm mà ở đó có sự thay đổi đột ngột trong mật độ điện tích và mật

độ dòng điện Sự phân bố rời rạc điện tích và dòng điện thường xảy ra ở mặt phân cách giữa các môi trường mà ở đó có sự thay đổi rời rạc các tham số điện trên bề mặt Sự thay đổi vector trường dọc theo đường biên có quan hệ với sự phân bố không liên tục của điện tích và dòng điện bởi điều kiện biên, ở phần này ta sẽ nói rõ hơn Do đó để mô tả được toàn bộ các vector trường ở bất kỳ điểm nào trong bất kỳ thời gian nào thì dùng hệ phương trình Maxwell thôi là không đầy đủ, mà ta còn cần tới điều kiện biên

Hình 3.1 Hình vẽ phân cách hai môi trường

Môi trường 1

Môi trường 2

• Sự thay đổi các thành phần tiếp tuyến của từ trường dọc theo đường biên bằng với mật độ dòng bề mặt ở đường biên

• Sự thay đổi của các thành phần pháp tuyến của vector điện cảm dọc theo đường biên bằng với mật độ điện tích mặt ở đường biên

• Các thành phần của vector điện cảm là liên tục dọc theo đường biên ở hai môi trường trong khi đó từ trường thì không liên tục trừ trường hợp

Phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method - FEM) là một

phương pháp gần đúng để giải một số lớp bài toán biên Theo phương pháp phần tử hữu hạn, trong cơ học, vật thể được chia thành những phần tử nhỏ có kích thước

36

hữu hạn, liên kết với nhau tại một số hữu hạn các điểm trên biên (gọi là các điểm nút) Các đại lượng cần tìm ở nút sẽ là ẩn số của bài toán (gọi là các ẩn số nút) Trong mỗi phần tử, đại lượng cần tìm được xấp xỉ bằng những biểu thức đơn giản và có thể biểu diễn hoàn toàn qua các ẩn số nút Tập hợp các phần tử theo điều kiện liên tục sẽ nhận được hệ phương trình đại số đối với các ẩn số nút của toàn vật thể

b) Nội dung

Phương pháp phần tử hữu hạn có nội dung như sau: Để giải một bài toán

biên trong miền W, bằng phép tam giác phân, ta chia thành một số hữu hạn các miền con Wj (j = 1, , n) sao cho hai miền con bất kì không giao nhau và chỉ có thể chung nhau đỉnh hoặc các cạnh

Mỗi miền con Wj được gọi là một phần tử hữu hạn (phần tử hữu hạn)

Người ta tìm nghiệm xấp xỉ của bài toán biên ban đầu trong một không gian hữu hạn chiều các hàm số thoả mãn điều kiện khả vi nhất định trên toàn miền W và hạn chế của chúng trên từng phần tử hữu hạn Wj là các đa thức Có thể chọn cơ sở

của không gian này gồm các hàm số ψ 1 (x), , ψ n (x) có giá trị trong một số hữu hạn

phần tử hữu hạn Wj ở gần nhau Nghiệm xấp xỉ của bài toán ban đầu được tìm dưới dạng:

Trong đó các ck là các số cần tìm Thông thường người ta đưa việc tìm các ck về việc giải một phương trình đại số với ma trận thưa (chỉ có các phần tử trên đường chéo chính và trên một số đường song song sát với đường chéo chính là khác không) nên dễ giải Có thể lấy cạnh của các phần tử hữu hạn là đường thẳng hoặc đường cong để xấp xỉ các miền có dạng hình học phức tạp phương pháp phần tử hữu hạn có thể dùng để giải gần đúng các bài toán biên tuyến tính, phi tuyến và các bất phương trình

c) Ứng dụng

Với sự hỗ trợ của máy tính điện tử, phương pháp phần tử hữu hạn đang được sử dụng rộng rãi và có hiệu quả trong nhiều lĩnh vực như tính toán trường điện từ, lí

Ansoft HFSS (Ansoft High Frequency Structure Simulator) là một phần mềm

mô phỏng dùng để giải trường điện từ dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) toàn sóng cho cấu trúc ba chiều bất kỳ

HFSS sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn toàn sóng ba chiều để tính toán các đặc trưng điện học của các linh kiện tần số cao và tốc độ cao Với HFSS, các kỹ

sư có thể tách các tham số kí sinh (S, Y, Z), hình dung trường điện từ ba chiều (trường khu gần và trường khu xa), tạo ra các mẫu chương trình mô phỏng chuyên dùng cho mạch in (SPICE - Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis),

và thực hiện thiết kế tối ưu

HFSS mô tả chính xác hoạt động điện của các linh kiện và đánh giả hiệu quả chất lượng tín hiệu, bao gồm tổn hao đường truyền, tổn hao phản xạ do không phối hợp trở kháng, đối ngẫu kí sinh, và phát xạ HFSS có thể mô phỏng các trường điện

từ, dòng điện và phát xạ trong một cấu trúc ba chiều bất kỳ bao gồm kim loại, điện môi, vật liệu từ v.v… dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn ba chiều HFSS được

sử dụng rộng rãi trong công nghiệp cho tần số vô tuyến RF, anten, và thiết kế mạch HFSS là phần mềm chuẩn công nghiệp cho việc tách tham số S và chương trình

mô phỏng chuyên dùng cho mạch in toàn sóng (full wave SPICE) và cho mô phỏng điện từ của các linh kiện tần số cao với tốc độ cao HFSS được sử dụng rộng rãi cho việc thiết kế của các phần tử thụ động nhúng trên chip, các đầu nối mạch in, anten, các linh kiện RF/vi ba, và các gói IC tần số cao HFSS phát triển các sản phẩm khoa học, giảm thời gian phát triển và khẳng định rõ hơn thành công của thiết kế Phiên bản mới nhất của HFSS đưa ra những phát triển sản phẩm tới các kỹ sư RF/vi ba và

mở rộng việc phối hợp thiết kế điện từ tới các nhánh khác của kỹ sư làm việc trong các khu vực thiết kế IC RF/analog và các thiết kế multi-gigabit cũng như EMI/EMC

38

HFSS được dùng để mô phỏng các đầu nối, các ống dẫn sóng, các linh kiện trên

chip, các anten, v.v…và dùng cho việc khảo sát các tham số, tối ưu cấu trúc, v.v…

HFSS là một phần của họ sản phẩm của Ansoft

b) Mô phỏng

• Phương pháp phần tử hữu hạn

HFSS được dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn ba chiều Đó là một phương

pháp miền tần số (các lời giải được tính cho từng tần số riêng biệt) Phương pháp

phần tử hữu hạn chia cả không gian thành các phần tử hữu hạn (tam giác hoặc tứ

diện) và mô tả trường trong mỗi miền con bằng một hàm cục bộ Với thể tích tổng

cộng của miền con, trường tán xạ có thể được mở rộng thành một loạt các hàm

cơ bản đã biết với các hệ số mở rộng chưa biết Giá trị của số lượng trường véc-tơ ở

các điểm trong mỗi tứ diện được nội suy số học từ các giá trị ở các đỉnh và trung

điểm các cạnh Bộ mô phỏng biến đổi các phương trình Maxwell thành các phương

trình ma trận, có thể được giải sử dụng các phương pháp số học Thời gian mô

phỏng tỉ lệ với (khi được giải theo phương pháp lặp) hay (nếu ma trận hệ

thống được đảo trực tiếp)

(a) (b) Hình 3 2 Cách chia phần tử hữu hạn trong HFSS: (a) thành các tam giác trên bề

mặt, (b) thành các tứ diện trong không gian ba chiều

• Tính toán

Quá trình phân tích thích ứng

Một phân tích thích ứng là một quá trình giải trong đó lưới được lặp tinh chỉnh

trong những vùng có lỗi cao, làm tăng độ chính xác của lời giải Người sử dụng đặt

39

các tiêu chuẩn điều khiển cho việc tinh chỉnh lưới trong lời giải trường thích ứng Nhiều vấn đề có thể được giải quyết chỉ bằng việc sử dụng tinh chỉnh thích ứng

1 HFSS tạo ra một lưới khởi tạo

2 Sử dụng lưới khởi tạo, HFSS tính toán các trường điện từ tồn tại bên trong cấu trúc khi nó được kích thích ở tần số nghiệm (Nếu bạn đang chạy một tần

số quét, một nghiệm thích nghi được thực hiện chỉ ở tần số nghiệm cụ thể)

3 Được dựa trên lời giải phần tử hữu hạn hiện tại, HFSS xác định các vùng chứa vấn đề mà việc tính nghiệm gặp lỗi Tứ diện trong những vùng này được tinh chỉnh

4 HFSS tạo ra một lời giải khác sử dụng lưới đã tinh chỉnh

5 HFSS tính lại lỗi, và quá trình lặp này (giải – phân tích lỗi – tinh chỉnh) lặp lại cho đến khi các tiêu chuẩn hội tụ được thỏa mãn hoặc hoàn tất số lần thông qua thích ứng

6 Nếu tần số quét được thực hiện, HFSS sẽ giải vấn đề ở các điểm tần số khác

mà không cần tinh chỉnh thêm nữa

2 Rời rạc: Tạo ra các lời giải trường ở các điểm tần số cụ thể trong một dải tần Tốt nhất khi chỉ có vài điểm tần số cần thiết phải mô tả chính xác các kết quả trong một dải tần

3 Nội suy: Đánh giá một lời giải cho toàn bộ dải tần Tốt nhất khi dải tần rộng

và đáp ứng tần số là bằng phẳng, hay nếu sự yêu cầu bộ nhớ của bộ quét nhanh vượt quá tài nguyên của bạn

Kích thích