Định dạng búp sóng trong hệ thống thông tin di động thế hệ tiếp theo

Khái niệm Ăngten thông minh là một hệ thống bao gồm các phần tử ăngten cùng với bộ xử lý tín hiệu số để truyền và nhận tín hiệu một cách thích ứng, có nghĩa là ăngten thông minh có thể

bộ giáo dục và đào tạo trường đại học bách khoa hà nội

- Nguyễn lê hằng

định dạng búp sóng trong hệ thống thông tin di động thế hệ tiếp theo

Chuyên ngành : Điện tử viễn thông

Lời nói đầu

Sự phát triển của dàn thích ứng bắt đầu từ cuối những năm 50 và được đánh dấu hơn bốn thập kỷ Từ "Adaptive Array" được Van Atta đặt ra đầu tiên vào năm

1959 mô tả một dàn đồng pha Với ăng ten dàn truyền thống, các búp sóng chính được điều khiển hướng theo phương yêu cầu, được gọi là dàn ăng ten đã định pha, dàn điều khiển hướng búp sóng hoặc dàn quét Búp sóng được điều khiển sử dụng những bộ dịch pha Ăng ten dàn điều khiển hướng búp sóng hiện nay, mô hình được định hình theo các chỉ tiêu tối ưu cho trước, gọi là ăng ten thông minh (Smart Antenna) Ăng ten thông minh còn được gọi là dàn định dạng búp sóng số (DBF - Digital Beam Forming) hay là dàn thích ứng (Adaptive Array) Ăng ten thông minh hứa hẹn cải tiến hệ thống Rada, tăng dung lượng hệ thống di động không dây và cải tiến phương tiện liên lạc không dây thông qua việc thực hiện đa truy nhập phân chia theo không gian (SDMA - Space Division Multiple Access) Công nghệ ăng ten thông minh đang làm thay đổi tính kinh tế của mạng di động 3G Chúng mang lại khả năng tăng dung lượng đường truyền cũng như giảm đáng kể số lượng các trạm phát sóng vô tuyến

Định dạng búp sóng bằng phương pháp số là một trong những hướng nghiên cứu áp dụng ăng ten thông minh vào hệ thống thông tin di động thế hệ tiếp theo Trong luận văn này , tôi xin được trình bày tổng quan về ăng ten thông minh, kỹ thuật ước lượng hướng sóng tới và định dạng búp sóng dùng phương pháp số

Tôi xin cam đoan đây là luận văn do chính bản thân tôi làm không sao chép nguyên văn từ bất kỳ tài liệu nào, nếu sai tôi xin chịu mọi trách nhiệm Với lòng biết ơn sâu sắc tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo TS Vũ Văn Yêm đã tận tình hướng dẫn tôi trong quá trình thực hiện đề tài này Các góp ý về mặt khoa học của

TS đã giúp tôi định hướng được trong việc lựa chọn đề tài và các bước thực hiện nhằm hoàn thành tốt được đề tài.Trong suốt quá trình nghiên cứu, mặc dù đã hết sức

cố gắng nhưng chắc chắn luận văn không tránh khỏi những thiếu sót, rất mong sự đóng góp, phê bình của các thầy cô để luận văn được hoàn chỉnh hơn

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 22 tháng 10 năm 2009

MỤC LỤC

Trang

Trang bìa phụ i

Lời nói đầu ii

MỤC LỤC iv

Những thuật ngữ viết tắt vii

Danh mục hình vẽ đồ thị ix

Chương 1 - Kỹ thuật Ăngten thông minh 1

1.1 Khái niệm 1

1.2 Phân loại 1

1.3 Nguyên lý hoạt động 2

1.3.1 Ăngten chuyển mạch chùm 2

1.3 1.1 Khái niệm 2

1.3.1.2 Đặc điểm và nguyên lý hoạt động 2

1.3.1.3 Nhận xét 4

1.3.2 Ăngten thích ứng 5

1.3.2.1 Khái niệm 5

1.3.2.2 Đặc điểm và nguyên lý hoạt động 5

1.3.2.3 Nhận xét 7

1.4 Ưu - nhược điểm của ăngten thông minh 8

1.4.1 Ưu điểm : 8

1.5 Ứng dụng của ăngten thông minh 10

1.5.1 Ăngten thông minh trong mạng di động 3G 10

1.5.2 Nh ận xét 1 : 11

1.5.3 Nhận xét 2: 11

1.6 Đa truy nhập phân chia theo không gian (SDMA) 11

1.7 Định dạng búp sóng bằng phương pháp số (DBF) 13

1.8 Kết luận chương 1 16

Chương 2 - Kỹ thuật xác định hướng sóng tới (DOA) và một số thuật toán sử d ụng để xác định hướng sóng tới 18

2.1 Dàn ăngten thích ứng 18

2.2 Cơ sở lý thuyết chung của ước lượng DOA 19

2.3 Một số thuật toán ước lượng hướng sóng tới DOA 21

2.3.1 Xác định DOA cho dàn ăngten thích ứng 21

2.3.1.1 Trường hợp có 1 sóng tới và dàn ăngten có 2 chấn tử 21

2.3.1.2 Trường hợp có K sóng tới và M chấn tử (K<M) 23

2.3.2 Một số thuật toán ước lượng hướng sóng tới: 23

2.3.2.1 Thuật toán ước lượng góc đến bằng ma trận Bartlett 23

2.3.2.2 Thuật toán ước lượng phổ [5] 24

2.3.2.3 Thuật toán ước lượng Capon 24

2.3.2.4.Thuật toán khả năng lớn nhất MLM (Maximum Likehood Method)[5] 25

2.3.2.5 Thuật toán phân loại tín hiệu đa đường MUSIC (MUltiple SIgnal Classification)[5] 26

2.3.2.6 Thuật toán ước lượng các tham số của tín hiệu dựa trên các kỹ thuật bất biến quang- ESPRIT 27

2.3.2.7 Kết luận 30

2.4.1 Thuật toán MUSIC ước lượng DOA 30

2.4.1.1 Thuật toán MUSIC 30

2.4.1.2 Mô phỏng việc ước lượng hướng sóng tới dùng giải thuật MUSIC : 36

2.5 Kết luận chương 2 41

Chương 3 - Định dạng búp sóng dùng phương pháp số 43

3.1 Cơ sở định dạng búp sóng trọng số cố định: 43

3.1.1 Tỉ số tín hiệu trên nhiễu tối đa: 43

3.1.2 Cực tiểu lỗi trung bình bình phương 51

3.1.3 Cực đại khả năng 55

3.1.4 Cực tiểu phương sai 58

3.2 Định dạng búp sóng thích ứng 62

3.2.1 Tối thiểu bình phương trung bình- LMS [2] 62

3.2.2 Nghịch đảo ma trận lấy mẫu 67

3.2.3 Bình phương tối thiểu đệ qui 71

3.2.4 Phương pháp giá trị không đổi 75

3.2.5 Giá trị bình phương tối thiểu không đổi 80

3.2.6 Phương pháp liên hợp Gradient 86

3.2.7 Trải chuỗi trọng số dàn 91

3.2.8 Mô tả bộ thu SDMA kiểu mới 93

3.3 Kết luận chương 3 102

KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 104

TÀI LIỆU THAM KHẢO 106

Tóm t ắt luận văn 107

Direct Matrix Inversion Direct of Arrival

Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques Frequency Division Multiple Access

Least Mean Squares Least Square Contant modulus algorithm Multiple Input, Multiple Output

Maximum Likehood Method Mobile Station

Mean Square Error Multiple Signal Classification Recursive Least Square Root Mean Square Error Radio Resource Management

Uniform Linear Array

Danh mục hình vẽ đồ thị

Hình 2.1 Dàn ăngten ULA gồm các phần tử cách đều nhau đặt dọc theo trục x 18

Hình 2.2 Dàn ăngten đồng dạng tuyến tính ULA có M chấn tử và K sóng tới 20

Hình 2.3 Dàn ăngten ULA trong trường hợp có 2 chấn tử và có 1 sóng tới 22

Hình 2.4 Hai dàn con đồng nhất không chồng lên nhau với mỗi dàn M/2 chấn tử 27 Hình 2.5 Hai dàn con chồng lên nhau với mỗi dàn M-1 phần tử 28

Hình 2.6 Phân loại tín hiệu và nhiễu 32

Hình 2.7 Ví dụ về phổ MUSIC 34

Hình 2.8 Sơ đồ khối việc xác định hướng sóng tới dùng dàn ăngten và dàn máy thu song song 36

Hình 2.9 Kết quả mô phỏng hướng sóng tới của 5 tín hiệu các góc tới [100 250 400 550 700] với dàn ăngten 8 chấn tử khi SNR = [ 10 10 10 10 10 ] và L = 200 37 Hình 2.10 Kết quả mô phỏng hướng sóng tới của 3 tín hiệu các góc tới [200 800 1400 ] với dàn ăngten 5 chấn tử, khoảng cách d=0,5λ 38

Hình 2.11 Kết quả mô phỏng hướng sóng tới của 3 tín hiệu các góc tới [400-1250] với dàn ăngten 5 chấn tử và khoảng cách d=0,1λ 39

Hình 2.12 Kết quả mô phỏng hướng sóng tới của 3 tín hiệu các góc tới [200 800 1400] với dàn ăngten 10 chấn tử, khoảng cách d=0,1λ 40

Hình 2.13 Kết quả mô phỏng hướng sóng tới của 3 tín hiệu các góc tới [200 800 1400] với dàn ăngten 2 chấn tử, khoảng cách d=0,5λ 40

Hình 2.14 Kết quả mô phỏng hướng sóng tới của 3 tín hiệu các góc tới [200 800 1400] với dàn ăngten 5 chấn tử, khoảng cách d=0,5λ 41

Hình 3.1 Dàn 3 phần tử với tín hiệu mong muốn và không mong muốn 43

Hình 3.2 Triệt búp sóng phụ 45

Hình 3.3 Đồ thị dàn với mức không xấp xỉ tại -150 và 250 46

Hình 3.4 Dàn ăngten băng hẹp truyền thống 47

Hình 3.5 Phương pháp tối đa tỉ số tín hiệu trên nhiễu 51

Hình 3.6 Hệ thống MSE thích ứng 52

Hình 3.7 Bề mặt bậc hai với MSE 53

Hình 3.8 Phương pháp cực tiểu lỗi trung bình bình phương 55

Hình 3.9 Dàn truyền thống 56

Hình 3.10 Phương pháp cực đại khả năng cho dàn 7 phần tử 58

Hình 3.11 Phương pháp phương sai nhỏ nhất 61

Hình 3.12 Cường độ của trọng số dàn 66

Hình 3.13 Thu và dò tín hiệu mong muốn 66

Hình 3.14 Sai số bình phương trung bình 67

Hình 3.15 Dàn trọng số LMS 67

Hình 3.16 Đồ thị dàn SMI được đánh trọng số 70

Hình 3.17 Dấu hiệu của ma trận tương quan sử dụng SMI và RLS[1] 72

Hình 3.18 Đồ thị dàn RLS 75

Hình 3.19 a) Đường thẳng ,(b) Đường thứ 2, (c) Đường thứ 3, và (d) Tín hiệu kết hợp 78

Hình 3.20 DOA của phương pháp CMA 79

Hình 3.21 Tín hiệu đến và tín hiệu đầu ra sau khi ước lượng 79

Hình 3.22 DOA của phương pháp LS-CMA 85

Hình 3.23 Tín hiệu đến và tín hiệu sau ước lượng LS-CMA 85

Hình 3.24 LS-CMA động 86

Hình 3.25 Hội tụ sử dụng hướng liên hợp 87

Hình 3.26 Tiêu chuẩn của số dư cho mỗi vòng lặp 90

Hình 3.27 Đồ thị dàn sử dụng phương pháp CGM 90

Hình 3.28 Kết quả đồ thị dàn sử dụng CGM MATLAB 91

Hình 3.29 Bộ thu SDMA 93

Hình 3.30 Hai mẫu chuỗi 2 pha mã giả pn 95

Hình 3.31 Đồ thị đổi tần cho 4 chip đầu 96

Hình 3.32 Biểu diễn dạng sóng qua bộ thu 99

Hình 3.33 So sánh bộ thu mới SDMA với dàn truyền thống tuyến tính 100

Hình 3.34 Tương quan 5 góc không gian tới bằng nhau 100

Hình 3.35 Điều chế bức xạ với ước lượng thu 101

Chương 1 - Kỹ thuật Ăngten thông minh

1.1 Khái niệm

Ăngten thông minh là một hệ thống bao gồm các phần tử ăngten cùng với bộ

xử lý tín hiệu số để truyền và nhận tín hiệu một cách thích ứng, có nghĩa là ăngten thông minh có thể tự động thay đổi đồ thị phương hướng của mình một cách chính xác hơn cho yêu cầu của quá trình thông tin

Một ăngten thông minh kết hợp những dãy ăngten với quá trình xử lý tín hiệu

số để cải thiện những đặc điểm chiếu xạ tiếp nhận và phát xạ tự động trong sự điều chỉnh lại tới môi trường tín hiệu Nó có thể tăng thêm dung lượng kênh, mở rộng phạm vi phủ sóng, lái nhiều chùm tia để theo dõi nhiều thuê bao di động, giảm bớt fading và nhiễu giao thoa

Hệ thống ăngten thông minh cần phân biệt tín hiệu mong muốn từ tín hiệu thu được và hướng của nguồn tín hiệu mong muốn

Ví dụ : những tín hiệu phát ra từ những máy di động đến các phần tử Ăngten

đựợc phân tích giúp xác định hướng sóng tới của nguồn tín hiệu Trên thực tế thì các phần tử Ăngten được phân bố tĩnh Việc xác định được hướng của nguồn tín hiệu là kết quả của việc tính toán tín hiệu nhận được từ những phần tử Ăngten và không có phần nào của Ăngten phải quay đổi hướng Công việc tính toán này đòi hỏi thực hiện theo thời gian thực (realtime) Ăngten thông minh có thể bám theo nguồn tín hiệu khi nó chuyển động Sự tính toán phức tạp và đòi hỏi thời gian đáp ứng nhanh dẫn đến việc phải gia tăng đáng kể công việc xử lý tại trạm phát sóng

1.2 Phân loại

Có nhiều loại ăngten thông minh đã và đang được nghiên cứu phát triển hiện nay

- Ăngten thông minh (Smart Antenna)

- Đa truy nhập phân chia theo không gian (SDMA)

- Mạng pha (phase array)

- Xử lý không gian (Spatial processing)

- Ăngten thích ứng (Adaptive Antenna)

Hệ thống ăngten thông minh thực chất là một hệ thống gồm nhiều ăngten cấu thành mạng, các ăngten thành phần đó hoàn toàn giống nhau, cấu trúc mạng ăngten rất đa dạng tuỳ theo mục đích như : kiểu tuyến tính , vòng tròn, khối…

Cho dù hình dạng và kiến trúc khác nhau nhưng tất cả đều phải đảm bảo các điều kiện:

Các ăngten thành phần phải như nhau về mọi mặt: tính chất vật lý, kích thước, khoảng cách giữa các phần tử…và biểu đồ hướng sóng của mỗi ăngten

- Không có sự tác động qua lại giữa các ăngten thành phần

- Không có sự biến đổi biên độ giữa các ăngten

- Tín hiệu thu được phải độc lập, có thể rời rạc hoá trên mặt phẳng sóng

Có thể chia ăngten thông minh thành hai loại chính sau:

- Ăngten thích ứng (Adaptive Antenna)

- Ăngten chuyển mạch chùm (Switched beam)

Phần tiếp theo sẽ đi vào phân tích nguyên lý hoạt động cụ thể của 2 loại ăngten trên

1.3.1.2 Đặc điểm và nguyên lý hoạt động

Nguyên lý hoạt động của các ăngten thông minh nói chung là tự động điều chỉnh nhằm hướng búp sóng cực đại về phía người dùng mong muốn, đồng thời cố

gắng loại bỏ các xuyên lẫn và nhiễu từ bên ngoài búp sóng chính (các búp còn lại nhỏ )

Hệ thống ăngten này xác định cường độ tín hiệu, chọn từ các chùm cố định, xác định trước ra một chùm và chuyển mạch từ chùm tia này sang chùm tia khác khi

mà đối tượng sử dụng di chuyển trong vùng phủ sóng Thay vì định dạng các búp sóng bằng cách thay đổi cấu trúc vật lý các chấn tử như kiểu ăngten định hướng, ăngten chuyển mạch chùm kết hợp đầu ra của nhiều ăngten thành phần một cách đặc biệt nhằm tạo ra các chùm quạt (định hướng) với độ nhạy không gian cao hơn các phương pháp một phần tử thông thường

Thay cho hình dạng thẳng của các ăngten mẫu, cùng với các đặc tính kim loại

và thiết kế vật lý của đơn thành phần, Ăngten chuyển mạch chùm bao gồm các ăngten một búp sóng chính (các búp còn lại nhỏ) cấu tạo nên các sector có độ định hướng cao Hình dạng của các búp sóng của ăngten này giống như cánh hoa xếp cố định, mỗi búp sóng sẽ được tạo ra trước bởi các thông số về góc pha, biên độ, tần

số Số lượng búp sóng phụ thuộc vào khoảng chia của các góc pha (Hình 1.1)

Hình 1.1: Đặc tuyến phủ sóng của Ăngten chuyển mạch chùm

Xử lý hướng lên: Ở đây giả thiết là có một ăngten chuyển mạch chùm được

lắp đặt ở một trạm nào đó (trạm gốc) Các thiết bị đầu cuối vô tuyến từ xa sẽ phát bằng cách dùng ăngten vô hướng Đến trạm gốc, sẽ tách biệt các tín hiệu mong muốn với nhiễu.Thông thường, tín hiệu thu được từ các phần tử ăngten phân bố trong không gian sẽ được nhân với một trọng số ,đây chính là sự điều chỉnh biên và pha.Các tín hiệu này được kết hợp để tạo ra mảng đầu ra Một thuật toán điều khiển

các trọng số này theo các mục đích xác định trước Với một hệ thống chuyển mạch chùm, tiêu chí này có thể là độ khuếch đại tối đa Còn với một hệ thống ăngten thích ứng, có thể còn phải xem xét đến nhiều yếu tố khác Việc tính toán động như vậy cho phép hệ thống có thể thay đổi được các mẫu bức xạ của nó để tối ưu hoá tín hiệu thu

Xử lý hướng xuống: Các hệ thống chuyển mạch chùm liên lạc với các đối

tượng sử dụng bằng cách thay đổi giữa các mẫu định hướng đặt trước, phần lớn dựa trên cường độ tín hiệu để lựa chọn búp sóng thích hợp nhằm cải thiện liên lạc với người dùng cuối

Về mặt đặc tuyến bức xạ ăngten chuyển mạch chùm chính là sự mở rộng của phương pháp sector hoá nhằm chia nhỏ các vùng phủ sóng Ăngten chuyển mạch chùm chia các sector lớn thành các sector nhỏ nhằm cải thiện phạm vi phủ sóng và dung lượng Mỗi sector nhỏ chứa một búp sóng cố định với độ nhạy được tập trung tối đa tại vùng trung tâm của búp sóng và tối thiểu ở các vùng khác.Tùy theo số búp sóng trong ăngten mà độ rộng mỗi búp sóng có thể là khác nhau Thiết kế này đòi hỏi các chấn tử phải có độ tăng ích cao và chùm búp sóng hẹp

Tại mỗi thời điểm làm việc, ăngten chuyển mạch chùm chọn trọng số các búp sóng cố định một búp sóng có cường độ tín hiệu lớn nhất cho người dùng mong muốn.Việc lựa chọn này được điều khiển bởi các tín hiệu cao tần (RF) hoặc bởi các thiết bị phần cứng và phần mềm xử lý số Khi một thuê bao di động đi vào một sector lớn, ăngten chuyển mạch chùm sẽ chọn sector nhỏ có tín hiệu lớn nhất để phục vụ thuê bao đó Trong suốt quá trình liên lạc hệ thống sẽ kiểm tra cường độ tín hiệu và thực hiện việc chuyển sang búp sóng khác khi cần thiết

1.3.1.3 Nhận xét

Ăngten chuyển mạch chùm sử dụng mạng ăngten trong đó các ăngten thành phần thu phát một cách độc lập, biểu đồ hướng ăngten sẽ thay đổi chuyển từ ăngten thành phần này sang ăngten thành phần khác để bám theo đối tượng khi thuê bao di chuyển Tuy nhiên dung lượng của hệ thống bị giới hạn vì phụ thuộc vào số bước

chia của góc, biểu đồ hướng sóng ăngten được xác định trước hoặc dưới dạng kết hợp (các sector) Hệ thống này tương đối đơn giản, dễ lắp đặt trong các hệ thống di động hiện nay Tuy nhiên hệ thống này vẫn còn một số nhược điểm như: dung lượng hệ thống phụ thuộc số lượng ăngten thành phần trong mạng ăngten, không tận dụng được tính chất đa đường để tăng cường tín hiệu…

1.3.2 Ăngten thích ứng

1.3.2.1 Khái niệm

Ăngten thích ứng là hệ thống bao gồm nhiều ăngten thành phần có búp sóng

có thể điều chỉnh được trong thời gian thực tuỳ theo yêu cầu độ lớn tín hiệu và vị trí của hướng truyền sóng

1.3.2 2 Đặc điểm và nguyên lý hoạt động

Ăngten thích ứng là loại ăngten thông minh nhất cho đến nay Bằng cách sử dụng nhiều thuật toán xử lý tín hiệu mới, nó có khả năng vượt trội hơn hẳn trong việc định vị, theo dõi và xử lý các loại tín hiệu nhằm giảm thiểu độ xuyên lẫn cũng như tăng tối đa cường độ tín hiệu cần nhận (Hình 1.2) Mặc dù cả ăngten chuyển mạch chùm và ăngten thích ứng cùng cố gắng tăng độ tăng ích, tuy nhiên chỉ có ăngten thích ứng là có thể cho một độ tăng ích tối ưu cùng với việc định vị , theo dõi và giảm thiểu xuyên lẫn (nhiễu)

Hình 1.2: Đặc tuyến phủ sóng của ăngten thích ứng

Yếu tố chính làm cho các hệ thống ăngten thông minh trở thành hiện thực chính là nhờ công nghệ kỹ thuật số Chúng ta đều biết so với tín hiệu tương tự thì tín hiệu số được truyền từ đầu phát đến đầu thu với một độ chính xác cực kỳ cao và

Nhiễu

độ suy giảm rất nhỏ Tín hiệu âm thanh dạng tương tự đã được các ăngten thông minh thu lại, điều chế để chuyển sang dạng tín hiệu số để truyền đi và điều chế lại thành dạng tương tự ở đầu nhận Trong hệ thống ăngten thích ứng khả năng này còn được hỗ trợ thêm bởi các kỹ thuật xử lý tinh xảo nhằm điều khiển sự phối hợp các ăngten một cách rất tinh vi phù hợp với điều kiện hoạt động Điều này làm cho ăngten thích ứng hoạt động hiệu quả hơn hẳn các loại ăngten thông minh khác

Sự khác nhau căn bản của ăngten chuyển mạch chùm và ăngten thích ứng thể hiện việc truyền tín hiệu hướng xuống Ăngten chuyển mạch chùm dựa vào cường

độ tín hiệu để lựa chọn búp sóng thích hợp nhằm cải thiện liên lạc với người dùng cuối Ngược lại, ăngten thích ứng cố gắng tìm hiểu sâu hơn môi trường cao tần (RF)

và thực hiện việc điều chỉnh liên tục đặc tuyến phát xạ của ăngten truyền tín hiệu một cách hiệu quả hơn

Nếu ăngten chuyển mạch chùm dựa vào cường độ tín hiệu tại mỗi thời điểm

để chọn một búp sóng thích hợp thì ăngten thích ứng lại dùng các dữ liệu môi trường vô tuyến (RF) để tối ưu hoá kết nối với người dùng Đặc tuyến phát xạ của ăngten thích ứng được điều chỉnh liên tục theo sự thay đổi của môi trường vô tuyến nhằm đảm bảo cho hoạt động của hệ thống là tối ưu

Ăngten thích ứng sử dụng kỹ thuật xử lý số để phân biệt tín hiệu mong muốn, tín hiệu do hiệu ứng đa đường và nguồn xuyên nhiễu, đồng thời tính toán xác định hướng xuất phát của các thành phần này Nó liên tục điều chỉnh đặc tuyến làm việc dựa vào sự thay đổi vị trí cũng như cường độ của cả tín hiệu lẫn xuyên nhiễu.Sự thay đổi liên tục như thế đảm bảo búp sóng lúc nào cũng hướng về phía tốt nhất, điều này làm cho ăngten thích ứng vượt trội hơn hẳn ăngten chuyển mạch chùm về mặt chất lượng hoạt động (sự thay đổi búp sóng trong ăngten chuyển mạch chùm là không liên tục) Hình1.3 miêu tả một ví dụ so sánh dạng búp sóng mà ăngten chuyển mạch chùm và ăngten thích ứng có thể chọn trong cùng một điều kiện giống nhau

Hình 1.3 So sánh búp sóng mà ăngten chuyển mạch chùm (trái) và ăngten thích ứng(phải) có thể chọn trong điều kiện tín hiệu người dùng và xuyên nhiễu giống hệt

1.3.2.3 Nhận xét

Thích ứng Chuyển mạch chùm

Thích ứng

Chuyển mạch chùm Định hướng

Định hướng

Môi trường xuyên lẫn cao

Ăngten thích ứng có biểu đồ hướng sóng không xác định, mang tính chất động và các biểu đồ hướng sóng ăngten đó có thể điều chỉnh theo thời gian thực Hệ thống này phức tạp hơn tuy nhiên lại có ưu điểm hơn vì nhờ tính chất động của hệ thống ăngten nên dung lượng của hệ thống có thể thay đổi một cách linh hoạt, khắc phục những nhược điểm của hệ thống trên như lợi dụng tính chất đa đường để tăng cường tín hiệu Một ưu điểm hơn hẳn so với hệ thống trên là hệ thống này có khả năng linh động hơn rất nhiều do nó có thể bám theo mục tiêu

1.4 Ưu - nhược điểm của ăngten thông minh

1.4.1 Ưu điểm :

- Tối thiểu hoá sự tác động của nhiễu và tạp âm

- Khả năng truyền tín hiệu trong môi trường nhiều chướng ngại vật Các ăngten thông minh có khả năng tự động điều chỉnh hướng đặc tuyến phủ sóng của mình sao cho phù hợp nhất với môi trường tín hiệu

- Sự biến đổi linh hoạt của biểu đồ hướng ăngten (là vấn đề mấu chốt cho việc điền đầy khoảng trống trong không gian phủ sóng)

- Cân bằng tải tuyến lên và xuống (là vấn đề mấu chốt làm tăng dung lượng

hệ thống) Không những làm tăng chất lượng tín hiệu mà còn làm tăng dung lượng hệ thống thông qua việc tăng khả năng tái sử dụng kênh tần

Độ tăng ích cao - Tín hiệu vào từ

nhiều ăngten được phối hợp để nâng

cao độ tăng ích từ đó tối ưu hoá

công suất phát yêu cầu đối với một

vùng phủ sóng nhất định

M ở rộng được vùng phủ sóng - Tập trung

năng lượng được phát đi trong phạm vi phủ sóng, làm tăng bán kính phủ sóng của trạm phát Yêu cầu công suất thấp hơn giúp cho tuổi thọ của nguồn dài hơn, cũng như kích thước thiết bị nhỏ gọn hơn

Ch ống xuyên lẫn - Tỷ số tín

hiệu/xuyên nhiễu (C/I) được nâng

cao nhờ giảm được số nguồn nhiễu

tác động lên búp sóng định hướng

Tăng dung lượng : Điều khiển chính xác

mức không của tín hiệu, giảm nhiễu, kết hợp với giảm khoảng cách tái sử dụng lại tần số sẽ làm tăng dung lượng Nhiều công nghệ thích ứng hỗ trợ khả năng tái sử dụng lại tần số trong cùng một vùng phủ sóng

Phân tập không gian: Các tín

hiệu từ ma trận ăngten được phối

hợp nhằm giảm thiểu hiệu ứng

fading và các ảnh hưởng khác của

hiệu ứng đa đưòng

Nâng cao khả năng chống hiệu ứng đa đường - Có thể giảm được tác dụng của

việc trễ trong kênh, cho phép nâng cao tốc

độ (bit rate) mà không cần dùng đến bộ cân bằng

Tối ưu hoá công suất phát: Kết

hợp tín hiệu vào của nhiều ăngten

nhằm tối ưu hoá độ tăng ích đường

xuống

Giảm chi phí: Giảm chi phí cho các bộ

khuếch đại, giảm mức tiêu thụ điện năng và nâng cao độ tin cậy cho hệ thống

Thích ứng với hầu hết các chuẩn

thông tin vô tuyến

Có thể áp dụng cho hầu hết các hệ thống thông tin di động sử dụng các chuẩn truy nhập FDMA,TDMA, CDMA hay các chuẩn song công FDD,TDD

Có tính trong suốt đối với mạng

lưới - Không bị giới hạn bởi một

phương thức điều chế hay giao

thức vô tuyến cụ thể nào

Cho phép tạo ra các sản phẩm và dịch vụ chất lượng cao và đưa lại cho các nhà cung cấp dịch vụ một khả năng cạnh tranh mạnh

1.4.2 Nhược điểm :

Các loại ăngten thông minh phải có các chấn tử như nhau về tính chất vật lý, kích thước, khoảng cách … nên khi chế tạo phải rất tỉ mỉ và chính xác dẫn đến khó khăn trong công nghệ chế tạo, do đó sẽ đẩy giá thành lên cao

1.5 Ứng dụng của ăngten thông minh

1.5.1 Ăngten thông minh trong mạng di động 3G

Tất cả các tiêu chuẩn điện thoại 3G sử dụng công nghệ CDMA (Code Division Multiple Access) CDMA chia phổ tần bằng cách xác định mỗi kênh vô tuyến trong một trạm thu phát và thuê bao bằng một mã số Thuê bao chỉ được nhận

ra bằng mã của mình, tín hiệu thu và phát từ những máy di động khác đối với một máy di động chính là nhiễu Cho nên càng nhiều điện thoại trong một vùng phủ sóng của trạm thu phát thì nhiễu càng nhiều Điều đó làm giảm số điện thoại di động mà trạm thu phát có thể phục vụ được

Ăngten thông minh giúp giảm nhiễu trong một ô bởi vì nó tăng công suất phát để duy trì tất cả các kênh vô tuyến từ trạm phát tới mọi thuê bao Điều này đặc biệt quan trọng khi nhu cầu tốc độ số liệu cao ngày càng tăng Một kênh vô tuyến tốc độ cao cần mức công suất cao gấp 10 lần một kênh thoại trong mạng GSM Tăng mức công suất để duy trì một kênh vô tuyến cũng có nghĩa là giảm khả năng phục vụ các thuê bao còn lại trong ô cũng như từ các ô liền kề

Ăngten thông minh giảm sự can nhiễu bằng 2 cách:

- Búp sóng của ăngten hướng chính xác đến thuê bao, do vậy công suất phát chỉ phát đúng đến hướng cần thiết

- Khả năng điều khiển tín hiệu định hướng, ăngten thông minh tránh phát tín hiệu về phía nguồn can nhiễu

Kết hợp những lợi ích của ăngten thông minh, hệ thống CDMA giảm được chi phí tính toán công suất, tăng dung lượng phục vụ

- Những đặc tính của ăngten: chiều cao, góc ngẩng, hướng…

- Số lượng, kích cỡ và cách bố trí ăngten thành phần trong ăngten thông minh

- Thuật toán điều khiển ăngten thông minh

- Thuật toán quản lý tài nguyên vô tuyến (RRM - Radio Resource Management)

Thuật toán quản lý tài nguyên vô tuyến rất quan trọng khi kết hợp những thuê bao số liệu (chuyển mạch gói) với những thuê bao thoại (chuyển mạch kênh) yêu cầu những mức chất lượng khác nhau (QoS)

1 6 Đa truy nhập phân chia theo không gian (SDMA)

Hệ thống anten thông minh cũng cho phép một trạm phủ sóng có thể liên lạc với 2 hay nhiều thuê bao sử dụng cùng một tần số khi sử dụng công nghệ đa truy nhập phân chia theo không gian (SDMA – Space Division Multiple Access), do đó cho phép hệ thống sử dụng các tài nguyên mạng hiệu quả hơn

Hình 1.5 Đa truy nhập phân chia theo không gian

Mô hình ăngten thông minh được điều khiển thông qua các thuật toán dựa trên các chỉ tiêu cho trước Các chỉ tiêu này có thể làm cho tỉ số tín hiệu trên tạp âm (SIR) cực đại, phương sai nhỏ, lỗi trung bình bình phương MSE (Mean Square Error) nhỏ, điều khiển hướng búp sóng theo tín hiệu mong muốn, triệt tiêu tín hiệu nhiễu, hiệu chỉnh máy di động di chuyển Mô hình ăngten (búp sóng) được định dạng bởi quá trình xử lý tín hiệu số, quá trình này coi như là định dạng búp sóng số (DBF - Digital Beam Forming)

Khi các thuật toán sử dụng là các thuật toán thích ứng thì quá trình xử lý này được coi như là định dạng búp sóng thích ứng Định dạng búp sóng thích ứng là một phạm trù con dưới chủ đề chung định dạng búp sóng số (DBF) DBF được áp dụng vào hệ thống rada, hệ thống định vị dưới mặt nước (rada siêu âm) và hệ thống truyền thông với một vài tên khác

Lợi ích lớn nhất của DBF là sự chuyển dịch pha và sự hiệu chỉnh bù dàn ăngten có thể thực hiện trên dữ liệu số hoá hơn là thực hiện trong phần cứng Ở phía thu, búp sóng được định dạng trong quá trình xử lý dữ liệu hơn là việc định dạng trong không gian Nếu các thông số vận hành thay đổi hoặc chỉ tiêu phát hiện được thay đổi, định dạng búp sóng có thể thay đổi bằng cách thay đổi đơn giản một thuật

toán hơn là thay thế phần cứng Nhìn chung định dạng búp sóng thích ứng rất có ích

và giải pháp định dạng búp sóng hiệu quả bởi vì định dạng búp sóng số chỉ đơn thuần gồm một thuật toán với việc tối ưu hoá mô hình anten theo môi trường điện từ trường thay đổi

Bộ thu phát

Bộ thu phát

Bộ

xử lý tín hiệu số

Lối ra

I Q

I Q

+ Bộ xử lý tín hiệu số

Trong một hệ thống ăngten DBF, các tín hiệu thu được tách sóng và số hóa ở mức phần tử Việc thu các thông tin RF ở dạng luồng số cho phép dùng các thuật toán và kỹ thuật xử lý tín hiệu để tách những thông tin từ dữ liệu miền không gian

Kỹ thuật DBF dựa trên việc thu các tín hiệu tần số cao (RF) tại các phần tử ăngten

và biến đổi chúng thành hai luồng tín hiệu nhị phân băng cơ sở (thành phần I và Q) Tích hợp bên trong các tín hiệu băng cơ sở là biên độ và pha của tín hiệu thu được ở mỗi phần tử của dãy Điều chỉnh búp sóng được tạo bởi việc tạo trọng số cho các tín hiệu này bằng cách điều chỉnh biên độ và pha của các tín hiệu sẽ thu được búp sóng mong muốn Quá trình này được thực hiện bằng bộ xử lý tín hiệu số Đó là một chức năng trước đây thường được thực hiện bằng việc sử dụng mạng điều khiển búp sóng tương tự và bây giờ được thực hiện bằng việc dùng một bộ xử lý tín hiệu số Phương pháp này gần như bảo toàn tất cả các thông tin tại góc mở, đó là sự khác biệt với định dạng và điều khiển bằng phương pháp tương tự Bởi vì phương pháp tạo búp sóng tương tự chỉ là tạo ra tổng trọng số của các tín hiệu và do đó làm suy hao kích thước tín hiệu từ Kthành một (hình 1.7)

Mạng điều khiển búp sóng tương tự

Búp sóng lối ra

x1

Hình 1.7 Bộ điều khiển búp sóng tương tự

Điểm mấu chốt của công nghệ này là việc biến đổi chính xác các tín hiệu tương tự thành miền số Điều này đạt được bằng việc sử dụng các máy thu đổi tần, các bộ thu này cần phải phù hợp chặt chẽ về cả biên độ và pha Sự phù hợp này

Búp sóng đầu ra

không cần phải thực hiện bằng việc điều chỉnh từ phần cứng Mà chỉ cần thực hiện quá trình chuẩn này để các giá trị của luồng dữ liệu được hiệu chỉnh trước khi tới bộ điều khiển búp sóng

Các bộ thu thực hiện các chức năng sau: Chuyển đổi tần số xuống tần số thấp, lọc và khuếch đại để mức của tín hiệu phù hợp với yêu cầu lối vào của các bộ biến đổi ADC Lợi ích chính đạt được từ việc định dạng và điều khiển búp sóng bằng phương pháp số là xử lý rất mềm dẻo mà không làm suy giảm tỷ số tín hiệu trên tạp âm(SNR) Trong một số cách, nó có thể được xem như là một ăngten tối

ưu, theo đó tất cả các thông tin tới bề mặt của ăngten được thu lại ở dạng nhiều luồng số Tất cả các thông tin này là có giá trị cho việc xử lý trong điều khiển búp sóng Có nhiều các cấu hình thiết bị có thể được sử dụng để thực hiện việc xử lý số

Từ cấu trúc điều khiển búp sóng được điều chỉnh bởi thủ tục phần mềm, có một dải rộng mềm dẻo nhiều loại búp sóng có thể được tạo ra, bao gồm búp quét, đa búp, búp hướng xác định, búp hướng không

Khi chúng ta kết hợp các phương pháp truy nhập đó thì bộ xử lý số có mức thông tin cao hơn với tính lính hoạt của nó, chúng ta nhận thấy rằng định dạng và điều khiển búp sóng số cho một số các đặc trưng ngoài khả năng của những mảng pha thông thường

1 Một số lượng lớn các búp sóng độc lập có độ định hướng cao có thể được thiết lập mà không làm suy giảm tỷ số tín hiệu trên tạp âm

2 Tất cả các thông tin đến ăngten dãy đều được sử dụng trong bộ xử lý tín hiệu do đó hiệu suất của hệ thống có thể được tối ưu hóa

3 Các búp sóng có thể được chỉ định cho từng người dùng, do đó đảm bảo rằng tất cả các liên kết đều hoạt động với hệ số tăng ích lớn nhất

4 Định dạng và điều khiển búp sóng thích ứng có thể dễ dàng được thực thi

để cải tiến dung lượng hệ thống bằng cách khử nhiễu đồng kênh Các thuật toán mà biểu diễn được ở dạng toán học thì có thể được ứng dụng Hơn nữa định dạng và điều khiển búp sóng thích ứng được sử dụng để các hệ thống tăng cường khả năng chống lại nhiễu đa đường

5 Các hệ thống DBF cho khả năng thực hiện chuẩn máy thời gian thực cho các hệ ăngten trong miền số Dó đó có thể làm giảm nhẹ yêu cầu phối hợp chặt chẽ của biên độ và pha giữa các bộ thu phát, do sự thay đổi các tham số này có thể được chỉnh chính xác trong thời gian thực

6 Định dạng và điều khiển búp sóng bằng phương pháp số có nhiều ưu điểm nổi trội khi được sử dụng trong các trạm truyền thông vệ tinh Nếu sau khi phóng vệ tinh, người ta phát hiện rằng cần phải nâng cấp bộ định dạng và điều khiển búp sóng thì một phần mềm thích hợp có thể được cập nhật từ xa tới trạm vệ tinh đó Điều này có nghĩa là tuổi thọ của trạm được tăng lên do bổ xung các bộ phận mới trong thời gian hoạt động trong khi dung lượng của trạm được nâng lên

Ngoài ra công nghệ định dạng và điều khiển búp sóng thích ứng được nhắc đến như là công nghệ ăngten thông minh trong một số tài liệu Việc dùng thuật ngữ

“smart” phản ánh khả năng của ăngten thích ứng với môi trường, hoạt động của nó Tên ăngten thông minh và ăngten thích ứng có thể hoán đổi cho nhau

1.8 Kết luận chương 1

Công nghệ ăngten thông minh có thể cải thiện một cách đáng kể về hoạt động cũng như tính kinh tế của các hệ thống thông tin liên lạc Nó cho phép các nhà cung cấp dịch vụ khả năng nâng cao chất lượng tín hiệu, dung lượng mạng cũng như vùng phủ sóng Tuỳ theo hoàn cảnh cụ thể mà các nhà cung cấp dịch vụ thường có các yêu cầu khác nhau trong việc phối hợp các lợi điểm này tại các thời điểm khác nhau Do đó ăngten thông minh chính là giải pháp kinh tế và linh hoạt nhất cho phép họ xây dựng cũng như nâng cấp cho hệ thống khi cần Hiện tại ăngten thông minh đã và đang được nghiên cứu triển khai trên hầu khắp thế giới Ích lợi của ăngten thông minh là điều không ai có thể nghi ngờ , tuy nhiên việc nghiên cứu để chế tạo các ăngten thông minh tinh xảo với giá thành hợp lý là vấn đề mà các nhà nghiên cứu sản xuất cũng như các nhà quản lý hệ thống trên thế giới đang đặc biệt quan tâm

Thông qua chương này ta có một số khái niệm về hệ thống ăngten thông minh, như thế nào là một hệ thống ăngten thông minh và nó được ứng dụng vào các mạng di động ra sao Có những loại ăngten thông minh nào, chúng có ưu khuyết điểm gì và giữa chúng có những điểm gì giống, khác nhau Trong phần tiếp theo tôi xin đi sâu vào trình bày kỹ thuật xác định hướng sóng tới (DOA)

Ch ương 2 - Kỹ thuật xác định hướng sóng tới (DOA) và một số

thu ật toán sử dụng để xác định hướng sóng tới

Việc ước lượng các góc sóng tới từ nhiều nguồn đóng vai trò quan trọng trong việc xử lý dàn bởi vì cả máy di động và trạm thu phát vô tuyến cơ sở có thể sử dụng ăngten dàn nhiều phần tử và việc xử lý tín hiệu dàn có thể làm tăng dung lượng và thông lượng của hệ thống một cách đáng kể Trong hầu hết các ứng dụng, ứng dụng số 1 là để xác định các DOA của các tín hiệu tới Kết quả ước lượng này

có thể được sử dụng để định vị nguồn tín hiệu Việc ước lượng DOA được xem như

là vấn đề chủ chốt trong xử lý tín hiệu dàn Trong chương 2 này chúng ta sẽ tập chung vào cơ sở lý thuyết của ước lượng DOA và một số phương pháp ước lượng DOA Để hiểu kỹ hơn về quá trình ước lượng DOA trước tiên chúng ta cùng tìm hiểu về dàn ăngten thích ứng Dàn ăngten thích ứng là một loại ăngten thông minh

2.1 Dàn ăngten thích ứng

Dàn ăngten thích ứng có nhiều dạng khác nhau, trong luận văn này tôi xin giới thiệu dàn ăngten đồng dạng tuyến tính ULA gồm nhiều phần tử giống nhau, được đặt thẳng hàng và cách đều nhau trong không gian Thông thường khoảng cách giữa hai phần tử ăngten trong dàn là d = 0.5λ trong đó λ là bước sóng của tín hiệu

Hình 2.1 Dàn ăngten ULA gồm các phần tử cách đều nhau đặt dọc theo trục x

Hướng sóng tới

Hình trên là một dàn ăngten thích ứng gồm các chấn tử được sắp xếp định

hướng theo trục x, khoảng cách các phần tử là d Các chấn tử đối xứng có độ dài l

=λ/2, có bán kính tiết diện a rất nhỏ so với bước sóng λ Sóng phẳng được phát ra từ

một nguồn phát nào đó sẽ đi tới dàn ăngten từ hướng (θ,φ) Với θ là góc ngẩng còn

φ là góc phương vị Sóng tới lan truyền theo phương pháp sóng mặt nên có thể xấp

xỉ θ= π/2

Để đơn giản trong việc phân tích ta giả thiết:

- Khoảng cách giữa các phần tử ăngten là đủ nhỏ so với khoảng cách từ

nguồn phát đến ăngten thu để với cùng một nguồn phát ta có thể coi các

tia sóng tới là song song và biên độ tín hiệu nhận được trên các phần tử là

như nhau

- Bỏ qua sự tương hỗ giữa các phần tử trong dàn ăngten

- Tất cả những trường sóng tới đều có thể chia thành một lượng các mặt

phẳng sóng rời rạc Như vậy, số tín hiệu đến ăngten sẽ là hữu hạn

2.2 Cơ sở lý thuyết chung của ước lượng DOA

Xét một ăngten đồng dạng tuyến tính với M chấn tử ta giả thiết cần xác định

hướng sóng tới của K sóng tới từ K nguồn độc lập trong dải tần phát sóng hẹp Với

điều kiện K<M (hình 2.2.)

Ta có k = 1 ,K

m = 1,M

Trên mỗi máy thu ta đều nhận được K tín hiệu sóng tới cùng với nhiễu Xét

đầu ra của máy thu thứ m ta có:

am(ϕk) là vecto chỉ phương của sóng tới k

sk(t) là tín hiệu thứ k

nm(t) là nhiễu thu được trên máy thu m

Hình 2.2 Dàn ăngten đồng dạng tuyến tính ULA có M chấn tử và K sóng tới

Ta gọi U(t) là tổng các tín hiệu nhận được tại đầu ra của M chấn tử dàn ăngten ULA thì ta thu được:

()

Um(t)= [ um1(t) um2(t) umK(t) u mM(t) ] (2.5) A(ϕ) là ma trận các vecto chỉ phương, thu được ở đầu ra máy thu và là ma trận MxK chiều mang thông tin về góc pha của tín hiệu sóng tới

A(ϕ) = [ a(ϕ1) a(ϕ2) a(ϕk) a(ϕK)] (2.6)

với: a(ϕk) = [ 1 exp(-j∆ϕk) exp(-j2∆ϕk) exp[-j(M-1)∆ϕk] ]T (2.7)

∆ϕk = ω∆t = (ω∆Lk/c) = (

c

d

f

2π sinϕk ) =

λ

π d

2 sinϕk (2.8)

S(t) là vecto hàm chứa biên độ đường bao phức của K tín hiệu đầu ra

S(t) = [ s1(t) s2(t) …sk(t) … sK(t) ]T (2.10) Sk(t) là đường bao phức băng tần gốc của sóng tới thứ k

N(t) là vecto nhiễu nhận được ở đầu ra của máy thu

N(t) = [n1(t) n2(t) … nm(t) … nM(t)]T (2.11) Vậy tín hiệu nhận được ở đầu ra của dàn ăngten bao gồm ba thành phần chính là:

- Thành phần mang thông tin về góc pha của tín hiệu sóng tới A(ϕ)

- Thành phần chứa biên độ đường bao phức của K tín hiệu S(t)

- Thành phần nhiễu N(t)

Theo trên ta thấy tín hiệu tới mỗi dàn ăngten thích ứng sẽ được mô hình hoá bao gồm 3 thành phần chính và tuỳ vào từng thuật toán cụ thể mà ta có các phương pháp để ước lượng hướng sóng tới của tín hiệu mong muốn Dưới đây là một số thuật toán sử dụng ước lượng góc pha của tín hiệu sóng tới

2.3 Một số thuật toán ước lượng hướng sóng tới DOA

2.3.1 Xác định DOA cho dàn ăngten thích ứng

2.3.1.1 Trường hợp có 1 sóng tới và dàn ăngten có 2 chấn tử

Trước tiên ta khảo sát trường hợp đơn giản:có một sóng tới x(t) và dàn ăngten thu chỉ có 2 phần tử ăngten với 2 máy thu

Với giả thiết sóng tới x(t) là sóng phẳng đơn sắc, các tia sóng tới 2 ăngten là x1(t) và x2(t) song song và có biên độ xấp xỉ bằng nhau, và nằm trong một băng tần hẹp

Gọi: ∆t là khoảng thời gian sóng tới đi hết đoạn đường L

Φ là pha ngẫu nhiên phát sinh trong quá trình truyền sóng

Hình 2.3 Dàn ăngten ULA trong trường hợp có 2 chấn tử và có 1 sóng tới

Ta có tín hiệu RF ở đầu vào 2 máy thu là:

2π sinϕ1 ) =

λ

π d

Từ công thức trên ta thấy, để xác định hướng sóng tới ta cần xác định sai pha

∆ϕ của tín hiệu thu được ở hai phần tử thu (là sai pha do khoảng cách giữa các phần tử dàn tạo ra) Khi đó có thể xác định hiệu khoảng cách ∆L

2.3.1.2 Trường hợp có K sóng tới và M chấn tử (K<M)

Trường hợp này ta cũng đã trình bày ở phần trên (mục1) Tín hiệu tổng hợp thu được ở đầu ra là:

Với A(ϕ) là thành phần mang thông tin về góc pha của tín hiệu sóng tới

S(t) là thành phần chứa biên độ đường bao phức của K tín hiệu

N(t) là thành phần nhiễu

Đây là cơ sở để xây dựng các thuật toán ước lượng hướng sóng tới của tín hiệu Dưới đây là một số thuật toán tiêu biểu dùng để ước lượng DOA của tín hiệu

2.3.2 Một số thuật toán ước lượng hướng sóng tới:

2.3.2.1 Thuật toán ước lượng góc đến bằng ma trận Bartlett

Đây là kỹ thuật do Bartlett đưa ra, và được coi là kỹ thuật cổ nhất trong việc ước lượng DOA cho nguồn tín hiệu Trong phương pháp này ta lái dàn ăngten theo một hướng nhất định tại một thời điểm và đo công suất đầu ra Hướng mà có công suất đầu ra lớn nhất thì xác định đúng DOA của nguồn tín hiệu đến

Ước lượng DOA được xác định bằng việc chọn dỉnh cao nhất của phổ công suất sau [5]:

P(ϕ) =

)()

(

)(.)

(

ϕ ϕ

ϕ ϕ

a a

a R a

H uu H

(2.23) Trong đó - P(ϕ) là công suất của nguồn tín hiệu đến với góc tới ϕ

- a(ϕ) vecto chỉ phương

- Ruu ma trận tự tương quan của tín hiệu thu được u(t)

Phương pháp này chỉ thật sự chính xác khi số nguồn tín hiệu là 1 Khi số nguồn lớn hơn một và khoảng cách giữa các nguồn là nhỏ thì việc phát hiện các nguồn tín hiệu không còn chính xác nữa [5]

2.3.2.2 Thuật toán ước lượng phổ [5]

Ước lượng phổ là một trong những kỹ thuật ước lượng DOA đơn giản nhất Nếu ta ước lượng được ma trận tự tương quan đầu vào và biết các vecto chỉ phương a(ϕ) thì có thể xác định được công suất tín hiệu thu được tổng cộng ở đầu ra theo hàm của góc tới (DOA) Ở đây giá trị góc ϕ ứng với giá trị cực đại (đỉnh) của hàm phổ công suất:

L

A R

(2.24)

Trong đó: - P(ϕ) là hàm phổ công suất trung bình theo góc tới

- A(ϕ) là vecto chỉ phương

- L là số mẫu quan sát

Nhận xét: Phương pháp này chịu ảnh hưởng của các búp bên, chúng sẽ làm tăng tín hiệu nhiễu vì có nhiều giá trị đỉnh trong hàm, vấn đề là ta phải chọn được giá trị đỉnh nào trong tập các giá trị đó

2.3.2.3 Thu ật toán ước lượng Capon

Đây là một thuật toán do Capon đưa ra [5] Đây là một kỹ thuật tạo chùm được phát triển để khắc phục hiệu năng thấp của phương pháp tạo chùm thông

thường khi có nhiều nguồn sóng băng tần hẹp từ các DOA khác nhau Phương pháp này có thể áp dụng được với các nguồn độc lập và băng hẹp, tuy nhiên tín hiệu đầu

ra của dàn ăngten thu được sẽ gồm có tín hiệu mong muốn và tín hiệu không mong muốn từ các ước lượng DOA khác Capon đã giảm đến mức tối thiểu sự kết hợp giữa tín hiệu DOA không mong muốn bằng cách tối ưu tổng tín hiệu đầu ra trong khi khuếch đại tín hiệu chính tìm thấy

Trước tiên ta tính vecto trọng số theo công thức

WC =

)(.)

(

)(.1

1

ϕϕ

ϕ

a R a

a R

ss H

Ỏ đây: Rss là ma trận tự tương quan của tín hiệu phát

a(ϕ) là vecto hướng mang thông tin về góc pha của tín hiệu tới

a(ϕ) = [1, e-j(2π/λ)dcosϕ , …, e-j(2π/λ)d(M-1)cosϕ ]T

(2.27)Các DOA ở đây có thể được tìm thấy từ K đỉnh cao nhất từ phổ công suất của phương trình trên Tuy nhiên phương pháp này vẫn còn hạn chế là phụ thuộc vào số phần tử của dàn ăngten và SNR của tín hiệu Và phương pháp này cũng không thể xác định được với các nguồn tương quan

2.3.2.4.Thu ật toán khả năng lớn nhất MLM (Maximum Likehood Method)[5]

Đây là thuật toán tối đa hoá hàm Log – likehood ước lượng DOA từ một bộ mẫu chuỗi cho trước Hàm Likehood được cho bởi hàm mật độ xác suất của dữ liệu

từ các thông tin về DOA [5]:

F(x)= exp( 1 ( ) ( ) ( ) )

).det(

2 1

M

i

t s A t x

σσ

- A(ϕ) là vecto chỉ phương

- x(ti) là tín hiệu nhận được tại đầu ra của phần tử thứ i

- s(ti) là tín hiệu tại đầu ra của phần tử thứ i Khi SNR nhỏ hoặc số tín hiệu nhỏ , các biến không tương quan, thuật toán khả năng cực đại là tốt hơn hẳn các thuật toán khác

2.3.2.5 Thu ật toán phân loại tín hiệu đa đường MUSIC (MUltiple SIgnal Classification)[5]

MUSIC là thuật toán phân loại tín hiệu đa đường, dựa trên không gian con,

sử dụng các phép toán ma trận để tìm ra DOA bằng cách xử lý, phân loại các nguồn tín hiệu đi tới từng phần tử ăngten theo góc độ không gian Thuật toán này còn cung cấp thông tin về cường độ, tương quan chéo của chúng và công suất nhiễu

Do vậy, yêu cầu khối lượng tính toán lớn, độ chính xác của kích cỡ dàn cao

và cần được điều chỉnh bằng thực nghiệm

Ta có ma trận tự tương quan của vecto tín hiệu U(t) là:

)()

(

1

(2.30) Hay

E[N.NH] = σ2.I

Từ đó ta có Ruu = A.Rss.AH+ σ2.I

Với: Ruu là ma trận tự tương quan

A thành phần mang thông tin về góc pha của tín hiệu sóng tới

σ2 là năng lượng tạp âm

I là ma trận đơn vị có kích thước KxK

Sau khi đã có ma trận tự tương quan của vecto tín hiệu thu U(t), ta sẽ xác định các giá trị riêng, phân loại tín hiệu và nhiễu thu được thành hai không gian con: không gian con tín hiệu và không gian con nhiễu Cuối cùng là đi tìm các giá trị đỉnh của phổ công suất MUSIC

2.3.2.6 Thuật toán ước lượng các tham số của tín hiệu dựa trên các kỹ thuật

b ất biến quang- ESPRIT

Thuật toán ESPRIT (Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques) là phương pháp ước lượng DOA thiết thực và hiệu quả trong việc tính toán Nó gồm hai dàn con đồng nhất (identical subarray) chứa các phần tử ăngten giống nhau Hai phần tử tạo thành một cặp xác định một vecto lái đồng nhất Trong thuật toán này số cặp phụ thuộc vào sự chồng lên nhau của hai dàn con Ví dụ như dàn ăngten ULA với M chấn tử , sẽ có số cặp không chồng lên nhau bằng nửa số phần tử : M = 2m (hình 2.4), trong đó m là số cặp

Hình 2.4 Hai dàn con đồng nhất không chồng lên nhau với mỗi dàn M/2 chấn

Nếu các chấn tử của hai dàn chồng lên nhau thì số cặp là lớn nhất (m = M-1) như (hình 2.5) So với thuật toán MUSIC thì thuật toán ESPRIT không yêu cầu phải xác định toàn bộ số vecto hướng trong ước lượng DOA Ngoài ra ESPRIT làm giảm khả năng tính toán phức tạp và yêu cầu bộ nhớ, nên có khả năng thực hiện trong thời gian thực

Hình 2.5 Hai dàn con chồng lên nhau với mỗi dàn M-1 phần tử

Xét dàn ăngten ULA chứa M chấn tử gồm 2 dàn con không chồng lên nhau Khi đó tín hiệu nhận được ở cặp thứ i gồm 2 tín hiệu là Y và Z tương ứng với mỗi phần tử của cặp:

Trong đó: - Ny, Nz là các vecto nhiễu

- Φ là ma trận KxK chứa thông tin về ước lượng DOA

Và Φ được xác định như sau:

Để xác định được DOA thì trước tiên ta phải xác định được Φ , và ma trận Φ được xác định qua phương trình sau:

.)

(

)(

t N t S A N

N t S A

A t

Z

t Y

G z

RGG = GsAsGsH + GnAnGnH (2.39) Với - AS và GS là giá trị riêng và vecto riêng của không gian con tín hiệu

- An và Gn là giá trị riêng và vecto riêng của không gian con nhiễu

Hạng của RGG là K bởi vì nguồn là không tương quan và

span{ }A =span{ }G s (2.40)

Từ đó xác định duy nhất một ma trận T:

T A

AT ΨT-1 = AΦ (2.46) Hay

Từ phương trình (2.45) sau khi ta xác định được Ψ thì ta sẽ xác định được Φ

và ta suy ra được các góc DOA tương ứng

2.3.2.7 Kết luận

Ở trên đã trình bày về một số thuật toán ước lượng DOA đã và đang được nghiên cứu, xem xét trên thế giới, ngoài các thuật toán trên còn một số thuật toán khác chưa đề cập đến do thời gian có hạn như: thuật toán Entropy lớn nhất, thuật toán Reddi, thuật toán Root Music

Trong khuôn khổ của luận văn này, tôi xin đi sâu nghiên cứu thuật toán MUSIC để thấy rõ ưu điểm của thuật toán độ phân giải cao trong ước lượng hướng sóng tới DOA

2.4.1 Thuật toán MUSIC ước lượng DOA

2.4 1.1 Thuật toán MUSIC

Giả sử có K sóng tới dàn ăngten M chấn tử, thì trong phần trước đã trình bày biểu thức của tín hiệu thu được tổng cộng là:

()