Ănten thông minh và ứng dụng trong WCDMA.doc

Ănten thông minh và ứng dụng trong WCDMA

Đồ án tốt nghiệp Đại học Mục lục

MỤC LỤC

THUẬT NGỮ VÀ TỪ VIẾT TẮT iv

DANH MỤC CÁC HÌNH viii

DANH MỤC CÁC BẢNG xi

LỜI NÓI ĐẦU xii

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĂNTEN THÔNG MINH 1

1.1 M λ đầu 1

1.2 Hệ thống ănten thông minh 1

1.2.1 Khái niệm 1

1.2.2 Nguyên lý hoạt động của ănten thông minh 2

1.2.3 Cấu trúc sắp xếp của các phần tử ănten 3

1.2.4 Các tham số dàn ănten 4

1.3 Mô hình tín hiệu 5

1.4 Ưu điểm của ănten thông minh trong thông tin di động 9

1.4.1 Giảm trải trễ và pha đinh đa đường 9

1.4.2 Giảm nhiễu đồng kênh 11

1.4.3 Tăng dung lượng hệ thống và cải thiện hiệu suất phổ 12

1.4.4 Tăng hiệu suất truyền dẫn 12

1.4.5 Giảm chuyển giao 12

1.4.6 M λ rộng tầm sóng 12

1.4.7 Tăng diện tích vùng phủ sóng 14

1.4.7.1 Mức độ vùng phủ của ănten thu đơn phần tử 14

1.4.7.2 Mức độ vùng phủ của ănten thu L phần tử 15

1.4.8 Giảm công suất phát trạm di động 17

1.4.9 Cải thiện chất lượng tín hiệu 17

1.4.10 Tăng tốc độ dữ liệu 17

1.5 Tổng kết 17

CHƯƠNG II: CÁC KỸ THUẬT TRONG ĂNTEN THÔNG MINH 19

2.1 Kết hợp phân tập 19

2.1.1 Phân tập chuyển mạch 19

2.1.2 Phân tập lựa chọn (SD) 20

2.1.3 Phân tập kết hợp tỷ lệ tối đa (MRC) 21

2.1.4 Kết hợp độ lợi cân bằng (EGC) 23

2.1.5 Kết hợp lựa chọn tổng quát hoá GSC (Generalized Selection Combining) 23 2.1.6 Tổng kết 26

2.2 Tạo búp sóng 27

2.2.1 Ví dụ về tạo búp sóng 27

2.2.2 Các loại tạo búp sóng 29

Đồ án tốt nghiệp Đại học Mục lục

2.2.2.2 Tạo búp sóng số 29

2.2.2.3 Tạo búp sóng không gian phần tử 29

2.2.2.4 Tạo búp sóng không gian – búp sóng 31

2.2.3 Kỹ thuật tham chiếu thời gian 34

2.2.3.1 Bình phương trung bình tối thiểu 35

2.2.3.2 Bình phương trung bình tối thiểu chuẩn hoá (NLMS) 38

2.2.3.3 Nghịch đảo ma trận mẫu (SMI) 39

2.2.3.4 Bình phương tối thiểu đệ quy (RLS) 45

2.2.4 Kỹ thuật tham chiếu không gian - Định cỡ ănten 47

2.2.5 Thuật toán mô đun hằng (CM) 49

2.3 Tổng kết 51

CHƯƠNG III: ỨNG DỤNG ĂNTEN THÔNG MINH TẠI MÁY CẦM TAY TRONG HỆ THỐNG WCDMA 53

3.1 Ănten thông minh tại máy cầm tay 53

3.2 Hệ thống truyền thông vô tuyến thế hệ 3 55

3.2.1 Hệ thống 3GPP 56

3.2.2 Hệ thống cdma2000 58

3.2 Các lược đồ kết hợp 59

3.2.1 Kết hợp phân tập 59

3.3.2 Kết hợp tương thích 60

3.3.3 Kết hợp lai ghép 62

3.4 Mô hình kênh 63

3.4.1 Giới thiệu chung về mô hình kênh 63

3.4.2 Tương quan đường bao 65

3.4.3 Mô hình kênh pha đinh tương quan không gian và mô hình kênh pha đinh tương quan không chặt 65

3.4.4 Mô hình kênh pha đinh tương quan đường bao 67

3.4.5 Thủ tục lấy profile kênh sử dụng GBSB 69

3.4.5.1 Mô hình GBSB 69

3.4.5.2 Thủ tục lấy profile kênh sử dụng GBSB 70

3.4.6 Mô hình kênh có phađinh logarit chuẩn 72

3.5 Tổng kết 73

CHƯƠNG IV: ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG CỦA ĂNTEN THÔNG MINH TẠI MÁY CẦM TAY 74

4.1 Hiệu năng của kết hợp phân tập 74

4.1.1 Môi trường mô phỏng 74

4.1.2 Các kết quả mô phỏng trong mô hình kênh đường tròn GBSB 75

4.1.3 Các kết quả mô phỏng trong mô hình kênh elip GBSB 80

4.2 Hiệu năng của kết hợp tương thích 86

4.2.1 Môi trường mô phỏng 86

4.2.2 Các kết quả mô phỏng cho AC 87

Đồ án tốt nghiệp Đại học Mục lục

4.3 Hiệu năng của kết hợp lai ghép 89

4.3.1 Môi trường mô phỏng cho mô hình GBSB 89

4.3.2 Hiệu năng của DC và AC trong mô hình GBSB 90

4.3.3 Hiệu năng của HC đối với mô hình GBSB 94

4.4 Tổng kết 96

KẾT LUẬN 97

TÀI LIỆU THAM KH¶O 99

Đồ án tốt nghiệp Đại học Thuật ngữ và các từ viết tắt

THUẬT NGỮ VÀ TỪ VIẾT TẮTA

ADC Analogue – Digital Convert Bộ chuyển đổi tương tự số

Generalized Selection Combining

Kết hợp lựa chọn tổng quáthoá ngưỡng tuyệt đối

Noise

Tạp âm Gaussian trắng cộng

B

C

D

Telephone Mạng điện thoại không dâysố Châu Âu

E

Channel Model Mô hình kênh pha đinh tương quan đường bao

Parameters by Rotation Invariance Technique

ước tính tham số tín hiệu dựa trên kỹ thuật quay bất biến

F

MultiAccess Đa truy cập phân chia theo tần số

Đồ án tốt nghiệp Đại học Thuật ngữ và các từ viết tắt

G

Single - Bounce Đường bao trên mô hình địa lý

Communication Hệ thống thông tin di động toàn cầuGPP

H

I

Telecommunication Hội thông tin di động quốc tế

Error Lỗi bình phương trung bìnhnhỏ nhất

Classification

Phân chia đa tín hiệu

N

Square Bình phương trung bình tốithiểu chuẩn hoá

Đồ án tốt nghiệp Đại học Thuật ngữ và các từ viết tắt

quy

S

channel Model

Mô hình kênh pha đinh tương quan không gian

Access Đa truy cập phân chia theo không gian

plus Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên tạp âm cộng nhiễu

T

theo thời gian

Access

đa truy cập phân chia theo thời gian

Đồ án tốt nghiệp Đại học Thuật ngữ và các từ viết tắt

Industry Association Hội công nghiệp viễn thông

U

Channel Model Mô hình kênh pha đinh không tương quan

W

Đồ án tốt nghiệp Đại học Danh mục các hình

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1: Dàn ănten thông minh 2

Hình 1.2: Các loại cấu trúc ănten thông minh 3

Hình 1.3: Hệ số dàn của dàn ănten tuyến tính với khoảng cách ănten là λ/2 được định hướng tại 0 0 , đáp ứng của mỗi phần tử dàn ănten và mẫu bức xạ do kết hợp cả hai điều kiện trên 5

Hình 1.4: Hệ số dàn của dàn ănten tuyến tính đồng nhất 8 phần tử với khoảng cách các ănten con là λ/2 và 3λ/2 6

Hình 1.5: Sơ đồ thu tín hiệu của dàn ănten tuyến tính không gian 6

Hình 1.6: Bộ tạo búp sóng cộng các tín hiệu phần tử ănten gán trọng số 7

Hình 1.7:Minh hoạ thành phần truyền thẳng từ trạm gốc đến trạm di động cho thấy hướng di chuyển của trạm di động, 10

Hình 1.8: Phổ Doppler tại trạm di động, khi sử dụng một ănten có hướng tại trạm gốc, và một ănten vô hướng tại trạm di động, được so sánh với mô hình Clarke, R = 1km, D= 3km, f m = 100 Hz 11

Hình 1.9 : Hệ số tầm sóng theo số phần tử của ănten 13

Hình 1.10 : Mức độ phủ phân đoạn cell đối với anten thu đơn phần tử 15

Hình 1.11 : Mức độ phủ phân đoạn cell đối với anten thu nhiều phần tử 17

Hình 2.1 : Kết hợp phân tập chuyển mạch 20

Hình 2.2 :Kết hợp phân tập lựa chọn 20

Hình 2.3 : Kết hợp tỷ kệ tối đa 23

Hình 2.4: SNR kết hợp của GSC, AT-GSC và NT-GSC 26

Hình 2.5: Bộ thu tạo búp sóng 2 phần tử có tín hiệu mong muốn tại góc 0 0 và tín hiệu nhiễu tại 30 0 , khoảng cách giữa các phần tử là λ/2 28

Hình 2.6: Mẫu búp sóng được tạo ra sử dụng phương trình 1.5 với dàn ănten 2 phần tử với khoảng cách giữa các phần tử là λ/2 và 30

Hình 2.7: Bộ thu tạo búp sóng không gian-phần tử với L phần tử ănten có khả năng định dạng K búp sóng 31

Hình 2.8: Bộ thu tạo búp sóng không gian – búp sóng với L phần tử ănten có khả năng định dạng K búp sóng 32

Hình 2.9: Hệ số dàn, F(Φ,α), của dàn ănten 5 phần tử sử dụng tạo búp sóng không ), của dàn ănten 5 phần tử sử dụng tạo búp sóng không gian – búp sóng cho thấy có thể tạo ra bốn búp sóng trực giao không gian 33

Hình 2.10: Cấu trúc của bộ tạo búp sóng tham chiếu thời gian với L phần tử ănten 34 Hình2.11:Ví dụ về bề mặt lỗi toàn phương và các trọng số của hệ thống hai phần tử theo hướng âm của gradient để tối thiểu hoá lỗi bình phương trung bình 36

Đồ án tốt nghiệp Đại học Danh mục các hình

Hình 2.12: SINR chuẩn hoá kỳ vọng (SNR), E[ρρ2 ] được đánh giá từ phương trình 3.50, với số lượng mẫu đầu ra dàn khác nhau, theo số lượng các phần tử dàn ănten, được sử dụng để tạo ma trận tương quan chỉ nhiễu hoặc chỉ tạp âm SNR tại

mỗi phần tử ănten là 12.0 dB 41

Hình 2.13: SNR tại đầu ra của bộ kết hợp dàn được xác định b λi SNR tối ưu và mô phỏng theo phương trình 3.67với số lượng mẫu đầu ra dàn khác nhau, theo số lượng các phần tủe của dàn ănten, được sử dụng để tạo ma trận tương quan chỉ nhiễu hoặc chỉ tạp âm SNR tại mỗi phần tử ănten là 12.0 dB 42

Hình 2.14:SNR chuẩn hoá, ρi , đối với số lượng các mẫu khác nhau, theo số các phần tử ănten 44

Hình 2.15: Sơ đồ khối của bộ thu dàn ănten 8x8 phần tử và hệ thống định chuẩn vốn có của Passman và Wixforth cho thấy các cổng phân cực phương ngang và phương thẳng đứng 49

Hình 3.1: Hệ thống ănten kép cho HDR 53

Hình 3.2 : Bộ cầm tay ănten thông minh cho hệ thống DECT 54

Hình 3.3: Hệ thống ănten thông minh so với hệ thống một ănten 55

Hình 3.4: Sơ đồ khối bộ phát đường xuống của hệ thống 3GPP 56

Hình 3.5 : Đường xuống của cdma2000 58

Hình 3.6: Kết hợp phân tập 60

Hình 3.7: Kết hợp tương thích 60

Hình 3.8: Bộ kết hợp lai ghép của hệ thống ănten kép 62

Hình 3.10: Sự khác pha trong dàn ănten tuyến tính 64

Hình 3.11: Tương quan đường bao đối với khoảng cách ănt 65

Hình 3.12: Hai mô hình kênh 66

Hình 3.13: Mô hình kênh phađinh tương quan đường bao 67

Hình 3.14: Hai tín hiệu pha đinh Rayleigh trong ECFCM 68

Hình 3.16: Hình học của mô hình GBSB elip 70

Hình 3.17: Dạng kênh của mô hình elip và đường tròn GBSB 71

Hình 3.18: Mô hình kênh pha đinh không tương quan 72

Hình 4.1: Bộ thu ănten thông minh kép với bộ kết hợp phân tập 74

Hình 4.2: BER với các lược đồ phân tập và hai mô hình kênh 77

Hình 4.3: BER với các khoảng cách ănten khác nhau 77

Hình 4.4 : BER với các độ trễ lớn nhất khác nhau 78

Hình 4.5: BER với số lượng người sử dụng khác nhau 79

Hình 4.6: BER với số lượng đa đường khác nhau 80

Hình 4.7: BER với ba lược đồ kết hợp và hai mô hình kênh 82

Hình 4.8: BER với số lượng người sử dụng khác nhau 83

Đồ án tốt nghiệp Đại học Danh mục các hình

Hình 4.9: BER với các vận tốc di chuyển khác nhau 83

Hình 4.10: BER với số lượng đa đường khác nhau 84

Hình 4.11: So sánh BER trong mô hình elip và đường tròn GBSB 85

Hình 4.12: BER trong mô hình đường tròn và elip GBSB 88

Hình 4.13: BER với các vận tốc khác nhau 89

Hình 4.14: Hiệu năng của DC và AC với các khoảng cách ănten khác nhau 91

Hình 4.15: Hiệu năng của DC và AC với các vận tốc di chuyển khác nhau 92

Hình 4.16: Hiệu năng của DC và AC với các tương quan đường bao khác nhau 93

Hình 4.17 : Hiệu năng của HC với các vận tốc khác nhau 96

Đồ án tốt nghiệp Đại học Danh mục các bảng

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1: So sánh ba kỹ thuật kết hợp GSC 24 Bảng 2.2: SNR trung bình với kết hợp phân tập 26 Bảng 4.1: So sánh hiệu năng của EGC và MRC 86

Đồ án tốt nghiệp Đại học Lời nói đầu

LỜI NÓI ĐẦU

Thông tin di động ra đời vào cuối những năm 1940 Khi đó phương thức thông tinmới này chỉ là những hệ thống thông tin di động điều vận Đến nay thông tin di động

đã tr λ thành hệ thống toàn cầu và trải qua nhiều thế hệ Thế kỷ 21 của chúng ta đã vàđang chứng kiến sự phát triển mạnh mẽ không ngừng của ngành công nghiệp viễnthông và trong đó không thể thiếu thông tin di động Con người càng vươn tới nhữngđỉnh cao trong cuộc sống, trong khoa học thì nhu cầu trao đổi thông tin ngày càngnhiều và chính vì thế mà nhu cầu thông tin di động ngày một cấp thiết Với lượng dân

số thế giới là trên 6 tỷ người, thì việc trao đổi thông tin không chỉ đơn thuần là đốithoại thông thường với băng thông hẹp, tốc độ thấp mà con người ngày nay còn đòihỏi phải được truy cập dữ liệu, âm thanh, hình ảnh với tốc độ cao băng thông rộng Làm thế nào để nâng cao dung lượng của hệ thống nhưng không làm tăng băng tầncủa vô tuyến? Làm thế nào để hệ thống đảm bảo cung cấp dịch vụ với giá thành rẻ,chất lượng và tốc độ truyền dữ liệu cao, đồng thời phải giảm thiểu năng lượng truyềntín hiệu từ thuê bao nhằm tăng tuổi thọ của pin, làm cho cấu trúc của máy di độngngày càng gọn nhẹ? Việc đi tìm lời giải cho các câu hỏi này quả là một thách thức lớncho các nhà quản lý và khai thác mạng viễn thông cũng như các nhà thiết kế hệ thống

vì dường như các yêu cầu này không có tính dung hoà với nhau Đã có rất nhiều giảipháp đưa ra nhằm giải quyết những vướng mắc này Trong hệ thống những giải pháp

đó, ănten thông minh với những ưu điểm vượt trội đã tr λ thành một giải pháp quantrọng được chú ý và lựa chọn Ănten thông minh bắt đầu được nghiên cứu từ nhữngnăm 90 và ngày nay đang được triển khai rộng rãi nhiều nơi trên thế giới

Ănten thông minh giúp giải quyết vấn đề xuyên nhiễu giữa các máy di động ảnh

hư λng lên nhau và tạp âm của môi trường truyền dẫn vô tuyến bằng cách tăng SINR.Ănten thông minh còn cải thiện tín hiệu đầu thu, tăng dung lượng hệ thống, m λ rộngvùng phủ sóng, tăng chất lượng tín hiệu, làm giảm chi phí lắp đặt các trạm BTS, kéodài thời gian sử dụng pin của máy cầm tay, cho phép truy cập dữ liệu tốc độ cao Côngnghệ ănten áp dụng kỹ thuật đa truy cập phân chia theo không gian SDMA, bên cạnh

đó còn kết hợp các kỹ thuật đa truy cập khác như CDMA, TDMA và FDMA và gầnđây nhất là sự ra đời của hệ thống thông tin di động sử dụng kỹ thuật WCDMA để đạtđược hiệu quả tối ưu nhất Ngày nay, ănten thông minh không chỉ được áp dụng tạitrạm gốc mà còn được tích hợp trong các thiết bị đầu cuối nhằm cải thiện hơn nữa cácchỉ tiêu chất lượng và dung lượng của hệ thống Và mặc dù đã được nghiên cứu nhiều

Đồ án tốt nghiệp Đại học Lời nói đầu

năm nhưng cho đến nay, ănten thông minh luôn là một vấn đề thu hút sự quan tâm củanhiều người

Xuất phát từ những vấn đề trên, em đã lựa chọn đề tài nghiên cứu của mình là

“Ănten thông minh và ứng dụng trong WCDMA” Đề tài đã đi vào nghiên cứu từnhững kiến thức cơ bản nhất cho đến những ứng dụng mới mẻ của ănten thông tại máycầm tay trong hệ thống WCDMA Theo đó, đề tài tiến hành nghiên cứu các nội dungchính theo bố cục gồm bốn chương

Chương I: Trình bày một cách tổng quan về ănten thông minh bao gồm : Khái

niệm, nguyên lý hoạt động, cấu trúc và các tham số dàn ănten, mô hình tín hiệu vànhững lợi ích khi sử dụng ănten thông minh trong hệ thống thông tin di động

Chương II: Trình bày các thuật toán được áp dụng trong ănten thông minh bao

gồm: kết hợp phân tập và kết hợp tương thích Ngoài việc giới thiệu các thuật toánđược sử dụng trong ănten thông minh, chương còn đưa ra những phân tích, đánh giá và

so sánh các thuật toán này với nhau

Chương III: Đi vào nghiên cứu ứng dụng của ănten thông minh tại máy cầm tay

trong hệ thống WCDMA, gồm hệ thống 3GPP và cdma2000 Chương đã giới thiệumột số các cấu trúc của hệ thống ănten thông minh kép được tích hợp trong các đầucuối di động Theo đó, chương cũng đưa ra những cấu trúc của ănten thông minh trongcác môi trường truyền lan khác nhau cũng như ănten thông minh sử dụng các thuậttoán khác nhau trong thực tế

Chương IV: Đánh giá hiệu năng của việc sử dụng ănten thông minh tại máy cầm

tay khi sử dụng các lược đồ kết hợp phân tập, tương thích hay lai ghép cho hệ thống 3GPP Đồng thời trong chương cũng đã có những phép so sánh giữa ba loại lược đồ kếthợp này

Phần kết luận làm toát lên những kết quả mà đồ án đã đạt được cũng như m λ ranhững hướng phát triển mới để hoàn thiện hơn nữa đề tài này trong thời gian tới

Do giới hạn về thời gian và phạm vi của đồ án tốt nghiệp nên đồ án chỉ đi vàonghiên cứu một phần rất nhỏ trong pham vi rộng lớn của lĩnh vực thông tin di động nóichung và ănten thông minh nói riêng Mặc dù người thực hiện đã có nhiều cố gắngnhưng chắc chắn đồ án sẽ không tránh khỏi những thiếu sót nhất định Rất mong được

sự chỉ dẫn của các thầy cô giáo cũng như ý kiến đóng góp của các bạn bè

Em xin chân thành cảm ơn TS Nguyễn Phạm Anh Dũng đã tận tình hướng dẫn emtrong suốt thời gian làm đồ án để em có được kết quả ngày hôm nay

Đồ án tốt nghiệp Đại học Lời nói đầu

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong bộ môn vô tuyến cũng như cácthầy cô giáo trong khoa viễn thông đã có những ý kiến đóng góp và tạo điều kiện cho

em được hoàn thành tốt đồ án tốt nghiệp của mình

Xin chân thành cảm ơn bạn bè đã giúp đỡ tôi trong thời gian vừa qua

Xin chân thành cảm ơn !

Hà Nội, ngày 25 tháng 10 năm 2005

Sinh viên:

Đinh Thị Thái Mai

Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương I Tổng quan về ănten thông

di động

Hệ thống ănten thông minh là một trong những thành tựu quan trọng trong côngnghệ ănten với nhiều ưu điểm đã cải thiện đáng kể chất lượng, dung lượng mạng thôngtin di động

Trong chương này, chúng ta sẽ đi tìm hiểu những nội dung cơ bản nhất của ăntenthông minh và các vấn đề liên quan

1.2 Hệ thống ănten thông minh

1.2.1 Khái niệm

Ănten thông minh là một hệ thống dàn ănten gồm nhiều phần tử ănten có độ lợithấp được bố trí trong không gian theo một trật tự nhất định và kết nối với nhau thôngqua một mạch kết nối Ănten thông minh có khả năng thay đổi đồ thị bức xạ thu hayphát (hay nói cách khác là các búp sóng) một cách linh hoạt sao cho thích hợp với môitrường tín hiệu trong cell di động

Chức năng của các phần tử ănten là giám sát tín hiệu theo không gian và thời gian.Khác với ănten thu đơn là chỉ thu cố định tín hiệu λ một vị trí không gian, ănten thôngminh có khả năng thích ứng với các chuyển động cơ học của các thiết bị vô tuyến.Thường thì thuật ngữ “ănten” chỉ bao gồm chuyển đổi cấu trúc cơ học từ sóng điện

từ tự do sang tín hiệu tần số vô tuyến truyền sóng trong môi trường cáp và ngược lại.Với ănten thông minh, thuật ngữ “ănten” có ý nghĩa m λ rộng hơn: nó bao gồm mộtmạng phân chia hoặc kết hợp và một đơn vị điều khiển (UC- Unit Control) Đơn vịđiều khiển thể hiện sự thông minh của ănten, nó dùng các thuật toán phức tạp để điềukhiển ănten Thông thường UC là một bộ xử lý tín hiệu số DSP điều chỉnh các tham sốcủa ănten dựa vào nhiều đầu vào, để tối ưu đường truyền thông tin Như vậy, ăntenthông minh tốt hơn nhiều so với ănten thông thường nhưng đồng thời nó cũng phứctạp hơn rất nhiều

Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương I Tổng quan về ănten thông

M¹ch kÕt hîp

Hình 1.1: Dàn ănten thông minh

1.2.2 Nguyên lý hoạt động của ănten thông minh

Lúc đầu ănten chỉ đơn giản là bức xạ và nhận năng lượng như nhau theo mọi

hướng Để truyền tín hiệu đến thuê bao, nó phát sóng đẳng hướng theo phương ngang,

Khi truyền tín hiệu như vậy thì nó không có ý thức nào về vùng lân cận thuê bao, năng

lượng tín hiệu truyền đi một cách phân tán, phần năng lượng tín hiệu truyền đến thuê

bao chỉ là một phần rất bé so với năng lượng mà ănten truyền ra môi trường xung

quanh.Do hạn chế này mà công suất tín hiệu phát phải lớn hơn đầu thu mới nhận đủ

một năng lượng tín hiệu cần thiết (SNR tại nơi thu đủ lớn) Trong trường hợp có nhiều

thuê bao đồng kênh, khi nâng công suất truyền, phần năng lượng không đến được thuê

bao mong muốn lại tr λ thành nguồn nhiễu đồng kênh cho các thuê bao khác

ý tư λng của hệ thống ănten thông minh là đồ thị bức xạ năng lượng tại các cell

không cố định nữa mà là rất linh hoạt Hệ thống ănten thông minh chỉ tập trung năng

lượng về phía thuê bao mong muốn mà nó đang phục vụ Mỗi thuê bao được phục vụ b

Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương I Tổng quan về ănten thông

minh

λi một đồ thị bức xạ của riêng nó Trước đây, chỉ có trạm gốc mới có khả năng tíchhợp ănten thông minh, các thuê bao vẫn phát và nhận năng lượng một cách đẳnghướng Nhưng với những nghiên cứu mới đây, ănten thông minh đã được đưa vào sửdụng tại máy cầm tay Và đây cũng chính là một trong những nội dung mà đồ án đivào nghiên cứu

1.2.3 Cấu trúc sắp xếp của các phần tử ănten

Vị trí của các phần tử ănten luôn đóng một vai trò quan trọng trong việc tạo ra chấtlượng của đồ thị bức xạ Một đồ thị bức xạ đạt chất lượng cao trong ănten thông minh

là búp sóng chính lớn hơn rất nhiều so với các búp phụ khác và hướng về phía thuêbao mong muốn, các nút sóng chỉ về phía các thuê bao nhiễu đồng kênh trong cell đó

y



x y

(a) Giµn ® êng th¼ng (b) Giµn h×nh trßn

(c) Giµn h×nh ch÷ nhËt (d) Giµn h×nh lËp ph ¬ng

Hình 1.2: Các loại cấu trúc ănten thông minh

Cấu trúc dàn đường thẳng : Đây là cấu trúc thông dụng nhất vì nó đơn giản, được

sử dụng khi BS được chia thành nhiều vùng phủ sóng hình quạt Trong cấu trúc này,khoảng cách giữa các phần tử là x Búp sóng chính của hệ thống có thể phủ sóngtrong một hình quạt

Cấu trúc dàn hình tròn: Các phần tử ănten tạo với tâm hệ thống một góc

2 / N

  Búp sóng chính của đồ thị bức xạ phủ toàn vùng ngang

Cấu trúc dàn chữ nhật và cấu trúc dàn lập phương: Điều khiển búp sóng theo cả

hai phương dọc và ngang Hai cấu trúc này cần thiết cho môi trường truyền sóng phứctạp (đô thị đông đúc) Về mặt lý thuyết nếu hệ thống có L phần tử ănten, có thể tạo L-1nút sóng hướng về phía các thuê bao nhiễu đồng kênh trong cell.Tuy nhiên trong môi

Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương I Tổng quan về ănten thông

minh

1.2.4 Các tham số dàn ănten

Dưới đây là một số các định nghĩa được sử dụng để mô tả hệ thống ănten:

Mẫu bức xạ: Mẫu bức xạ của một ănten là sự phân phối tương đối công suất bức xạ

như một hàm hướng trong không gian Mẫu bức xạ của một ănten là kết quả của mộtmẫu phần tử và hệ số dàn, hai cái này được định nghĩa bên dưới Nếu f(,) là mẫu

bức xạ của mỗi phần tử ănten và F(,) là hệ số dàn thì mẫu bức xạ của dàn, G(   , ),được gọi là mẫu búp sóng được cho b λi phương trình dưới đây:

G(,) f(,)F(,) (1.1)Hình 1.3 là một ví dụ của đáp ứng phần tử ănten đã được cách điệu hoá, một hệ sốdàn của dàn ănten tuyến tính 8 phần tử với một khoảng cách giữa các ănten phần tử là2

/

 hướng tại 00 và mẫu bức xạ, kết quả của việc kết hợp hai thành phần trên

Hệ số dàn: Hệ số dàn, F (   , ), là mẫu bức xạ trường xa của dàn ănten gồm các

phần tử bức xạ đẳng hướng, trong đó  là góc phương vị và  là góc ngẩng

Búp sóng chính: Búp sóng chính của một mẫu bức xạ ănten là búp sóng chứa

hướng của công suất bức xạ lớn nhất

Búp sóng phụ: Búp sóng phụ là các búp sóng không tạo thành búp sóng chính.

Chúng cho phép các tín hiệu được nhận theo các hướng khác hướng của búp sóngchính do đó, các búp sóng này là không mong muốn nhưng không thể tránh khỏi

Độ rộng búp sóng: Độ rộng búp sóng của một ănten là độ rộng góc của búp sóng

chính Độ rộng búp sóng 3 dB là độ rộng góc giữa các điểm trên búp sóng chính đạtgiá trị 3 dB bên dưới đỉnh của búp sóng chính Độ rộng búp sóng nhỏ hơn là kết quảcủa một dàn có kích thước rộng hơn nghĩa là khoảng cách giữa hai phần tử xa nhất củadàn

Hiệu suất ănten: Hiệu suất ănten là tỉ số của tổng công suất bức xạ của ănten trên

tổng công suất đầu vào ănten

Búp sóng nhiễu xạ: Khi khoảng cách giữa các phần tử dàn ănten d > 2 thì xảy rahiện tượng lấy mẫu không gian của sóng mang tần số vô tuyến nhận được, gây ra hiệntượng tối đa thứ cấp, được gọi là các búp sóng nhiễu xạ, xuất hiện trong mẫu bức xạ,chúng ta có thể thấy trong hình 1.4 Hiện tượng lấy mẫu không gian dẫn đến sự không

rõ ràng trong hướng của các tín hiệu đến, điều này có nghĩa là xuất hiện những bản saocủa búp sóng chính trong những hướng không mong muốn Hiện tượng búp sóngnhiễu xạ trong lấy mẫu không gian tương tự với hiệu ứng gán biệt danh trong lấy mẫu

Đồ ỏn tốt nghiệp Đại học Chương I Tổng quan về ănten thụng

minh

thời gian Do đú khoảng cỏch d giữa cỏc phần tử trong dàn phải được chọn nhỏ hơn

hoặc bằng / 2, để trỏnh cỏc bỳp súng nhiễu xạ Tuy nhiờn, khoảng cỏch khụng giangiữa cỏc phần tử lớn hơn / 2 sẽ cải thiện giải phỏp khụng gian cho dàn ănten, tức làgiảm độ rộng bỳp súng 3dB như trong hỡnh 1.4, và giảm tớnh tương quan giữa cỏc tớnhiệu đến tại cỏc phần tử ănten

Góc (độ)

Mẫu phát xạ,

Hệ số dàn Mẫu phần tử,

Xột một dàn ănten gồm L thành phần ănten vụ hướng đặt tại vựng xa của một nguồn

điểm hỡnh sin như λ hỡnh 1.5 Giả thiết khoảng cỏch cỏc phần tử dàn là d và mặt súng

phẳng m λ rộng trờn dàn tại gúc  đối với phỏp tuyến dàn, mặt súng đến phần tử thứ

l+1 trước khi đi đến phần tử thứ l Khi đú, khoảng cỏch mà mặt súng phải đi từ phần

tử thứ l+1 đến phần tử thứ l là dsin Tuy nhiờn, đối với một dàn gồm L phần tử tuỳ

ý, giả thiết điểm cú độ trễ bằng khụng, thỡ cỏc độ trễ tương ứng là :

c

y x

l() sin cos, 1, (1.2)

Trong đú, c là tốc độ truyền súng, tức là tốc độ của ỏnh sỏng, x và l y là toạ độ x l

và y của phần tử thứ l đối với điểm gốc cú toạ độ (0,0) Thuật ngữ cosin phụ do độ

lệch y cú thể cú từ toạ độ x của cỏc phần tử dàn bằng 0, và do đú bị loại bỏ, như tronghỡnh 1.5 Tớn hiệu, x t , được tạo ra trong phần tử thứ l do nguồn thứ i cú thể được l i,( )

Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương I Tổng quan về ănten thông

d

ChuÈn dµn

Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương I Tổng quan về ănten thông

minh Hình 1.5: Sơ đồ thu tín hiệu của dàn ănten tuyến tính không gian

Trong đó n tl( ) là thành phần tạp âm ngẫu nhiên trên phần tử ănten thứ l, gồm có

tạp âm nền và tạp âm điện Giả thiết tạp âm trắng có bình phương trung bình bằng 0 vàphương sai 2

sóng ănten trong hướng của 0 Giá trị lớn nhất của ( )F  đạt được khi  0

Hình 1.6: Bộ tạo búp sóng cộng các tín hiệu phần tử ănten gán trọng số,

thu được tín hiệu y(t) = 

l

l x t t

y

1

* ( ))

(  , (1.6)

Trong đó * chỉ liên hợp phức, x l (t) là tín hiệu đến từ phần tử thứ l của dàn, và l

là trọng số được áp dụng cho thành phần thứ l Các trọng số của bộ tạo búp sóng biễu

diễn như sau:

 [1,2, ,L], (1.7)

Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương I Tổng quan về ănten thông

minh

,)]

(), ,(),(

L t x t x t x

Đầu ra của bộ thu tạo búp sóng λ hình 1.6 tr λ thành:

)()

Với T và H, tương ứng xác định ma trận chuyển vị và ma trận chuyển vị liên hợp

phức của một vectơ hay một ma trận

Cho R xác định ma trận tương quan LL của tín hiệu thu b λi L phần tử:

) (

) ( )]

( ) (

2

* 1 2

1

t x t

x t x t x

t x

t x E t x t x E

)2(

)1(

)0(

)1(

)1(

)1(

)0(

r

L r

L r

L r

r r

L r

r * (k), với r(k) là hàm tự tương quan của quá trình ngẫu nhiên đối với độ trễ của l Do

đó, phương trình (1.11) được viết lại như sau:

Các phần tử của ma trận , R, xác định mối tương quan giữa tín hiệu đầu ra của các

phần tử ănten khác nhau trong hình 1.6 Ví dụ, R ij xác định mối tương quan giữa phần

Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương I Tổng quan về ănten thông

minh

tử thứ i và thứ j của dàn Cho rằng vectơ điều khiển có quan hệ với hướng i hay

nguồn thứ i có thể được mô tả vectơ phức L hướng s i :

i L i

Trong đó, L là số phần tử của dàn ănten, và t i là trễ thời gian gây ra do sóng phẳng

đến từ nguồn thứ i, đặt tại hướng i, và được đo từ phần tử ban đầu, khi đó ma trận

tương quan, R, của các tín hiệu đầu ra tại các phần tử dàn trong hình 1.6 có thể được

biễu diễn như sau:

n

H i i

p R

ASA

R   2   , (1.15)Với S E s s[ i H i ] là ma trận hiệp biến của các đầu ra của các phần tử dàn tronghình 1.6, A  [ s1, s2, , sM] là ma trận L  M của các vectơ diều khiển Hơn nữa, ma

trận chéo  diag[1,2, ,L]được tạo thành b λi các giá trị riêng thực của R, trong khi đó U gồm các vectơ riêng chuẩn đơn vị của R.

1.4 Ưu điểm của ănten thông minh trong thông tin di động

1.4.1 Giảm trải trễ và pha đinh đa đường

Trải trễ do đường truyền đa đường gây ra, trong đó một tín hiệu đến từ các hướngkhác nhau sẽ bị trễ do đi theo các khoảng cách khác nhau λ phía phát, một ăntenthông minh có thể tập trung năng lượng theo hướng yêu cầu, hỗ trợ trong việc giảmphản xạ đa đường và do đó giảm trải trễ λ phía thu, dàn ănten có thể thực hiện kếthợp tối ưu sau khi bù trễ cho các tín hiệu đa đường tới dàn Những tín hiệu mà trễkhông thể bù đắp có thể bị xoá bỏ do hình thành các nút sóng trong hướng của chúng.Trạng thái hướng của một dàn ănten cũng dẫn đến hiện tượng trải phổ nhỏ hơn củacác tần số Doppler tại máy di động Đối với một ănten vô hướng tại cả trạm gốc và tạimáy di động, hướng góc đến λ máy di động được phân bố giống nhau Do đó phổ

Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương I Tổng quan về ănten thông

minh

2 0( )

thµnh phÇn truyÒn th¼ng

v



H ình 1.7:Minh hoạ thành phần truyền thẳng từ trạm gốc đến trạm di động cho thấy

hướng di chuyển của trạm di động, v

,( tan( ))

(sin( ) cos( ) tan( )),

R I

D f

I R I

Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương I Tổng quan về ănten thông

minh

Hơn nữa, 2 là độ rộng búp sóng của ănten có hướng gọi là ‘flat- top’ lý tư λng,

có độ lợi bằng 0, ngoại trừ trải góc 2 , trong khi đó độ lợi là 1, R là bán kính của khu vực tròn bao gồm tất cả các bộ tán xạ và D là khoảng cách riêng biệt giữa trạm gốc và

máy di động Cuối cùng, 1 và 2 là các hằng số được sử dụng để tính toán:

TÇn sè Doppler(Hz) TÇn sè Doppler(Hz)

(a) H íng di chuyÓn, v 0

(c) H íng di chuyÓn, v 90 0

TÇn sè Doppler(Hz)

Hình 1.8: Phổ Doppler tại trạm di động, khi sử dụng một ănten có hướng tại trạm

gốc, và một ănten vô hướng tại trạm di động, được so sánh với mô hình Clarke, R =

1km, D= 3km, f m = 100 Hz

1.4.2 Giảm nhiễu đồng kênh

Dàn ănten cho phép sử dụng phương pháp lọc không gian, phương pháp này được

áp dụng cho cả bên thu cũng như bên phát để giảm nhiễu đồng kênh Khi phát, ănten

Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương I Tổng quan về ănten thông

minh

trong vùng có bộ thu Điều này có nghĩa là có ít nhiễu hơn trong các hướng khác màbúp sóng không hướng đến Nhiễu đồng kênh bên phát có thể giảm bằng cách hìnhthành những nút sóng trong hướng của các bộ thu khác Lược đồ này mục đích là giảmnăng lượng phát trong hướng của các bộ thu đồng kênh và do đó cần những thông tin

về quyền ưu tiên vị trí của chúng

1.4.3 Tăng dung lượng hệ thống và cải thiện hiệu suất phổ

Hiệu suất phổ của một mạng liên quan đến lưu lượng mà một hệ thống cho trướcvới sự phân phối phổ nhất định có thể điều khiển được Việc tăng số lượng người dùngcủa hệ thống thông tin di động mà không làm mất mát hiệu năng sẽ tăng hiệu suất phổ.Dung lượng kênh liên quan đến tốc độ dữ liệu lớn nhất mà một kênh có một độ rộngbăng tần cho trước có thể duy trì được Dung lượng kênh được cải tiến sẽ dẫn đến khảnăng phục vụ nhiều người sử dụng hơn với một tốc độ dữ liệu xác định, có nghĩa làhiệu suất phổ tốt hơn Chất lượng của dịch vụ, khi sử dụng ănten thông minh để giảmnhiễu đồng kênh và pha đinh đa đường, có thể bị thay đổi theo sự gia tăng số lượngcủa người sử dụng

1.4.4 Tăng hiệu suất truyền dẫn

Một dàn ănten có hướng trong tự nhiên, có độ khuyếch đại cao trong hướng màbúp sóng hướng đến Tính năng này có thể được tận dụng để m λ rộng dải tần của trạmgốc, làm kích thước của cell lớn hơn hay có thể được sử dụng để giảm công suất phátcủa các máy di động Việc sử dụng ănten có hướng cho phép trạm gốc nhận một tínhiệu yếu hơn so với ănten vô hướng Điều này có nghĩa là máy di động có thể phátcông suất thấp hơn và tuổi thọ của pin sẽ dài hơn, hay nó có thể sử dụng pin nhỏ hơn,

do đó sẽ có trọng lượng và kích thước nhỏ hơn, điều này có ý nghĩa rất quan trọng đốivới máy di động điều khiển bằng tay Khi đó, trạm gốc cũng giảm công suất phát vàcho phép sử dụng các thành phần điện tử có chỉ tiêu công suất thấp hơn nên chi phícũng sẽ thấp hơn

1.4.5 Giảm chuyển giao

Khi lưu lượng trong một cell tăng vượt quá dung lượng của cell đó thì việc phântách cell thường được sử dụng để tạo ra những cell mới, mỗi một cell sẽ có một trạmgốc và một tần số cố định Việc giảm kích thước cell dẫn đến tăng số lượng chuyểngiao được thực hiện Bằng cách sử dụng ănten thông minh để tăng dung lượng củacell, số lượng chuyển giao cần thiết có thể được giảm Vì mỗi búp sóng chỉ hướng đếnmột thuê bao, chuyển giao là không cần thiết trừ khi các búp sóng sử dụng cùng tần sốgiao nhau

Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương I Tổng quan về ănten thông

Gọi minlà SNR thu thấp nhất, được xác định:

min  Pmin( ) / d1 N0 (1.21)

Trong đó P min (d 1 ) là công suất tín hiệu thu yêu cầu so với bộ thu một phần tử tương

ứng khi thu phát riêng biệt λ khoảng cách d1 và N0 là công suất nhiễu Để phân tích ưuđiểm của ănten thông minh, thì trước hết biết rằng công suất tín hiệu thu là hàm củakhoảng cách

P min (d) = P 0 (d 0 /d) n

(1.22)

P o là công suất tại khoảng cách đa tiêu chuẩn, d là khoảng cách thu phát, n là hệ số

mũ suy hao đường truyền Khi một ănten L phần tử thì SNR tối thiểu là:

min

  L2Pmin(dL)/L.N0 = LPmin(dL)/N0 (1.23)

Hình 1.9 : Hệ số tầm sóng theo số phần tử của ănten

Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương I Tổng quan về ănten thông

DL = M1/nd1 (1.26) Trên hình 1.9 thể hiện hệ số cải thiện của tầm sóng ănten bằng hàm của số phần tửănten đối với nhiều hệ số mũ suy hao đường truyền Kết quả này cho thấy tầm sóngđược m λ rộng nhiều hơn đối với môi trường có suy hao đường truyền thấp

1.4.7 Tăng diện tích vùng phủ sóng

Trong phần này, chúng ta sẽ thấy rằng ănten thông minh cũng được dùng để tăngdiện tích phủ sóng trong khi vẫn đảm bảo được mức tín hiệu Giả thiết rằng kích thướccủa cell là không thay đổi và công suất phát của máy di động là cố định hướng tới cácphần tử ănten thu

1.4.7.1 Mức độ vùng phủ của ănten thu đơn phần tử

Để tính được mức độ tăng vùng phủ sóng khi sử dụng ănten thông minh, trước hết

ta phải tính vùng phủ sóng của một phần tử ănten Vì tăng vùng phủ đạt được bằngmảng ănten là tăng vùng phủ của từng phần tử ănten

Giả sử độ lớn tín hiệu được xác định bằng khoảng cách từ trạm gốc Nên, khi côngsuất tín hiệu thu P được tính bằng dB, hàm mật độ xác suất của công suất tín hiệu thulà:

2 2

22

Trong đó P : công suất tín hiệu thu được

 : trung bình bình phương tính theo dB.

Khi đó xác suất công suất tín hiệu dựa trên ngưỡng yêu cầu  là :

Với erf(x) là hàm lỗi chuẩn Phương trình (1.28) cho biết xác suất chất lượng tín

hiệu thu khi hàm mật độ xác suất của công suất tín hiệu thu có dạng như trong phương

Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương I Tổng quan về ănten thông

minh

trình (1.27) Nhưng do suy hao đường truyền của tín hiệu thu trung bình rất khác nhau

theo khoảng cách truyền dẫn Giả sử suy hao đường truyền tỷ lệ thuận với d -n , trong

đó d là khoảng cách giữa trạm gốc và thuê bao di động, n là hệ số mũ suy hao đường

truyền, thì ta có mức tín hiệu trung bình là:

10

P   n d R (1.29) Với : công suất truyền tính theo dB

Hình 1.10 : Mức độ phủ phân đoạn cell đối với anten thu đơn phần tử

Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương I Tổng quan về ănten thông

minh 1.4.7.2 Mức độ vùng phủ của ănten thu L phần tử

Giả sử cell có bán kính không thay đổi và hệ thống có nhiễu giới hạn, khi đó ta cóthể tăng diện tích vùng phủ sóng bằng cách sử dụng một dàn ănten L phần tử Như đã

đề cập λ trên dàn ănten L phần tử sẽ tăng công suất tín hiệu lên L2 lần và công suấtnhiễu chỉ tăng lên L lần Kết quả này chỉ đúng khi nhiễu λ phần tử ănten này khôngtương tác với nhiễu λ những phần tử ănten khác

Khi công suất nhiễu tăng lên L lần, để SNR được đảm bảo thì mức công suất tínhiệu cũng phải tăng lên L lần Do đó, mức công suất ngưỡng tính theo dB của dànănten là:

1010log

   (1.32)Với  là ngưỡng tín hiệu ban đầu đối với bộ thu một phần tử Hơn nữa, khi sửdụng dàn kết hợp thì tín hiệu thu được λ mỗi phần tử có công suất tăng lên L2 lần Vìvậy công suất đầu ra là:

1020log

l

P P L (1.33)Xác suất để công suất tín hiệu mong muốn cao hơn mức ngưỡng m của mảngănten được xác định b λi:

bộ thu đơn phần tử Khi so sánh hình 1.10 và hình 1.11 ta có thể thấy, vùng phủ sóngđược tăng lên khi sử dụng dàn ănten Cũng từ sơ đồ này, ta có thể xác định được sốphần trăm tăng lên khi sử dụng dàn ănten trong mỗi phân đoạn cell Phần trăm tăng lênđược tính như sau:

Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương I Tổng quan về ănten thông

minh

G = (F l - F u )/F u (1.36)

Hình 1.11 : Mức độ phủ phân đoạn cell đối với anten thu nhiều phần tử

1.4.8 Giảm công suất phát trạm di động

Khi sử dụng dàn ănten L phần tử thì tín hiệu thu λ trạm gốc tăng lên, do đó côngsuất phát λ máy di động có thể giảm xuống L lần Vì vậy mà tuổi thọ pin của máy diđộng lâu hơn, đồng thời lại có thể giảm được kích thước của pin, cả hai yếu tố này sẽ

là một ưu điểm quan trọng cho máy cầm tay

1.4.9 Cải thiện chất lượng tín hiệu

Sử dụng ănten thông minh sẽ làm tăng SINR và giảm BER tại đầu thu của hệ thống

số Đối với ứng dụng thoại và video thì giảm BER cũng có nghĩa là tăng chất lượng tínhiệu thu Nói chung, với một kênh giới hạn nhiễu, mức ngưỡng tín hiệu nhỏ nhất giảmxuống 10log10L, trong đó L là số phần tử ănten

1.4.10 Tăng tốc độ dữ liệu

Tăng SINR được sử dụng để tăng số bit trên ký tự trong bộ ghép kênh bằng tốc độchuyển mạch cao hơn Điều này sẽ làm tăng số bit hay có nghĩa là làm tăng dunglượng kênh

Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương I Tổng quan về ănten thông

minh

1.5 Tổng kết

Chương này đã trình bày một cách tổng quan nhất những vấn đề cơ bản nhất vềănten thông minh bao gồm khái niệm, nguyên lý hoạt động, cấu trúc sắp xếp cũng nhưcác tham số của dàn ănten

Bên cạnh đó, chương cũng đã đưa ra một mô hình tín hiệu của dàn ănten gồm có Lphần tử vô hướng, từ mô hình tín hiệu này, để có thể rút ra được ma trận tương quancủa một dàn ănten Ma trận này có ý nghĩa rất quan trọng trong việc xác định các trọng

số dàn ănten

Cuối cùng, chương đã đề cập đến những ưu điểm khi sử dụng dàn ănten thôngminh trong thông tin di động so với khi sử dụng ănten đơn phần tử vô hướng Cụ thểnhững ưu điểm đó là: giảm trải trễ và phađinh đa đường, giảm nhiễu đồng kênh, tăngdung lượng hệ thống và cải thiện hiệu suất phổ, tăng hiệu suất truyền dẫn, giảmchuyển giao, m λ rộng tầm sóng, tăng diện tích vùng phủ sóng, giảm công suất pháttrạm di động, cải thiện chất lượng tín hiệu, tăng tốc độ dữ liệu

Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương II Tổng quan về ănten thông minh

CHƯƠNG II: CÁC KỸ THUẬT TRONG ĂNTEN THÔNG MINH

Có hai lược đồ thuật toán được sử dụng để tính toán các trọng số ănten và kết hợpcác tín hiệu Lược đồ thứ nhất là kết hợp phân tập, trong đó các tín hiệu ănten đượckết hợp để tối đa SNR đầu ra Lược đồ thứ hai là kết hợp tương thích hay còn gọi làtạo búp sóng, trong đó các trọng số dàn ănten được điều chỉnh một cách linh động đểtăng cường tín hiệu mong muốn đồng thời loại bỏ các tín hiệu nhiễu để làm tối đa tỷ sốtín hiệu trên tạp âm cộng nhiễu (SINR)

Sau đây chúng ta sẽ đi nghiên cứu cụ thể từng lược đồ

2.1 Kết hợp phân tập

Kết hợp phân tập có mục đích chính là giảm pha đinh đa đường Tín hiệu đa đườngtruyền trong môi trường có pha ngẫu nhiên, do đó nhiễu tín hiệu có thể kết hợp lại vàtriệt tiêu nhau Khi tín hiệu kết hợp bị triệt tiêu thì công suất tín hiệu thu được rất thấp,

có nghĩa là tín hiệu bị suy giảm

Khi đầu thu sử dụng ănten thông minh, công suất tín hiệu có thể giảm tuỳ thời điểmkhác nhau và λ các phần tử ănten khác nhau Do đó, để thu được tín hiệu tốt thì cầngiảm số phần tử ănten, và vì vậy mà tín hiệu đầu ra và nhiễu đầu vào kết hợp sẽ choSNR tốt nhất

Có bốn lược đồ cơ bản trong kỹ thuật kết hợp phân tập : phân tập lựa chọn, phântập chuyển mạch, kết hợp độ lợi cân bằng và kết hợp tỷ lệ tối đa Ngoài ra còn có lược

đồ kết hợp lựa chọn tổng quát hoá

2.1.1 Phân tập chuyển mạch

Lược đồ phân tập đơn giản nhất và được sử dụng nhiều nhất là phân tập chuyểnmạch Trong lược đồ này, hệ thống sẽ chuyển mạch giữa các ănten, tức là chỉ mộtănten được sử dụng trong bất cứ một khoảng thời gian nào như thấy λ hình 3.1 Tiêuchuẩn chuyển mạch dựa vào sự mất mát mức tín hiệu thu được tại ănten đang sử dụng.Chuyển mạch có thể được thiết lập tại tầng tần số vô tuyến, không cần một bộ chuyểnđổi đường xuống đối với mỗi ănten

Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương II Tổng quan về ănten thông minh

Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương II Tổng quan về ănten thông minh

2.1.3 Phân tập kết hợp tỷ lệ tối đa (MRC)

Trong kết hợp tỷ lệ tối đa, tín hiệu của mỗi một ănten được đo b λi SNR tức thờicủa nó Các tín hiệu đo được sẽ kết hợp với nhau để tạo một tín hiệu đầu ra, như tronghình 2.3 Người ta cũng chỉ ra rằng kỹ thuật kết hợp tỷ lệ tối đa là tối ưu nếu các tínhiệu nhánh phân tập không tương quan với nhau và theo phân phối Rayleigh, nghĩa làtạp âm có phân bố Gausian và trung bình bằng không Nếu mỗi nhánh có một độkhuyếch đại, g l, đầu ra của bộ kết hợp là:

Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương II Tổng quan về ănten thông minh

2 2

L l l

s s

e p

L





Với là SNR trung bình tại mỗi nhánh

Kết hợp tối ưu xử lý các tín hiệu nhận được từ một dàn ănten để giảm việc phânphối từ các tài nguyên đồng kênh không mong muốn, trong khi đó lại tăng cường sựphân phối của tín hiệu mong muốn Một trạm gốc sử dụng dàn ănten kết hợp tỷ lệ tối

đa có thể điều chỉnh trọng số dàn trong suốt chu kỳ nhận, nhằm tăng cường tín hiệuđến từ một máy di động mong muốn Một hệ thống sử dụng cùng một tần số để thu vàphát các tín hiệu trong các khe thời gian khác nhau, ví dụ như trong hệ thống điệnthoại không dây Châu Âu số (DECT) song công phân chia theo thời gian (TDD) có thể

sử dụng liên hợp phức của các trọng số này trong chu kỳ phát để xử lý lại tín hiệu phát

và tín hiệu thu tại máy di động mong muốn, trong khi đó triệt tiêu tín hiệu này tại cácmáy di động khác Tiến trình này dựa trên thực tế là các trọng số được điều chỉnhtrong suốt chu kỳ nhận để giảm nhiễu đồng kênh, do đó đặt các nút sóng trong hướngcác máy di động đồng kênh Từ đó, bằng cách sử dụng liên hợp phức của các trọng sốnày trong suốt chu kỳ phát, mẫu ănten giống nhau có thể được tạo ra, dẫn đến không

có năng lượng nào được phát hướng đến các máy di động đồng kênh

MRC đạt được hiệu năng cao nhưng rất khó để tính toán chính xác SNR của mỗimột tín hiệu ănten

Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương II Tổng quan về ănten thông minh

2.1.4 Kết hợp độ lợi cân bằng (EGC)

Lược đồ kết hợp độ lợi cân bằng đơn giản là gán mỗi tín hiệu ănten một trọng số cógiá trị bằng nhau Ví dụ, mỗi một tín hiệu ănten được gán trọng số là 1/L với dànănten có L phần tử

2.1.5 Kết hợp lựa chọn tổng quát hoá GSC (Generalized Selection Combining)

Bên cạnh các kỹ thuật kết hợp phân tập cổ điển, người ta đã đưa ra một kỹ thuật kếthợp phân tập mới, đó là kết hợp lựa chọn tổng quát hoá Thay thế cho việc chọn tất cảcác nhánh như trong trường hợp kết hợp tỷ lệ tối ưu, kỹ thuật kết hợp lựa chọn tổngquát hoá (GSC) chọn m nhánh tốt nhất trong L nhánh dựa trên SNR hay độ mạnh củatín hiệu và kết hợp chúng lại với nhau GSC còn được gọi là SC/MRC lai ghép Số

lượng nhánh được lựa chọn m được quyết định b λi quyền ưu tiên của GSC ban đầu,

trong khi GSC thay đổi rất linh hoạt Đối với lần áp dụng sau cùng, lựa chọn cácnhánh có SNR lớn hơn một ngưỡng cho trước, thì được gọi là GSC ngưỡng tuyệt đối(Absolute Threshold GSC – AT-GSC) Thay vào đó, nếu việc lựa chọn các nhánh có

SNR tương đối trên SNR lớn nhất trong tất cả các nhánh, i

max

SNR SNR , lớn hơn mộtngưỡng cho trước, thì phương pháp này được gọi là GSC ngưỡng chuẩn hoá(Normalized Threshold GSC – NT-GSC)

Chúng ta sẽ xem xét các đặc tính của ba phương pháp GSC này, GSC ban đầu, GSC, NT-GSC Giả thiết đã biết SNR tức thời i của nhánh i và 12L đốivới bộ thu Rake có L phần tử

AT-Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương II Tổng quan về ănten thông minh

GSC ban đầu, biễu diễn là GSC(m,L), sẽ lựa chọn m nhánh tốt nhất trong L nhánh

với m là cố định, và cộng các SNR để được kết quả là

1

m i i





 SNR tổng của GSC banđầu lớn hơn GSC(L,L) và thấp hơn GSC(1,L) GSC (L, L) và GSC (1, L) trong thực tế

là MRC và SC

AT-GSC, biễu diễn dưới dạng AT-GSC(Ta, L), lựa chọn nhánh có SNR i lớn hơnmột ngưỡng Ta cho trước, tức là thuật toán này tìm m sao cho  m T a và m1T a.SNR lớn nhất của AT-GSC là AT-GSC (0, L) và đó chính là MRC

NT-GSC, được biễu diễn dưới dạng NT-GSC (Tn, L), lựa chọn nhánh i có SNR

chuẩn hoá

1

i



 lớn hơn một ngưỡng cho trước Tn Với 1 là SNR lớn nhất trong các

nhánh và 0T n 1 NT-GSC lựa chọn m nhánh sao cho

1

m n

T





  SNR giớihạn trênvà dưới của NT-GSC tương ứng là NT-GSC (0, L) và NT-GSC (1, L) NT-GSC (0, L)

và NT-GSC (1, L) tương ứng là MRC và SC Để có thể so sánh ba loại kỹ thuật này, các đặctính của chúng được tổng kết trong bảng 2.1

Kỹ thuật Điều kiện

cho trước

Số lượng các nhánhlựa chọn

SNR kếthợp

Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương II Tổng quan về ănten thông minh

BER thấp hơn) khi m tăng, trong đó GSC (m, L) với m cố định lại thực hiện tốt hơn

khi L tăng AT-GSC (Ta, L) và NT-GSC (Tn, L) giống nhau về SNR kết hợp, đượcbiễu diễn trong hình 2.4 (b) AT-GSC và NT-GSC tốt hơn khi giá trị ngưỡng nhỏ hơn.Chú ý rằng, các kỹ thuật này có thể có nhiều hơn bốn giá ttị SNR kết hợp cho mộtSNR nhánh trung bình cho trước

Đối với AT-GSC và NT-GSC, số lượng trung bình các Rake finger được kích hoạt

là hàm của một ngưỡng cho trước Số các Rake finger được kích hoạt có thể là bất kỳmột số hữu tỷ nào (không chỉ là số nguyên ) đối với một giá trị ngưỡng cho trước Do

đó, AT-GSC và NT-GSC có thể được coi là trường hợp chung của GSC (m, L), với m

là một số hữu tỷ bất kỳ bao gồm cả số nguyên Như biễu diễn trong hình 2.4, số lượngcác SNR kết hợp phân biệt là L đối với GSC, trong khi đó số lượng các SNR kết hợpphân biệt bằng với số các giá trị ngưỡng trong trường hợp AT-GSC và NT-GSC.Trong hình 2.4(b), số lượng các SNR kết hợp để phân biệt là 7

Đối với AT-GSC thì SNR lớn nhất có thể nhỏ hơn ngưỡng, để không có một Rakefinger nào được lựa chọn Thậm chí, nếu tất cả các Rake finger đều ngừng hoạt độngngay lập tức, thì vẫn thoả mãn được BER yêu cầu Tuy nhiên, trường hợp này cầntránh để tránh các lỗi cτm rất khó để sửa đối với bộ giải mã kênh Trong một trườngm rất khó để sửa đối với bộ giải mã kênh Trong một trườnghợp thực tế, chúng ta cần phải điều chỉnh các quy tắc lựa chọn đối với kỹ thuật AT-GSC như sau Nhánh có SNR lớn nhất luôn được lựa chọn, thậm chí nếu SNR lớn nhất

bé hơn một ngưỡng cho trước Trong trường hợp này, SNR nhỏ nhất AT-GSC (, L)

tr λ thành SC

SNR kÕt hîp

SNR trung b×nh

SNR yªu cÇu

GSC(4,4) GSC(3,4) GSC(2,4)

GSC(1,4)

(a) GSC ban đầu

Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương II Tổng quan về ănten thông minh

SNR kÕt hîp

SNR trung b×nh

SNR yªu cÇu

T-GSC(T7,4)

T-GSC(T2,4) T-GSC(T1,4)

độ mạnh tín hiệu của nhám đang được lựa chọn thấp hơn so với một ngưỡng cho trước Kếthợp tỷ lệ tối ưu (MRC) đo mỗi một tín hiệu ănten thông qua SNR của nó trước khi kết hợp.MRC cho một SNR đầu ra lớn nhất và do đó được gọi là kết hợp tỷ lệ tối đa MRC cho hiệunăng cao, nhưng rất khó để tính toán chính xác SNR của mỗi một tín hiệu ănten Lược đồ kếthợp độ lợi cân bằng (EGC) chỉ cộng mỗi tín hiệu ănten với một trọng số bằng nhau

Bảng 2.2: SNR trung bình với kết hợp phân tập

SNR trung bình của ba lược đồ kết hợp phân tập được trình bày trong bảng 2.2,trong đó bộ kết hợp phân tập cps M nhánh phân tập, mỗi một nhánh có SNR trung