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

Các hệ thống anten ở trạm gốc sử dụng kỹ thuật này có thể lựa chọn đúng tín hiệu mong muốn, từ đó xác định được hướng đến của tín hiệu và chỉ bức xạ một búp sóng hẹp theo đúng hướng đó t

NGUYỄN HÀ DUY

ỨNG DỤNG KỸ THUẬT BÚP SÓNG SỬ DỤNG ANTEN MẢNG CHO HỆ THỐNG

THÔNG TIN TẾ BÀO

Ngành: Kỹ thuật điện tử - viễn thông

Chuyên ngành: Kỹ thuật vô tuyến điện tử

và thông tin liên lạc

Mã số: 2.07.00

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS Trịnh Anh Vũ

Hà Nội-2008

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤCLỤC iii

DANH MỤC HÌNH VẼ … v

DANH MỤC BẢNG ….……….……… ….vi

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ………….……… ……… vii

MỞ ĐẦU ………… ……… ……… 1

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

1.1 Giới thiệu……… ……… …………3

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

1.2.1 Kỹ thuật búp sóng……… …………5

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

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

1.4 Tổng kết chương ……… … ……… 15

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

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

2.2 Búp sóng thích nghi……….………21

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

2.3 Tổng kết chương……….…….43

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

3.1 Giới thiệu ……… …….………44

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

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

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

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

3.3.1 Thuật toán MUSIC ……… ……… 51

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

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

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

3.3.3 Thuật toán ESPRIT 60

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

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

3.5.1 Các kỹ thuật làm mượt không gian 68

3.5.2 MUSIC đa chiều 70

3.6 Ước lượng số lượng tín hiệu đến 71

3.7 Tổng kết chương 73

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

4.1 Tham số CIR 76

4.2 Các chương trình mô phỏng tính toán CIR 78

4.3 Các kết quả mô phỏng 83

4.4 Tổng kết chương 87

KẾT LUẬN 88

TÀI LIỆU THAM KHẢO 90

PHỤ LỤC 92

DANH MỤC HÌNH VẼ

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

Hình 1-2 Anten Sector và vùng phủ sóng 4

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Hình 2-5 Hệ anten mảng tuyến tính 25

Hình 2-6 Mảng hai phần tử đẳng hướng 28

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

Hình 2-8 Bộ tạo búp sóng thích nghi 31

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

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

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

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

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

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

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

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

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

76

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

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

Hình 4-4 Biểu đồ quá trình mô phỏng 80

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

Hình 4-6 Cải thiện tham số CIR ……… 84

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

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

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

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

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

của Akaike

BER Bit Error Rate – Tỉ lệ lỗi bit

BTS Base Transceiver Station – Trạm thu phát gốc

CDMA Code Division Multiple Access – Đa truy nhập phân mã

muốn và tổng công suất tín hiệu giao thoa đồng kênh

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

DFT Discrete Fourier Transform – Biến đổi Fourier rời rạc

ESPRIT Estimate of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques -

Ước lượng tham số tín hiệu thông qua các kỹ thuật bất biến luân phiên FDMA Frequency Division Multiple Access - Đa truy cập phân chia theo mã

FFT Fast Fourier Transform – Biến đổi Fourier nhanh

LCMV Linearly constrained Minimum variance - Phương sai nhiễu đầu ra

nhỏ nhất

Rissanen

nhất

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

nhất

MUSIC MUltipe Signal Classification – Phân loại tín hiệu đa đường

phương sai nhỏ nhất

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

số trực giao

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

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

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

tạp âm

mẫu nhỏ nhất

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

truy nhập theo mã đồng bộ phân kênh theo thời gian

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

di động UMTS

MỞ ĐẦU

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

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

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

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

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

tin di động, nên em đã chọn đề tài: “ứng dụng kỹ thuật búp sóng sử dụng anten

mảng cho hệ thống thông tin tế bào” Đề tài được bố cục thành 4 chương, với các

nội dung như sau:

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

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

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

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

Nguyễn Hà Duy – K11 Đ2

trọng số để có thể tạo búp sóng đầu ra theo mong muốn, do vậy tiêu chuẩn để chọn các trọng số sao cho đầu ra tối ưu cũng được nghiên cứu

Chương 3: Nghiên cứu các thuật toán ước lượng hướng đến của tín hiệu (DOA) Đây là một bước rất quan trọng trong các hệ thống anten sử dụng kỹ thuật

búp sóng Sử dụng các thuật toán ước lượng hướng đến có thể xác định chính xác hướng của thuê bao di động tại mọi thời điểm, để từ đó sử dụng các bộ tạo búp sóng

để tạo các búp sóng đầu ra theo đúng hướng mong muốn

Chương 4: Ứng dụng kỹ thuật búp sóng vào hệ thống thông tin tế bào Chương

này trình bày một số kết quả mô phỏng bằng matlab để chỉ ra rằng đối với hệ thống

có sử dụng kỹ thuật búp sóng sẽ cải thiện được chỉ số CIR so với các hệ thống không sử dụng kỹ thuật búp sóng Từ đó, có thể tăng dung lượng cũng như chất lượng của hệ thống

Cuối cùng là phần kết luận đưa ra một số đánh giá dựa trên quan điểm của học viên về các kết quả đạt được trong bản luận văn

Với bố cục nội dung như vậy, luận văn về cơ bản đã nghiên cứu các khía cạnh liên quan đến công nghệ búp sóng trong hệ anten mảng Việc nghiên cứu công nghệ này thực sự gặp rất nhiều khó khăn do liên quan tới nhiều tham số của môi trường

vô tuyến, vốn là môi trường hở và có tính ngẫu nhiên, đòi hỏi hàm lượng tính toán cũng như khối lượng kiến thức cơ bản lớn Vì vậy, tuy đã rất cố gắng thực hiện nhưng do hạn chế về thời gian cũng như trình độ, chắc chắn bản luận văn sẽ không tránh khỏi những thiếu sót, học viên rất mong quý thầy cô và các bạn đọc quan tâm, đóng góp ý kiến để luận văn được hoàn thiện hơn

Nguyễn Hà Duy – K11 Đ2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT BÚP SÓNG 1.1 Giới thiệu

Kỹ thuật búp sóng là một trong các kỹ thuật được nghiên cứu sử dụng trong hệ thống anten dùng trong mạng truyền thông không dây Kỹ thuật này được phát triển

từ các bộ lọc không gian đã được thiết kế trước đó nhằm mục đích lựa chọn đúng tín hiệu mong muốn trong số các tín hiệu mà nó nhận được Các hệ thống anten ở trạm gốc sử dụng kỹ thuật này có thể lựa chọn đúng tín hiệu mong muốn, từ đó xác định được hướng đến của tín hiệu và chỉ bức xạ một búp sóng hẹp theo đúng hướng

đó (thậm chí khi hướng có bị thay đổi, tức là khi người sử dụng di chuyển, búp sóng

đó cũng bám theo người sử dụng) qua đó có thể giảm nhiễu giao thoa, cũng như tạo

ra một số ưu điểm nổi bật khác mà luận văn sẽ trình bày trong chương này

Có hai nhân tố cần xem xét đối với đường truyền vô tuyến là:

• Công suất thu

• Mức tín hiệu đối với nhiễu và tạp âm (SNIR-Signal to Noise and Interference Ratio)

Từ những ngày đầu của truyền thông không dây, các loại anten lưỡng cực đơn giản, phát xạ và thu cho chất lượng như nhau ở mọi hướng Các hệ thống anten đẳng hướng này không hề biết vị trí hay phương hướng của người sử dụng nên để tìm kiếm người dùng, phần tử đơn này phát quảng bá tín hiệu theo mọi hướng, tương tự như các gợn sóng đẩy ra xa ở trong bể nước khi ta ném một hòn đá vào đó Điều này làm cho các tín hiệu bị phân tán, không tập trung, do đó các tín hiệu này truyền tới đúng người dùng chỉ với một lượng nhỏ trong tổng năng lượng mà anten bức xạ ra trong môi trường, gây lãng phí và nhiễu cho những người sử dụng khác Hình vẽ 1.1 dưới đây miêu tả mô hình phủ sóng của một anten đa hướng, nhìn theo hướng ngang và hướng đứng

Nguyễn Hà Duy – K11 Đ2

Hình 1.1: Anten đẳng hướng và mô hình phủ sóng

Để khắc phục sự hạn chế này, mức công suất của tín hiệu mà anten đẳng hướng bức xạ ra môi trường được tăng lên Tuy nhiên, với số lượng người dùng lớn thì điều này gây trở ngại bởi tín hiệu có thể không đến được đúng người dùng do sự giao thoa Hơn nữa, anten đẳng hướng cũng không thể phân tách được tín hiệu nhiễu với tín hiệu người dùng cũng như không thể hạn chế hiệu ứng đa đường, gây bất lợi về hiệu suất phổ cũng như giới hạn việc tái sử dụng tần số

Khi yêu cầu phải thêm các vị trí máy phát mới, nhiều trạm anten truyền thống đã phân tách thành các tế bào (cell) Một vùng 360° được chia thành 3 vùng con 120°, mỗi một anten sector bức xạ toàn bộ công suất theo hướng của mình, các anten sector sẽ giảm lãng phí năng lượng, cũng như giảm giao thoa so với hệ thống anten đẳng hướng Tuy nhiên vẫn gây lãng phí năng lượng và giao thoa vì trong một vùng

Những công nghệ sử dụng trong điện thoại di động thường điều khiển công xuất phát để đảm bảo phía thu nhận được tín hiệu rõ ràng Nếu như thuê bao ở xa trạm phát thì công suất được nâng lên để duy trì kết nối Nhưng đôi khi công suất không

đủ và cuộc gọi bị rơi Còn nếu ở khoảng cách gần, công suất phát được giảm Chất lượng của cuộc gọi phụ thuộc rất lớn vào công suất phát

Để khắc phục những hạn chế của hệ thống anten thông thường, một số kỹ thuật

đã được nghiên cứu, một trong số đó là kỹ thuật búp sóng Kỹ thuật này cho phép xác định đúng tín hiệu của người sử dụng từ các tín hiệu mà nó thu được, bao gồm

cả các tín hiệu của những người sử dụng khác

1.2.Tổng quan về kỹ thuật búp sóng

1.2.1.Kỹ thuật búp sóng

Để hiểu về kỹ thuật búp sóng, ta hãy tưởng tượng về việc định hướng âm thanh của con người Con người có hai tai để nghe (thu tín hiệu), mồm để nói (phát tín hiệu) và bộ não để suy nghĩ - định hướng (xử lý, phân tích tín hiệu)

Hãy tưởng tượng bạn đang đứng ở một cánh đồng và nhắm mắt lại Một người ở đằng xa nói với bạn Để nghe rõ nhất người đó nói gì thì bạn phải quay về phía người đó Bạn có thể xác định vị trí của người nói nhờ vào sự khác nhau về trễ của

âm thanh mà hai tai của bạn nghe thấy Bộ não sẽ phân tích sự khác nhau này và chỉ cho bạn chính xác hướng của nguồn âm phát ra Như vậy bạn có thể quay đúng về hướng để bạn và người nói chuyện cùng có thể nghe rõ nhất Lời nói của bạn phát ra đúng với hướng của nguồn âm thanh mà bạn nghe được

Một trường hợp khác, bạn đang đứng ở trong một hội trường đông người Phía bên kia của hội trường có một người đang cố gắng nói chuyện với bạn bằng cách gọi to tên của bạn Bạn có thể nghe được người đó nói gì vì tiếng gọi đủ lớn để bạn nghe thấy và một điều rất quan trọng là bạn nhận ra tên của mình (đó chính là mã số của bạn) Não của bạn sẽ giải mã thông tin từ một mớ những tạp âm ồn ào Bạn quay về phía tiếng gọi và nói to để trả lời Bằng cách này, bạn đã cộng thêm tiếng

Nguyễn Hà Duy – K11 Đ2

ồn vào trong những âm thanh của hội trường và làm cho những cuộc hội thoại của những người khác rất khó nghe

Thật tốt cho tất cả mọi người đang nói chuyện trong hội trường nếu bạn có thể nói chuyện với bạn của mình mà không cần phải nói to Chỉ có thể thực hiện điều này nếu người bạn của bạn được trang bị thiết bị nghe lén với độ nhạy cao cùng với micro định hướng Khi đó bạn chỉ cần thì thầm cũng đủ cho bạn của mình nghe thấy

Hình 1.3 Vùng phủ sóng của anten sử dụng kỹ thuật búp sóng

Ý tưởng của kỹ thuật búp sóng là sử dụng giản đồ anten trạm gốc không cố định,

mà biểu đồ bức xạ được biến đổi phù hợp với các điều kiện truyền sóng hiện tại và

có thể tạo ra các búp sóng theo ý muốn trong giản đồ anten Bằng cách khuyếch đại

độ tăng ích anten theo hướng có thông tin mong muốn, đồng thời tạo ra giản đồ với hướng phát xạ nhỏ (thậm chí tới 0) về phía vật gây nhiễu, kỹ thuật búp sóng có thể giúp tránh được tối đa những nguồn nhiễu không mong muốn, đồng thời tăng khả năng thu thông tin hữu ích, từ đó làm cho chất lượng của tuyến kết nối thông tin có thể được cải thiện một cách đáng kể, với nhiều lợi điểm khác nhau Điều này có thể hình dung như một anten chỉ hướng búp sóng về phía thành phần được liên lạc Cũng giống như cách phân tích của bộ não về sự khác nhau giữa âm thanh thu được ở hai tai, những tín hiệu phát ra từ những máy di động đến các anten thành phần được phân tích giúp xác định hướng của nguồn tín hiệu Trên thực tế thì các anten thành phần được phân bố tĩnh Việc xác định được hướng của nguồn tín hiệu mong muốn là kết quả của việc tính toán tín hiệu nhận được từ tất cả các anten Nguyễn Hà Duy – K11 Đ2

thành phần, và không có phần nào của anten phải quay đổi hướng cả Công việc tính toán này đòi hỏi thực hiện theo thời gian thực (realtime) để hệ thống anten này có thể xác định được hướng của tín hiệu đến, từ đó sử dụng các phép tính giúp tạo một búp sóng hẹp bám theo nguồn tín hiệu khi nó chuyển động

Việc hệ thống anten này phát tín hiệu bám theo khi nguồn tín hiệu di chuyển cũng giống như việc chiếu đèn vào các diễn viên trên sân khấu Nếu như đèn chiếu rộng thì rất ít ánh sáng chiếu đúng vào người diễn viên Bằng một đèn chiếu tập trung, hầu như toàn bộ ánh sáng chiếu đúng phần cần thiết, những khu vực còn lại thì tối qua đó tăng hiệu dụng công suất phát sáng, cũng như tránh chiếu ánh sáng vào những nơi cần bóng tối

Kỹ thuật búp sóng là kỹ thuật được sử dụng trong hệ thống gồm nhiều anten thành phần, gọi là anten mảng (antenna array), qua đó hướng búp sóng theo hướng mong muốn Cấu trúc anten mảng rất đa dạng tuỳ theo từng mục đích như: kiểu tuyến tính, vòng tròn, hai chiều, khối Cho dù hình dạng và kiến trúc khác nhau nhưng tất cả đều phải đảm bảo các điều kiện sau:

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

• Không có sự tác động qua lại giữa các anten thành phần

• Không có sự biến đổi biên độ giữa các anten

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

Hình 1.4 Sơ đồ khối của anten mảng M phần tử

Nguyễn Hà Duy – K11 Đ2

Hình 1.4 ở trên chỉ ra sơ đồ khối của một anten mảng, tại đây mỗi tín hiệu thu được tại các phần tử anten được xử lý, đánh trọng số từng tín hiệu sau đó kết hợp lại

để tạo thành tín hiệu đầu ra theo mong muốn

Công việc tính toán phức tạp và đòi hỏi thời gian đáp ứng nhanh dẫn đến việc phải gia tăng đáng kể công việc xử lý ở tại trạm phát sóng

1.2.2 Phân loại các kỹ thuật búp sóng

Các kỹ thuật búp sóng được phân vào hai loại chính, đó là:

• Búp sóng chuyển mạch (Switched beam)

• Búp sóng thích nghi (Adaptived beam)

Búp sóng chuyển mạch:

Búp sóng chuyển mạch là một kỹ thuật đơn giản, sử dụng mảng anten trong đó các anten thành phần thu phát một cách độc lập, biểu đồ hướng anten sẽ thay đổi chuyển từ anten thành phần này sang anten thành phần khác để bám theo đối tượng khi thuê bao di chuyển Trong kỹ thuật này, các trọng số được sử dụng trong mảng anten là cố định Sự chuyển mạch nhằm chọn chế độ làm việc tốt nhất, thường đánh giá dưới dạng năng lượng thu vào Tuy nhiên dung lượng hệ thống bị giới hạn vì phụ thuộc vào số lượng anten thành phần trong mảng anten, biểu đồ hướng sóng anten 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 thông tin di động hiện nay Tuy nhiên hệ thống này vẫn còn một số nhược điểm cần khắc phục như: dung lượng hệ thống phụ thuộc vào số lượng anten thành phần trong mạng anten…

Về khía cạnh các mẫu bức xạ, búp chuyển mạch là mở rộng của phương pháp vi

tế bào hiện tại hay phương pháp phân vùng tế bào của việc chia một tế bào thông thường Phương pháp này còn chia các vùng vĩ mô thành nhiều vùng vi mô nhằm cải thiện dung lượng và phạm vi Mỗi một vùng vi mô gồm một mẫu búp cố định được xác định trước với độ nhạy lớn nhất được đặt ở trung tâm của búp còn độ nhạy

Nguyễn Hà Duy – K11 Đ2

thấp hơn được đặt ở các vị trí khác Việc thiết kế hệ thống như vậy liên quan đến các phần tử anten có độ rộng búp góc phương vị hẹp, tăng ích lớn

Việc chuyển mạch giữa các búp sóng được thực hiện bằng cách thay đổi pha tín hiệu dẫn đến các phần tử anten hay thu được từ các phần tử anten

Hình 1.5 Mô tả kỹ thuật búp sóng chuyển mạch

Búp sóng thích nghi

Trong kỹ thuật búp sóng thích nghi, biểu đồ hướng sóng không xác định, mang tính chất động và các biểu đồ hướng sóng anten đó có thể điều chỉnh theo thời gian thực Các trọng số được sử dụng trong kỹ thuật này được biến đổi theo một số thuật toán đặc biệt để có đầu ra của bộ tạo búp theo mong muốn Kỹ thuật này phức tạp hơn hệ kỹ thuật búp sóng chuyển mạch tuy nhiên lại có ưu điểm hơn vì nhờ tính chất động của biểu đồ hướng sóng nên dung lượng của hệ thống có thể thay đổi một cách linh hoạt Hình vẽ sau minh hoạ biểu đồ hướng sóng của hệ thống anten sử dụng kỹ thuật búp sóng thích nghi

Nguyễn Hà Duy – K11 Đ2

Hình 1.6 Mô tả kỹ thuật búp sóng thích nghi

Hình 1.7 minh hoạ vùng phủ sóng tương đối giữa hệ thống anten sử dụng kỹ thuật búp sóng chuyển mạch được phân vùng truyền thống và hệ thống sử dụng kỹ thuật thích nghi Cả hai loại hệ thống này đều có độ tăng ích đáng kể so với hệ thống phân vùng truyền thống Mức nhiễu thấp ở phía bên trái thể hiện cho một hệ thống vô tuyến mới với các mức thâm nhập thấp hơn Mức nhiễu lớn ở phía bên phải thể hiện cho hệ thống vô tuyến có nhiều đối tượng sử dụng hoặc một đối tượng

sử dụng nhiều mẫu tái sử dụng tần số lấn nhau hơn Khi ấy, khả năng loại nhiễu của

hệ thống thích nghi sẽ cho vùng phủ sóng đáng kể hơn so với hệ thống búp sóng chuyển mạch hay truyền thống

Hình 1.7 Vùng phủ với hệ anten sử dụng kỹ thuật búp sóng chuyển mạch và

búp sóng thích nghi

Nguyễn Hà Duy – K11 Đ2

Ta cũng có thể phân loại kỹ thuật búp sóng dựa theo việc xử lý tín hiệu tương tự hay số

Theo cách này ta sẽ có hai loại kỹ thuật là:

• Kỹ thuật búp sóng tương tự (ABF: Analog Beamforming)

• Kỹ thuật búp sóng số (DBF: Digital Beamforming)

Tín hiệu thu được tại các phần tử anten trong mảng là tín hiệu tương tự, nếu bộ tạo búp sóng không sử dụng các bộ chuyển đổi tín hiệu từ tương tự sang tín hiệu số (ADCs) thì gọi là kỹ thuật búp sóng tương tự Tuy nhiên, ngày nay với việc các bộ

xử lý tín hiệu số phát triển rất nhanh, với khả năng xử lý rất cao thì thông thường các tín hiệu thu được tại các phần tử anten sẽ được chuyển đổi thành tín hiệu số trước khi đi vào bộ tạo búp sóng, do vậy có thể gọi đó là kỹ thuật búp sóng số Tạo búp sóng số là sự kết hợp giữa kỹ thuật anten và kỹ thuật số Anten có thể được xem xét như một thiết bị chuyển tín hiệu trong miền không gian - thời gian sang miền thời gian, để chúng có thể phù hợp với nhiều kỹ thuật xử lý tín hiệu Một anten được gọi là tối ưu nếu việc chuyển đổi những tín hiệu đến bề mặt nó không gây méo tín hiệu

Nguyên tắc cơ bản của bộ tạo búp sóng số là chuyển tín hiệu tần số vô tuyến thu được tại các phần tử anten thành hai luồng tín hiệu nhị phân dải tần cơ sở được gọi

là kênh I và Q Các tín hiệu dải tần cơ sở này biểu diễn biên độ và pha của các tín hiệu thu được tại các phần tử trong mảng anten Những luồng tín hiệu số này sẽ được điều khiển pha và biên độ bằng cách đánh trọng số cho mỗi luồng Sau đó tất

cả các luồng tín hiệu đó sẽ được cộng với nhau để tạo ra búp sóng mong muốn Các tín hiệu tương tự thu được được chuyển đổi sang tín hiệu số một cách chính xác bằng các bộ thu có sử dụng bộ tạo phách, các bộ thu này phải phù hợp với nhau về biên độ và pha Ưu điểm chính thu được ở bộ tạo búp sóng số là tăng độ linh động

mà không làm giảm tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR

Nguyễn Hà Duy – K11 Đ2

1.3.ứng dụng của kỹ thuật búp sóng

Kỹ thuật búp sóng đóng góp hai lợi ích chính đối với đường truyền vô tuyến là tối ưu hoá công xuất, giảm nhiễu đường truyền Bởi vì các hệ thống anten có sử dụng kỹ thuật búp sóng đặc biệt hiệu quả trong việc tăng công suất tín hiệu thu được và giảm công suất phát đến ngưỡng nhỏ nhất Bên cạnh đó, nó được sử đụng giúp tăng dung lượng đường truyền Việc giảm đáng kể công suất phát ra chính là giảm sự can nhiễu trong một vùng phủ sóng của trạm phát (làm tăng mức tín hiệu trên tạp âm - SNIR)

Kỹ thuật búp sóng thêm vào một cách mới để phân biệt những người sử dụng khác nhau, đó là thông qua không gian hay còn gọi là phương pháp đa truy cập phân chia theo không gian (SDMA: Space Division Multiple Access)

SDMA nghĩa là phục vụ các cuộc gọi theo các anten định hướng búp sóng hẹp Với kỹ thuật này thì không gian phủ sóng được sector hoá Không gian phủ sóng sẽ được sẽ được chia ra thành các miền không gian hẹp (ví dụ như tổng không gian phủ sóng là 3600 thì được chia ra thành 3 phần, mỗi phần 1200) hay ta còn gọi là sector hoá không gian Với kỹ thuật này sẽ giảm được hiện tượng giao thoa tần số, nhiễu đồng kênh, nhiễu đa đường, cho phép tăng dung lượng hệ thống SDMA có thể áp dụng cho bất kỳ hệ thống thông tin di động nào Hiện nay kỹ thuật này được

sử dụng ngay tại hệ thống anten để có thể xử lí tín hiệu, chọn lọc tín hiệu và điều khiển búp sóng của chính nó sao cho phù hợp với khoảng cách của thuê bao Kỹ thuật SDMA là một kỹ thuật được đưa ra từ lâu nhưng chưa thực sự được sử dụng trong hệ thống thông tin quảng bá mà chỉ được sử dụng cho mục đích quân sự

Nguyễn Hà Duy – K11 Đ2

Hình 1.8: Anten thu phát theo kỹ thuật SDMA

Bằng SDMA, nhiều người sử dụng trong cùng một ô (cell) có thể sử dụng cùng một kênh thông tin vật lý: cùng sóng mang, cùng khe thời gian và cùng mã trải phổ Việc nghiên cứu và áp kỹ thuật búp sóng trong thông tin vô tuyến tổ ong bắt đầu từ những năm đầu thập kỷ 90 và sự chú ý đến công nghệ này ngày càng tăng lên vì đa truy cập phân chia theo không gian được xem như là bước đột biến trên con đường khai phá nhằm nâng cao dung lượng của hệ thống bị giới hạn bởi phổ tần

Trong mạng GSM

Kỹ thuật búp sóng trong GSM giúp tối ưu công suất thu phát, giảm nhiễu Nhưng cho đến nay việc sử dụng kỹ thuật này trong mạng GSM vẫn còn rất hạn chế Đây không phải bởi lý do công nghệ mà bởi công nghệ GSM sử dụng đa truy nhập theo thời gian (TDMA) và quản lý vị trí tần số Điều này có nghĩa là mỗi kênh vô tuyến

có một khe thời gian và một băng tần Không có sự can nhiễu giữa những người dùng trong một ô (cell) trạm phát Giống như hai người nói chuyện với nhau trong một căn phòng vắng không có tiếng ồn của những cuộc hội thoại khác Điều này có nghĩ là lợi ích của kỹ thuật này trong mạng GSM là rất hạn chế

Nguyễn Hà Duy – K11 Đ2

Trong mạng 3G

Bởi Anten thông minh giúp tăng công suất thu và giảm nhiễu nên điều này đặc biệt có ý nghĩa đối với các mạng di động 3G sử dụng công nghệ CDMA CDMA (Code Division Multiple Access) 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 (với những

mã khác) đối với một máy điện thoại di động chính là nhiễu Cho nên, càng nhiều điện thoại trong một vùng phủ sóng của trạm thuphát thì nhiễu càng nhiều Điều đó làm giảm số điện thoại di động mà trạm thu phát có thể phục vụ được

Tất cả các tiêu chuẩn điện thoại 3G (UMTS, cdma2000 và TD-SCDMA ) đều sử dụng công nghệ CDMA Đối với những hệ thống CDMA, kỹ thuật búp sóng làm giảm nhiễu trong một ô bởi vì các anten sử dụng công nghệ này có thể 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 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

Các anten sử dụng kỹ thuật búp sóng giảm sự can nhiễu bằng 2 cách:

• Búp sóng của anten 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, anten tránh phát tín hiệu về phía nguồn can nhiễu

Các anten sử dụng kỹ thuật búp sóng có giản đồ phương hướng giống như một bông hoa với những cánh hoa có độ dài khác nhau, mỗi cánh hoa là một búp sóng phục vụ một thuê bao Những búp sóng này sẽ bám theo đúng hướng của thuê bao khi di chuyển

Kết hợp những lợi ích của kỹ thuật búp sóng, hệ thống CDMA giảm được chi phí tính toán công suất, tăng dung lượng phục vụ

Nguyễn Hà Duy – K11 Đ2

1.4 Tổng kết chương

Việc tăng tính định hướng của búp sóng có thể làm tăng dung lượng (thường được

áp dụng trong thành phố) và mở rộng vùng phủ sóng (áp dụng cho vùng nông thôn) Nhờ việc tạo ra các búp sóng hẹp bám theo thuê bao nên kỹ thuật búp sóng giúp triệt nhiễu tốt hơn do đó đem lại những ưu điểm sau cho hệ thống:

• Dung lượng tăng (hiệu quả phổ tần tăng) nhờ tăng số người sử dụng tích cực đối với một giá trị BER cho trước

• Giảm nhiễu đồng kênh để cải thiện chất lượng dịch vụ và tăng hệ số tái

sử dụng tần số

• Giảm xác suất mất liên lạc Bằng cách giảm nhiễu, xác suất mất liên lạc

có thể được giảm xuống

• Tăng hiệu quả truyền dẫn Do tính định hướng và tăng ích của hệ thống cao, bán kính trạm gốc có thể được mở rộng và thuê bao có thể chỉ cần phát công suất thấp hơn cho phép kéo dài thời gian sử dụng pin

• Thêm được một phương thức truy nhập mới là SDMA, giúp dễ dàng nhận biết các người sử dụng khác nhau

Tuy nhiên, việc sử dụng kỹ thuật búp sóng cũng có một số hạn chế đáng kể về chi phí và độ phức tạp sau:

• Tăng các yêu cầu về phần cứng cũng như phần mềm khi tăng số lượng phần tử anten của mảng

• Trong các trường hợp thực tế, chỉ tiêu của anten mảng có thể gây ra các ảnh huởng bất lợi bởi các lỗi mô hình kênh, lỗi định chuẩn (calibration), lệch pha và tạp âm tương quan giữa các phần tử anten

Từ những phân tích ở trên, ta thấy rằng có thể loại bỏ bớt được ảnh hưởng của kênh với thiết kế máy thu tốt hơn Tuy nhiên, do yêu cầu hạn chế độ phức tạp ở máy đầu cuối và do đặc tính của đường xuống, giải pháp được sử dụng để cải thiện Nguyễn Hà Duy – K11 Đ2

đường xuống sẽ là dùng nhiều anten phát ở trạm gốc, nhờ đó không làm tăng độ phức tạp của máy đầu cuối

Khi số người dùng ít và kênh bị pha-đinh mạnh (như trường hợp truyền sóng ở điều kiện không nhìn thẳng), hệ thống tạo búp không cải thiện được tín hiệu thu do không bổ sung được thông tin mới nào vào tín hiệu thu được, mà chỉ hạn chế được nhiễu đa truy nhập Do đó, hệ thống tạo búp không làm tăng chỉ tiêu nhiều

Việc sử dụng kỹ thuật búp sóng trong mạng 2G (GSM) không mang lại hiệu quả cao Đối với mạng di động 3G (CDMA), khi thiết kế, xây dựng cần xem xét khả năng triển khai kỹ thuật búp sóng để giảm số trạm phát, tăng dung lượng thuê bao

và chất lượng phục vụ, giành ưu thế cạnh tranh ngay từ đầu

Nguyễn Hà Duy – K11 Đ2

CHƯƠNG 2

KỸ THUẬT TẠO BÚP SÓNG 2.1 Búp sóng chuyển mạch

Anten chuyển búp sóng gồm nhiều búp sóng kề nhau mà đầu ra của chúng có thể thay đổi để chiếu tới một hoặc nhiều máy thu nhất định Do đó, một ô trong hệ thống sẽ được chia nhỏ bởi một nhóm các búp sóng liên tục

Anten mảng bám pha động cũng có thể được coi là một loại anten chuyển búp sóng, nhưng nó sử dụng thêm thông tin hướng tới từ người dùng mong muốn để quay hướng cực đại búp sóng về phía người đó nên có chỉ tiêu tốt hơn anten chuyển búp sóng thông thường Còn đối với anten thích nghi, cấu trúc búp sóng có thể biến đổi thích nghi với môi trường tín hiệu cao tần, định hướng búp sóng tới người sử dụng mong muốn, đồng thời làm suy giảm tăng ích anten ở hướng gây nhiễu Tuy

có chỉ tiêu tốt hơn, nhưng anten mảng thích nghi thường phải sử dụng những xử lý

số phức tạp nên có chi phí tốn kém hơn hệ thống chuyển mạch búp sóng

Hệ thống chuyển mạch búp sóng đơn giản chỉ bao gồm một mạch tạo búp sóng, một chuyển mạch cao tần có điều khiển logic để chọn búp sóng mong muốn Mỗi máy thu phải có một cơ chế lựa chọn búp sóng để có thể chọn được búp sóng mong muốn dựa vào các vector trọng số đã định Cơ chế để lựa chọn búp sóng hiệu quả là khá phức tạp và tuỳ thuộc vào phương pháp truy nhập theo CDMA, TDMA hay FDMA

Anten chuyển búp sóng tạo ra một tập hợp cố định các búp sóng tương đối hẹp Đầu ra cao tần tới các búp sóng này có thể là tín hiệu cao tần hoặc tín hiệu đã qua

chấn tử phát xạ nối với nhau qua mạch chuyển búp sóng Trong trường hợp lý tưởng, các búp sóng được tạo ra là độc lập với nhau Số búp sóng có thể thay đổi, ví dụ: sáu búp sóng có độ rộng 200 hay bốn búp sóng có độ rộng 300 cho mỗi vùng phủ

dẻ quạt

Nguyễn Hà Duy – K11 Đ2

Với anten mảng tuyến tính, độ rộng búp sóng theo phương nằm ngang được xác định bởi chiều dài của mảng và bước sóng Ở chiều thẳng đứng, các phần tử anten được xếp chồng lên nhau để giảm độ rộng búp sóng theo chiều này Điều đó cũng làm tăng tăng ích anten vì tăng ích này phục thuộc vào cả độ rộng búp sóng theo chiều nằm ngang và thẳng đứng Tăng ích có thể tính bằng:

),(θ φ

Số lượng đầu vào và đầu ra của matrận Butler có thể cùng là N hoặc n đầu vào và

N đầu ra, trong đó N= 2n Đầu ra của ma trận này là biến đổi fourier của đầu vào Số

bộ lai ghép trong matrận Butler phụ thuộc vào số đầu ra, ví dụ trong mảng tuyến tính với N phần tử, số lượng bộ lai ghép sẽ là (N/2)log2N

Khi số cổng (búp sóng) lớn, thì giá trị trên là khá lớn Tuy nhiên, trong các ứng dụng thông tin di động tổ ong, giá trị này ở mức có thể chấp nhận được

Hình vẽ sau là ma trận Butler với 8 đầu vào, 8 đầu ra, sử dụng 12 ((8/2)log28 = 12) bộ lai ghép

Nguyễn Hà Duy – K11 Đ2

Hình 2.1 Ma trận Butler tạo 8 búp sóng đầu ra

Ký hiệu các đầu ra bên trái là L và đầu ra bên phải là R, hướng của các búp sóng đầu ra như trong bảng sau:

Bảng 2.1 Đầu ra ma trận Butler Dạng búp sóng đầu ra tại tần số 2.400GHz như sau:

Hình 2.2 Dạng búp sóng đầu ra của ma trận tạo búp Butler tại tần số 2.400

Ghz

Nguyễn Hà Duy – K11 Đ2

Ma trận Butler cũng tương tự như biến đổi fuorier nhanh (FFT), thậm chí nó còn được phát triển trước FFT, nhưng có một điểm khác biệt đó là ma trận Butler xử lý tín hiệu trong miền tương tự, trong khi FFT xử lý tín hiệu trong miền số

Các mảng Butler có thể lập lên mọi mẫu búp sóng là bội số nhân của 2: 2, 4, 8,

16, 32 v.v Số búp sóng sẽ bằng số phần tử của mảng Các kỹ thuật tạo búp sóng có thể sử dụng trong các mảng hai chiều bằng cách phối hợp đầu ra các cột phần tử anten thành các ma trận, sau đó phối hợp các đầu ra của ma trận cột này thành một nhóm ma trận hàng

Ở giữa băng thông của anten, khi khoảng cách giữa các phần tử anten bằng 1/2 độ dài bước sóng, vị trí của búp sóng tính bằng:

sin θ = 2k - 1 / M (2.2) trong đó: θ là góc lệch, và

k là chỉ số búp sóng

Độ rộng búp sóng và khoảng cách búp sóng biến đổi ngược nhau so với tần số, nên có thể duy trì mức giao cắt không đổi ở giữa các búp sóng Ngoài xử lý bằng kỹ thuật tương tự (analog) như trên, búp sóng chuyển mạch cũng có thể được thực hiện bằng kỹ thuật xử lý số Khi đó, tín hiệu cao tần được biến đổi xuống trung tần, rồi xuống băng gốc Sau đó được chuyển đổi thành tín hiệu số trong bộ chuyển đổi tương tự/số (A/D) Tín hiệu này tiếp tục được xử lý ở máy thu số rồi chuyển đến mạch tạo búp sóng số Các hệ thống anten sử dụng kỹ thuật búp sóng chuyển mạch

có ưu điểm là đơn giản và chi phí không quá cao, nhưng vẫn có một số nhược điểm sau:

- Thứ nhất là không tránh được nhiễu của các thành phần đa đường đến từ các hướng gần với hướng của tín hiệu mong muốn, do hệ thống dựa vào mạch tạo búp sóng cố định mà thường nhậy cảm với tán xạ góc của các thành phần đa đường hơn

là các hệ thống dựa vào các bộ xử lý mảng thích nghi

Nguyễn Hà Duy – K11 Đ2

- Thứ hai là không có khả năng lợi dụng được ưu điểm của phân tập đa đường bằng cách kết hợp các thành phần đa đường

- Thứ ba là công suất nhận được từ thuê bao sẽ bị thăng giáng khi thuê bao di chuyển vòng tròn quanh trạm gốc do hiện tượng vỏ sò (scalloping) - một đường đẳng mức của giản đồ phương hướng anten phụ thuộc hướng tới thay đổi theo đường kính của mỗi búp sóng được tạo ra bởi mạch tạo búp sóng Thông thường các mạch này tạo ra các búp sóng đan chéo nhau, do đó cường độ tín hiệu của thuê bao thay đổi khi thuê bao di chuyển từ giữa búp sóng đến biên vùng phủ của một búp sóng nào đó Mặc dù có những nhược điểm như trên song hệ thống chuyển búp sóng vẫn được sử dụng phổ biến vì các lý do sau:

- Có khả năng mở rộng phạm vi phủ sóng từ các hệ thống phức tạp Tuỳ theo môi trường truyền sóng, các hệ thống chuyển búp sóng có thể làm giảm độ trải trễ,

hỗ trợ môi trường thuê bao tốc độ cao

- Vì việc tạo búp sóng cố định là trường hợp đơn giản trong kỹ thuật tạo búp sóng nên chi phí thiết kế và vấn đề sử dụng các hệ thống này sẽ thấp hơn các kỹ thuật phức tạp khác

2.2 Búp sóng thích nghi

Kỹ thuật tạo búp sóng thích nghi cho phép hiệu chỉnh một cách mềm dẻo giản đồ phương hướng của anten mảng để tối ưu một số đặc tính của tín hiệu thu được Trong quá trình quay búp sóng, búp sóng chính của mảng có thể thay đổi hướng một cách liên tục hoặc theo từng bước nhỏ

Anten mảng sử dụng kỹ thuật tạo búp sóng thích nghi có thể loại bỏ tín hiệu gây nhiễu có hướng tới khác hướng tín hiệu mong muốn

Dạng hình học của anten mảng và các yếu tố khác như giản đồ phương hướng, hướng, phân cực của các phần tử đều có ảnh hưởng trực tiếp đến chỉ tiêu chất lượng của anten mảng

Nguyễn Hà Duy – K11 Đ2

Các trọng số phức của mỗi phần tử trong anten mảng có thể được tính toán nhằm tối ưu một số đặc tính của tín hiệu thu được Điều này không phải luôn luôn thực hiện được; ngay cả với một anten mảng có một búp sóng định hướng tối đa theo tín hiệu mong muốn vẫn có thể không tạo ra được tín hiệu anten mảng đầu ra tối ưu Thông thường, việc tối ưu anten mảng được thực hiện bằng cách tạo ra các búp

có giá trị bằng không (null) theo hướng tín hiệu gây nhiễu Kỹ thuật tạo búp sóng thích nghi là một phép lặp xấp xỉ của tạo búp sóng tối ưu

Sơ đồ khối tổng quát của một hệ thống anten mảng sử dụng kỹ thuật búp sóng thích nghi như sau:

Hình 2.3 Sơ đồ khối một anten mảng sử dụng kỹ thuật búp sóng thích nghi

Các hệ thống anten mảng sử dụng kỹ thuật búp sóng thích nghi phải trải qua các công đoạn xử lý như sau:

Nguyễn Hà Duy – K11 Đ2

• Xác nhận các đáp ứng của hệ thống anten: ma trận các vector trọng số sóng Đây mới chỉ là phản ứng sơ bộ của hệ thống anten khi có các tín hiệu thuê bao tác động lên, thời điểm này chưa có sự điều khiển tương thích với sóng mong muốn Đồng thời xác định được vết không gian của các tín hiệu, thông số định lượng khả năng đáp ứng của mạng anten và các thông số về góc tới của sóng, thời gian trễ, cường độ tín hiệu Bước này rất quan trọng vì có vai trò rất quan trọng cho những bước xử lí chọn lọc và tương thích sau này

• Tiếp theo tín hiệu được đưa tới từng bộ lọc của từng nhánh, ở đó tín hiệu được tối ưu hoá, các thông số được xác định một cách chính xác, như việc xác định thông số DOA (góc tới của sóng), việc xác định thông số này cần có sự tham gia của phần mềm xử lí tín hiệu như: MUSIC (Thuật toán phân loại tín hiệu đa đường), ESPRIT (Thuật toán định lượng các thông số tín hiệu thông qua kỹ thuật bất biến luân phiên) Đây là một thông số rất quan trọng kết hợp với các thông số ở bước trước để sau này hệ thống thực hiện chọn lọc tín hiệu hay tương thích và loại bỏ những tín hiệu không mong muốn và điều khiển công suất thu sao cho hợp lí

• Thích nghi: là khâu yêu cầu sự tính toán rất phức tạp và chính xác Trong

hệ thống xử lí luôn có một ma trận các vector trọng số mẫu để làm tín hiệu tham chiếu với ma trận các vector trọng số sóng nhận được Trên cơ sở biết được yêu cầu cần kết nối ta xác định được các vector trọng số sóng mong muốn thông qua thuật toán xử lí tương thích như: MMSE (Minimum Mean Square Error - thuật toán trung bình bình phương sai số nhỏ nhất) hay thuật toán thích nghi mù khi đó tín hiệu không mong muốn sẽ bị triệt tiêu trên cơ sở kỹ thuật đa truy nhập theo tần số trực giao (OFDM: Othogornal Frequency Division Multiple), qúa trình điều khiển công suất hoạt động song song với quá trình xử lí tín hiệu nhận dạng thuê bao để tránh hiện tượng chèn ép kênh và hao phí công suất

Ta minh hoạ sơ đồ khối thuật toán xử lí thích nghi tổng quát trong hệ thống thông tin di động như sau:

Nguyễn Hà Duy – K11 Đ2

• Cuối cùng những tín hiệu mong muốn lớn hơn giá trị ngưỡng sẽ được đưa tới bộ kết hợp tạo ra tín hiệu đầu ra có cường độ cực đại Tại đây người ta sử dụng

bộ thu RAKE - điều chỉnh thời gian trễ tín hiệu, lợi dụng tính chất đa đường để nâng cao công suất tín hiệu và loại bỏ nhiễu trong tín hiệu mong muốn

2.2.1 Hệ anten mảng tuyến tính

Ta xét một chuỗi anten được xếp theo một đường thẳng gồm có N phần tử đẳng hướng, giống hệt nhau Khoảng cách giữa các phần tử là d

Nguyễn Hà Duy – K11 Đ2

) ( Re[

~ 1

~ 1)

Với ) là đường bao phức của tín hiệu thu được tại phần tử thứ nhất, f c là tần

số sóng mang Ta có thể thấy tín hiệu đến phần tử anten thứ hai trễ một khoảng thời gian là:

) ( Re[

~ 1

~ 2

~ 1)

( )

( t = s t − τ = s t−τ −j πf c t−τ

Nguyễn Hà Duy – K11 Đ2

Nếu như tần số sóng mang lớn hơn nhiều lần băng tần tín hiệu thì ta có thể coi như mô hình băng hẹp Khi đó ta có thể biểu diễn công thức (2.5) như sau:

)}]

( 2 exp{

) ( Re[

~ 2

~ 1)

và đường bao phức được biểu diễn bởi:

} 2 exp{

) ( )

2exp)()

1

~ 1

~

c

d f j t

s t

2exp)()

x ( ) ( ), ~( ), , ~( )

2

~ 1

hay:

) ( ) ( )

j

e e

Giả sử rằng có nhiều người sử dụng cùng truyền đến anten và tất cả phần tử anten

là đẳng hướng, kênh nhiễu AWGN Ta có thể biểu diễn đường bao phức của tín hiệu thu được như sau:

t x

1

) ( ) ( ) ( )

j i

i i

e e

Với:

[ ( ), ( ), , ( )])

U t s t s t s t

s( )= 1( ), 2( ), , ( ) (2.17) Đầu ra bộ tạo búp sóng thích nghi trong hình 2.3 là:

)()

(t w x t

trong đó, y(t) là đầu ra bộ tạo búp, w là vector trọng số:

T N

w w w

w= [ 1 2 ] (2.19)

và wH là biến đổi liên hợp phức chuyển vị của vector trọng số w

2.2.2 Một bộ tạo búp sóng đơn giản

Quá trình được sử dụng cho việc lái và điều chỉnh đồ thị phương hướng của một mảng anten nhằm mục đích tăng khả năng nhận tín hiệu mong muốn, đồng thời loại

bỏ tín hiệu nhiễu thông qua từng lựa chọn trọng số thích hợp được mô tả qua ví dụ Nguyễn Hà Duy – K11 Đ2

dưới đây Ta xét một mảng anten gồm 2 hai anten đẳng hướng cách nhau một khoảng là λ0/2 Tín hiệu mong muốn S(t) đến theo hướng thẳng đứng (θS =0) và tín nhiễu I(t) đến theo hướng hợp với phương thẳng đứng một góc từ góc θI =π /6

như hình vẽ dưới đây:

Hình 2.6: Mảng hai phần tử đẳng hướng

Ta có thể biểu diễn công thức của S(t) và I(t) như sau:

t j

Ae t

S( )= 2π0 (2.21)

t j

Ne t

)

w w Ae

=+

0]Im[

]Im[

1]Re[

]Re[

2 1

2 1

w w

w w

(2.24)

Nguyễn Hà Duy – K11 Đ2

Trong đó, Re[] và Im[] là biểu diễn phần thực và phần phức

Nhiễu đến phần tử thứ 2 lệch pha so với phần tử thứ nhất một giá trị là:

2/)6/sin(

λλ

Do vậy, nhiễu ở đầu ra là:

2 ) 2 / 2 ( 1

=+

0]Im[

]Im[

0]Re[

]Re[

2 1

2 1

jw w

jw w

(2.26)

Từ (2.24) và (2.26) ta tính ra được các giá trị của w1 và w2 như sau:

2

1 2

1 ,

2

1 2

Nguyễn Hà Duy – K11 Đ2

2.2.3 Tiêu chuẩn tối ưu các trọng số

Mục đích của bộ tạo búp sóng là tách tín hiệu cần thu với can nhiễu, chúng có cùng tần số sóng mang nhưng có hướng đến khác nhau Nhiễu có thể là nhiễu đa đường, có cùng một nguồn phát nhưng bị phản xạ đi đến anten thu theo các đường khác nhau hay có thể là tín hiệu của người sử dụng khác Về mặt tổng quát, bộ tạo búp sóng thích nghi điều chỉnh vector trọng số sao cho các búp sóng phụ hướng về nhiễu để tỷ số SNR là lớn nhất tại đầu ra của bộ tạo búp sóng Tính thống kê của chuỗi số liệu có thể không biết được trước và chúng thay đổi theo thời gian, các thuật toán thích nghi thường điều chỉnh các trọng số cho đến khi đạt được một tiêu chuẩn cho trước

Nguyễn Hà Duy – K11 Đ2

Hầu hết các thuật toán thích nghi đều lặp đi lặp lại quá trình điều chỉnh trọng số

đến khi đạt được tiêu chuẩn tối ưu Có ba loại tiêu chuẩn là “Trung bình bình

phương sai số nhỏ nhất” (MMSE: Minimum mean-squared error), “Tỷ số tín hiệu trên nhiễu lớn nhất” (MSINR: Maximum Signal to Interference ratio) và “Phương sai nhiễu đầu ra nhỏ nhất” (LCMV: Linearly constrainedMinimum variance)

2.2.3.1.Trung bình bình phương sai số nhỏ nhất (MMSE)

Tiêu chuẩn MMSE là tiêu chuẩn tối thiểu bình phương trung bình lỗi giữa tín hiệu thu được và tín hiệu mong muốn

Ta xét một mảng anten tuyến tính gồm N phần tử như hình vẽ sau:

x(k) = s(k)v + u (2.27)

Nguyễn Hà Duy – K11 Đ2

Trong đó, v là vector truyền của mảng đối với tín hiệu mong muốn (được cho bởi

công thức (2.12))

Nếu biết s(k), ta có thể dễ dàng chọn vector trọng số để tối thiểu hoá sai số giữa đầu ra y(k) và tín hiệu mong muốn s(k) Tuy nhiên, trong thực tế khó có thể biết trước s(k), nhưng trong nhiều ứng dụng, một vài đặc tính của s(k) có thể được biết

đủ để tạo ra một tín hiệu d(k) gần giống với s(k), hoặc có liên hệ mật thiết với s(k) Tín hiệu d(k) được gọi là tín hiệu tham khảo Lúc này có thể coi sai số giữa tín hiệu mong muốn và tín hiệu thu được là e(k) = d(k) - y(k) Như vậy MMSE là tiêu chuẩn

có e2(k) nhỏ nhất Để làm được việc này, lỗi e(k) sẽ được dùng để điều chỉnh các trọng số wi (i = 1,2, , N) Bộ xử lý thích nghi sẽ điều khiển vector trọng số để tối thiểu hoá e(k)

Theo công thức (2.18), đầu ra y(k) trong hình vẽ trên sẽ là:

)()

Trong đó E là ký hiệu kỳ vọng toán Thay giá trị y(k) ở công thức (2.18) vào công (2.28) ta được:

Rw w w p p w k

d

E

w k x k x w E w k x k d E k d k x w E k

d

E

w k x k x w w k x k d k d k x w k d

E

k x w k d k x w k d

E

k y k d k y k d

E

k y k d E

J

H H

H

H H

H H

H H

H H

H H

] ) ( ) ( [ ] ) ( ) ( [ ] ) ( ) ( [ ] ) ( [

] ) ( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( )

( [

] )}

( )

( )}{

( )

( [{

] )}

( ) ( )}{

( ) ( [{

] ) ( ) ( [

2

* 2

* 2

*

* 2

(2.29)

Trong đó:

)]

()([x k x k E

Nguyễn Hà Duy – K11 Đ2