Anten thông minh và ứng dụng trong wcdma luận văn tốt nghiệp đại học

Hiệu năng của kết hợp phân tập Các kết quả mô phỏng để đánh giá hiệu năng của máy di động có antenthông minh kép sử dụng lược đồ phân tập trong hệ thống W-CDMA đượctrình bày trong phần n

Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương IV.Đánh giá hiệu năng của anten thông minh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

Gi¸o viªn híng dÉn: Th.s NGUYỄN THỊ MINH

Sinh viªn thùc hiÖn : NGUYỄN VĂN HẢI

Líp : 47K - Điện tử viễn thông

Vinh 05 -2011

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

DANH MỤC CÁC HÌNH 3

DANH MỤC CÁC BẢNG 5

THUẬT NGỮ VÀ TỪ VIẾT TẮT 6

LỜI NÓI ĐẦU 9

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ ANTEN THÔNG MINH 11

1.1 Mở đầu 11

1.2 Hệ thống anten thông minh 11

1.2.1 Khái niệm 11

1.2.2 Nguyên lý hoạt động của anten thông minh 13

1.3 Phân loại anten thông minh 15

1.3.1 Anten chuyển búp SBA 15

1.3.2 Anten giàn thích ứng (AAA) 17

1.4 Mô hình toán học anten thông minh 19

1.5 Các tham số dàn anten 22

1.6 Ưu điểm của Anten thông minh trong thông tin di động 24

1.6.1 Giảm trải trễ và pha đinh đa đường 24

1.6.2 Giảm nhiễu đồng kênh 24

1.6.3 Tăng dung lượng hệ thống và cải thiện hiệu suất phổ 24

1.6.4 Tăng hiệu suất truyền dẫn 25

1.6.5 Giảm chuyển giao 25

1.6.6 Mở rộng tầm sóng 25

1.7 Tổng kết 27

CHƯƠNG II CÁC KỸ THUẬT TRONG ANTEN THÔNG MINH 28

2.1 Kết hợp phân tập 28

2.1.1 Phân tập chuyển mạch 29

2.1.2 Phân tập lựa chọn (SD) 30

2.1.3 Phân tập kết hợp tỷ lệ tối đa (MRC) 31

2.1.4 Kết hợp độ lợi cân bằng (EGC) 33

2.1.5 Tổng kết 33

2.2 Kỹ thuật tạo búp sóng 35

2.2.1 Ví dụ về tạo búp sóng 36

2.2.2 Các loại tạo búp sóng 38

2.2.2.1 Tạo búp sóng tương tự 38

2.2.2.2 Tạo búp sóng số 39

2.2.2.3 Tạo búp sóng không gian phần tử 39

2.2.2.4 Tạo búp sóng không gian – búp sóng 41

2

Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương IV.Đánh giá hiệu năng của anten thông minh

2.3 Các kỹ thuật điều khiển đồ thị phương hướng anten 44

2.3.1 Kỹ thuật chuyển búp sóng 44

2.3.2 Kỹ thuật tạo búp sóng thích nghi 46

2.3.2.1 Thuật toán thích ứng 47

2.3.2.2 Thuật toán bình phương trung bình tối thiểu (LMS) 49

2.3.2.3 Thuật toán đệ quy bình phương tối thiểu (RLS) 50

2.3.2.4 Thuật toán nghịch đảo ma trận mẫu (SMI) 51

2.3.3 So sánh Anten chuyển búp sóng và Anten thích nghi 52

2.4 TỔNG KẾT 54

CHƯƠNG III ANTEN THÔNG MINH TẠI MÁY DI ĐỘNG TRONG HỆ THỐNG WCDMA 55

3.1 Tổng quan về công nghệ W-CDMA 55

3.2 Cấu trúc tổng quát của hệ thống W-CDMA 57

3.3 Anten thông minh tại máy di động 58

3.3.1 Các lược đồ kết hợp 61

3.3.1.1 Kết hợp phân tập 61

3.3.1.2 Kết hợp tương thích 63

3.3.1.3 Kết hợp lai ghép 65

3.3.2 Mô hình kênh 66

3.3.2.1 Giới thiệu chung về mô hình kênh 66

3.3.2.2 Tương quan đường bao 69

3.3.2.3 Mô hình kênh pha đinh tương quan không gian và mô hình kênh pha đinh tương quan không chặt 70

3.3.3 Thủ tục lấy profile kênh sử dụng GBSB 72

3.3.3.1 Mô hình GBSB 72

3.3.3.2 Thủ tục lấy profile kênh sử dụng GBSB 74

3.4 Tổng kết 76

CHƯƠNG IV ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG CỦA ANTEN THÔNG MINH TẠI MÁY DI ĐỘNG 77

4.1 Hiệu năng của kết hợp phân tập 77

4.1.1 Môi trường mô phỏng 77

4.1.2 Các kết quả mô phỏng trong mô hình kênh GBSB 78

4.2 Hiệu năng của kết hợp tương thích 81

4.2.1 Các kết quả mô phỏng cho AC 82

4.3 Hiệu năng của kết hợp lai ghép 83

4.3.1 Môi trường mô phỏng cho mô hình GBSB 83

4.3.2 Hiệu năng của HC đối với mô hình GBSB 84

4.4 Tổng kết 86

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 88

TÀI LIỆU THAM KH¶O 90

CHƯƠNG IV ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG CỦA ANTEN

THÔNG MINH TẠI MÁY DI ĐỘNG

4.1 Hiệu năng của kết

hợp phân tập

Các kết quả mô phỏng để đánh giá hiệu năng của máy di động có antenthông minh kép sử dụng lược đồ phân tập trong hệ thống W-CDMA đượctrình bày trong phần này

4.1.1 Môi trường mô phỏng

Một tín hiệu từ một trạm gốc truyền lan thông qua kênh Có hai mô hìnhkênh, SCFCM và LCFCM, như mô tả trong chương 3 được sử dụng để môphỏng Mô hình đường tròn và elip GBSB được sử dụng để tạo proflie kênhcủa tín hiệu đa đường Các tín hiệu nhận được tại anten kép của máy di độngđược đưa đến bộ thu rake sau khi được sửa dạng xung bởi bộ lọc FIR, nhưbiễu diễn trong hình 4-1 Bộ kết hợp phân tập kết hợp đầu ra của bộ thu rake

sử dụng lược đồ kết hợp phân tập (Chỉ có phân tập mức rake được xét đến ởđây) Ba lược đồ phân tập, SD, EGC và MRC, được xem xét trong mô phỏngcủa chúng ta Đối với MRC, tín hiệu đầu ra được tính toán theo a a b b , [6]với a và b là hai tín hiệu đầu ra của bộ thu rake Chúng ta gọi nó là kết hợptheo bình phương (SLC)

Bé läc FIR

Bé läc FIR

Rake rx

Rake rx

Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương IV.Đánh giá hiệu năng của anten thông minh

Hình 4.1: Bộ thu anten thông minh kép với bộ kết hợp phân tập [6].

Trong mô phỏng của chúng ta, đầu ra của bộ kết hợp phân tập được quyếtđịnh cứng hoặc 1 hoặc 0, và so sánh với các bit dữ liệu ban đầu để đánh giáhiệu năng của hệ thống theo BER Để đơn giản, chúng ta mô hình hoá nhiễu

từ các cell lân cận là tạp âm Gaussian trắng cộng (AWGN)

Môi trường trong mô phỏng gồm các bước sau Các tham số mô hình đượcgọi là tham số cơ bản trong phần này được giả thiết như sau Khoảng cáchgiữa hai anten trong máy di động là λ/4 (3.5 cm) Khoảng cách từ trạm gốcmong muốn đến trạm di động là 2000 m trong mô hình đường tròn GBSB, vàtrễ đa đường lớn nhất là 35 chip Trong mô hình elip GBSB, khoảng cách từtrạm gốc mong muốn đến trạm di động là 800 m, và độ trễ truyền lan lớn nhất

là 20 chip Vận tốc di chuyển là 60km/h, tạo ra tần số Doppler lớn nhất là

119 Hz với tần số sóng mạng là 2.14 Ghz Hệ số trải phổ của 8 người sử dụng

là 32 và tín hiệu kênh hoa tiêu chung (CPICH) phân kênh kết hợp, ngẫu nhiênhoá, sửa xung và phát đi trên kênh 20% công suất phát được phân choCPICH, và 80% còn lại được chia đều cho các người sử dụng Bốn tín hiệu đađường với dạng kênh đạt được từ mô hình GBSB đến tại anten của máy diđộng Một bộ thu rake với ba rake finger được xem xét tại máy di động [6]

4.1.2 Các kết quả mô phỏng trong mô hình kênh GBSB

Mô hình kênh GBSB được sử dụng để tạo ra các dạng kênh trong môphỏng Các kết quả mô phỏng với bao lược đồ kết hợp và hai loại mô hìnhkênh được giới thiệu trong hình 4.2

Đối với anten kép, EGC là tốt nhất trong ba lược đồ kết hợp phân tập Để

so sánh, hiệu năng của hệ thống anten thông minh với lược đồ kết hợp phântập EGC trên hai mô hình kênh và hiệu năng của hệthống đơn anten được

trình bày trong hình 4.2 (c) Như dự đoán, trong LCFCM thì độ lợi hiệu năngcao hơn trong SCFCM.

Cần chú ý là BER sẽ bão hoà khi lớn hơn một mức Eb/N0 nhất định trong

cả anten đơn và kép, tức là, tăng công suất phát trên một ngưỡng Eb/N0 nhấtđịnh sẽ không làm giảm BER Điều này được lý giải là công suất phát tăng sẽlàm tăng mức tín hiệu của các tín hiệu đa đường, tức là, công suât của các tínhiệu nhiễu tăng

6

Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương IV.Đánh giá hiệu năng của anten thông minh

(b) BER trong LCFCM

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

Dựa trên những nguyên về phân tập, chúng ta cho rằng MRC chắc chắnhoạt động tốt hơn EGC Tuy nhiên, các kết quả mô phỏng cho thấy EGC hoạtđộng tốt hơn MRC Có thể phân tích được nguyên nhân này như sau Trong

(c) Đường giới hạn BER với EGC ng gi i h n BER v i EGC ới hạn BER với EGC ạn BER với EGC ới hạn BER với EGC

mô hình kênh của chúng ta, công suất trung bình của tín hiệu kết hợp từ mỗimột anten là như nhau Trong SCFCM, hai tín hiệu đa đường từ mỗi mộtanten chỉ khác nhau về pha, nhưng chúng có cùng công suất tín hiệu TrongLCFCM, hai tín hiệu đa đường từ mỗi một anten có pha đinh Rayleigh độclập

Do đó, chúng có công suất tín hiệu tức thời khác nhau, nhưng công suất tínhiệu trung bình thì vẫn giống nhau Điều này cũng có nghĩa là SNR của cáctín hiệu anten giống nhau Do đó, EGC hoạt động hiệu quả hơn MRC vì mỗimột anten có SNR trung bình như nhau đối với MRC (hay SLC), chúng ta sửdụng giá trị tín hiệu cộng tạp âm thay thế cho SNR như là một nhân tố trọng

số Vì ước tính kênh không chính xác do nhiễu, kết hợp phân tập với hệ sốtrọng số (S + N) không thoã mãn được những mong muốn như trong lýthuyết Vì vậy, hiệu năng của MRC thấp hơn so với EGC

Trong môi trường thực, công suất tín hiệu trung bình của hai anten khôngbằng nhau

Trong môi trường thực, MRC có thể hoạt động tốt hơn EGC Các kết quảsau cho thấy MRC với hệ số trọng số SNR hoạt động tốt hơn EGC nếu tỷ sốSNR trung bình của hai anten là 2:1, như thấy trong bảng 4.1

8

Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương IV.Đánh giá hiệu năng của anten thông minh

Bảng 4.1: So sánh hiệu năng của EGC và MRC

4.2 Hiệu năng của kết hợp tương thích

Các kết quả mô phỏng để đánh giá hiệu năng của các máy di động sử dụng

hệ thống anten kép với lược đồ kết hợp tương thích trong hệ thống 3GPPđược giới thiệu trong phần này Một bộ kết hợp tương thích kết hợp các đầu

ra bộ phận tương ứng của hai anten với các trọng số anten thích hợp đạt đượcdựa trên thuật toán N-LMS

4.2.1 Các kết quả mô phỏng

cho AC

Các kết quả mô phỏng cho kết hợp tương thích với mô hình đường tròn vàelip GBSB được trình bày trong hình 4.3 Hình 4.3(a) và4.3(b) biễu diễn hiệunăng của hệ thống anten kép với dạng kênh đạt được từ mô hình đường tròn

và elip GBSB tương ứng Như có thể thấy từ hình vẽ, hệ thống anten kép vớikết hợp tương thích hoạt động tốt hơn hệ thống anten đơn trong cả mô hìnhđường tròn và elip

(a) BER với mô hình elip GBSB

(b) BER với mô hình đường tròn GBSB

Hình 4.3: BER trong mô hình đường tròn và elip GBSB

4.3 Hiệu năng của kết

hợp lai ghép

Các kết quả để đánh giá hiệu năng của máy di động sử dụng hệ thốnganten kép với lược đồ kết hợp lai ghép cho hệ thống 3GPP được giới thiệutrong phần này Bộ kết hợp lai ghép (HC) kết hợp các tín hiệu đầu ra của bộkết hợp phân tập (DC) và bộ kết hợp tương thích (AC) sử dụng MRC Giá trịtín hiệu tức thời cộng tạp âm (S+N) được sử dụng để đo các tín hiệu đầu tathay cho SNR

4.3.1 Môi trường mô phỏng cho mô hình GBSB

Môi trường trong mô phỏng của chúng ta hầu hết đều giống với các tham

số cơ bản Các tham số khác gồm những tham số sau Khoảng cách và độ trễ

đa đường là 4000 m và 61 chip trong mô hình đường tròn GBSB Tương quan

10

Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương IV.Đánh giá hiệu năng của anten thông minh

đường bao của hai tín hiệu pha đinh Rayleigh cho mỗi một đa đường trongEFCCM được chọn là 0.5 Hai anten ở máy di động cũng nhận nhiễu và tạp

âm nền Hai tín hiệu đa đường từ một trạm gốc lân cận, trạm này phát tín hiệukết hợp của tín hiệu 8 người sử dụng và tín hiệu hoa tiêu chung, được xét đến.SINR trung bình là 7.4 dB (do nhiễu đa đường) không có nhiễu từ các trạmgốc lân cận hay tạp âm Tạp âm nền tạo ra SINR bằng 7.0 dB không kể nhiễu.Điều này do các nhiễu đa đường Một bộ thu rake với bốn Rake thành phầnđược xem xét tại máy di động Kích thước bậc, μ = 0.3, và số ký tự hoa tiêutrung bình để đạt được tín hiệu tham chiếu, Q = 3, cũng được sử dụng trongthuật toán N- LMS

Để giới thiệu hiệu năng của mỗi một lược đồ, biểu đồ BER trên SINRđược đưa ra Với BER của biểu đồ không được mã hoá Để thay đổi SINR,công suất trung bình thu được của các tín hiệu nhiễu từ các trạm gốc lân cậnđược thay đổi Để tính được BER trung bình với một SINR cho trước, số lầnchạy mô phỏng (một mô phỏng hoạt động trên bốn khung) được lặp lại chođến khi BER được ước tính nằm trong khoảng 2% của giá trị thực với độchính xác là 99% Dựa trên nguyên lý của mô phỏng Monte Carlo, số lần tínhlỗi cần thiết khoảng 16588 Nếu không cần phải quá cụ thể, dạng kênh đạtđược từ mô hình elip GBSB được sử dụng trong mô phỏng

4.3.2 Hiệu năng của HC đối với mô hình GBSB

Như có thể thấy trong phần trước, DC và AC có những điểm ngược nhau

về SINR, vận tốc di chuyển và tương quan đường bao Do đó, HC có mụcđích là tận dụng những ưu điểm của hai lược đồ kết hợp này

Chúng ta sẽ kiểm tra hiệu năng của HC với các vận tốc di chuyển khacnhau Như đã nói ở trước, AC hoạt động tốt khi vận tốc di chuyển thấp, trongkhi đó DC lại có hiệu năng tốt khi vận tốc di chuyển cao Các kết quả mô

phỏng với vận tốc di chuyển 2 km/h được cho ở hình 4.4 (a) Có thể thấy từhình vẽ, AC có hiệu năng tốt nhất, trong khi đó hiệu năng của HC bằng hoặcgần bằng hiệu năng của AC.

Khi vận tốc di chuyển tăng, HC có hiệu năng tốt hơn cả AC và DC Cáckết quả mô phỏng với vận tốc di chuyển là 60 km/h được cho ở hình 4.4(b)

ví dụ, độ lợi SINR của HC có hơn Ac là 0.4 dB với BER = 0.1 và cao hơn

DC là 0.8 dB Cuối cùng, DC có hiệu năng tốt với vận tốc cao Các kết quả

mô phỏng cho vận tốc di chuyển là 120 km/h được trình bày trong hình 4.4(c) Hình cũng cho thấy hiệu năng của HC bằng hoặc thấp hơn rất ít so vớihiệu năng của DC trong môi trường có SINR cao Chúng ta có thể thấy xuhướng này cúng giống như vậy với vận tốc 150 km/h Tóm lại, hiệu năng của

DC là tốt hơn hoặc bằng với lược đồ thực hiện tốt hơn, hoặc DC hoặc AC, vớibất cứ một vận tốc nào

Chúng ta thử nghiệm HC với tương quan đường bao khác nhau, số lượngcác tín hiệu nhiễu, và mô hình đường tròn và elip GBSB Tất cả các kết quả từthử nghiệm có thể kết luận rằng hiệu năng của HC là tốt nhất hoặc gần bằnglược đồ tốt nhất trong ba lược đồ đã cho

12

Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương IV.Đánh giá hiệu năng của anten thông minh

(a) Hiệu năng với vận tốc di chuyển 2km/h

(b) Hiệu năng với vận tốc di chuyển 60 km/h

(c) Hiệu năng với vận tốc di chuyển 120 km/h

Hình 4.4 : Hiệu năng của HC với các vận tốc khác nhau

4.4 Tổng kết

Như vậy, trong chương này đánh giá hiệu quả của các loại kết hợp phântập gồm: Kết hợp phân tập, kết hợp tương thích và kết hợp lai ghép cho hệthống 3GPP Chương cũng đã đưa ra các kết quả mô phỏng trong các môitrường khác nhau cũng như sự so sánh giữa chúng để đưa ra một giải pháp tối

ưu nhất nhằm đạt được hiệu năng cao nhất

Kết quả cũng đã cho chúng ta thấy là lược đồ kết hợp HC sẽ cho hiệu năngtốt hơn cả trong mọi trường hợp và đây chính là lược đồ đang được áp dụngnhiều nhất trong hệ thống truyền thông vô tuyến ngày nay

Sau thời gian tìm hiểu và nghiên cứu về Anten thông minh và ứng dụngtrong WCDMA em đã xây dựng được phần mềm đánh giá hiệu năng củaanten thông minh và đây là kết quả em đã đạt được khi sử dụng ngôn ngữ lậptrình Visual Basic 6.0

Hình 4.5 Giao diện chính của chương trình mô phỏng

14

Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương IV.Đánh giá hiệu năng của anten thông minh

Hình 4.6 kết quả mô phỏng với mô hình GBSB đường tròn

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

Anten thông minh sẽ là một trong các giải pháp kỹ thuật để cải thiện chỉtiêu chất lượng của các hệ thống thông tin di động Không những thế, với các

hệ thống thông tin di động thế hệ sau, việc sử dụng anten thông minh làkhông thể tránh khỏi để cung cấp các dịch vụ yêu cầu tốc độ truyền dữ liệucao Chính vì thế mà đồ án chọn anten thông minh cũng như ứng dụng của nótại máy cầm tay làm chủ đề nghiên cứu Đồ án đã tập trung nghiên cứu cácvấn đề liên quan đến anten như sau:

Chương I- đã đưa ra cái nhìn tổng quan nhất về anten thông minh và đãđưa ra được các khái niệm, nguyên lý, cấu trúc của hệ thống anten thông minh

và mô hình tín hiệu đến tại dàn anten, đồng thời phân tích một cách chi tiếtnhững ưu điểm khi sử dụng anten thông minh, cũng từ đó đã nêu bật lên đượcvai trò quan trọng của anten thông minh trong việc cải thiện dung lượng vàchất lượng của hệ thống thông tin thông tin di động

Chương II- giới thiệu các thuật toán đang được áp dụng cho anten thôngminh Đây là cơ sở để đồ án giới thiệu cấu trúc của hệ thống anten thôngminh kép được sử dụng cho máy di động trong một số hệ thống thông tin diđộng ngày nay

Chương III- đã đưa ra một số các cấu trúc anten thông minh kép được tíchhợp trong máy di động trong hệ thống 3G WCDMA và cho thấy được ưuđiểm của nó vượt trội so với anten đơn trong việc cải thiện chất lượng tínhiệu Đồng thời chương cũng đã nghiên cứu một cách tổng quan các mô hìnhkênh vô tuyến ảnh hưởng đến các chỉ tiêu của việc sử dụng anten thông minhtại máy di động

16

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

Chương IV- giới thiệu các kết quả hiệu năng của ứng dụng anten thôngminh tại máy di động trong hệ thống 3GPP với các lược đồ kết hợp khácnhau

Tuy các anten thử nghiệm và thương mại hiện nay hầu hết đều dựa trêncác thuật toán đơn giản, các thuật toán anten thông minh ngày càng phức tạphơn và có thể được kết hợp với xử lý theo miền thời gian, hệ thống nhiềuanten ở máy di động di động với bài toán nhiều đầu vào nhiều đầu ra

Việc nghiên cứu mô hình kênh vô tuyến cho các môi trường khác nhaucũng ảnh hư ởng đến chỉ tiêu hệ thống và cần được quan tâm một cách thấuđáo cho các trường hợp cụ thể của thành thị và ở nông thôn của Việt Nam Nghiên cứu về anten thông minh là một vấn đề mở cả về lý thuyết và thựcnghiệm Trên cơ sở các kết quả đã đạt được, hướng phát triển tiếp theo của đềtài là:

Thứ nhất, hoàn thiện phần mô phỏng đánh giá hiệu năng của anten thông

minh kép tại máy di động cho hệ thống thông tin cá nhân vô tuyến 3G, gồm

có hệ thống 3GPP WCDMA và cdma2000

Thứ hai, đi vào nghiên cứu cụ thể các mô hình kênh để thấy được ảnh

hưởng của nó đối với việc áp dụng anten thông minh tại máy di động

Thứ ba, tiếp tục nghiên cứu để tìm giải thuật tính toán anten thông minh

một cách tối ưu, nhằm giảm bớt độ phức tạp trong quá trình điều khiển hướngtính bức xạ của anten

Thứ tư, tìm hiểu khả năng ứng dụng anten thông minh tại máy cầm tay

cho hệ thống thông tin di động ở Việt Nam hiện tại và trong tương lai

TÀI LIỆU THAM KH¶O

thống SMART ANTENA”,Tập V,tháng 02/ 2000

hệ thống thông tin di động băng hẹp bằng anten thông minh chuyển mạch búpsóng” Học viện CNBCVT, Hà Nội 12/2002

pháp điều khiển và định dạng búp sóng cho anten thông minh”,Tập V-1, số 1,tháng 04/2009

[4] TS Đặng Đình Lâm, “Hệ thống thông tin di động 3G và xu hướng phát

triển”, Nxb Khoa học kỹ thuật, 2004.

công nghệ Bưu Chính Viễn Thông.[6] Suk Won Kim, “Smart Antenna atHanset for the 3G WCDMA Systems and Adaptive Low-Power RakeCombining Schemes ”, Phd Thesis, Blackburg, Virginia, July, 2002

[7] J.S.Bolgh, L.Hanzo, “Third – Generation Systems and IntelligentWireless Networking”, John Wirely & Sons Ltd, 2002

[8] “Smart Antenna for Mobile Communication Beyond the ThirdGeneration”, The 4th smart antenna workshop for IMT- 2000, Seoul, Korea,05/2002

18

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

viện công nghệ Bưu chính Viễn thông, 2004

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1: SNR trung bình với kết hợp phân tập 34

Bảng 4.1: So sánh hiệu năng của EGC và MRC 81

DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1: Sơ đồ tổng quát của Anten thông minh 11

Hình 1.2: Sự thay đổi đồ thị bức xạ khi thuê bao di chuyển 13

Hình 1.3:.các loại cấu trúc anten thông minh 15

Hình 1.4:Một mạng SB dùng M tia để tạo tia từ M phần tử anten 17

Hình 1.5:Giàn anten thích ứng M phần tử 18

Hình 1.6:Cấu trúc giàn anten thích ứng 18

Hình 1.7: Dạng tín hiệu trong giàn anten thích ứng , 20

Hình 1.8: là một ví dụ của đáp ứng phần tử anten đã được cách điệu hoá, một hệ số dàn của dàn anten tuyến tính 8 phần tử với một khoảng cách giữa các anten phần tử là / 2 hướng tại 0 0 và mẫu bức xạ, kết quả của việc kết hợp hai thành phần trên 28

Hình 2 : phân loại anten thông minh………

……….29

Hình 2.1 : Kết hợp phân tập chuyển mạch 29

Hình 2.2 :Kết hợp phân tập lựa chọn 30

Hình 2.3 : Kết hợp tỷ kệ tối đa. 3 3 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 37

Hình 2.6: Mẫu búp sóng được tạo ra sử dụng phương trình 1.5 với dàn anten

2 phần tử với khoảng cách giữa các phần tử là λ/2 và 38

Hình 2.7: Bộ thu tạo búp sóng không gian-phần tử với L phần tử anten có khả năng định dạng K búp sóng 40

Hình 2.8: Bộ thu tạo búp sóng không gian – búp sóng với L phần tử anten có khả năng định dạng K búp sóng 42

Hình 2.9: Hệ số dàn, F(Φ,α), của dàn anten 5 phần tử sử dụng tạo búp sóng), của dàn anten 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 43

Hình 2.10: Đặc tuyến phủ sóng của anten chuyển búp sóng 44

Hình2.11: Đặc tuyến phủ sóng của anten thích nghi 47

Hình 2.13: Mô hình xử lý không gian đầy đủ cho phép 2 người dùng đồng thời cùng một keebg truyền thuộc cùng một cell 53

Hình 3.1: Các dịch vụ đa phương tiện trong hệ thống W-CDMA 56

Hình 3.2 : Cấu trúc của W-CDMA UMTS 57

Hình 3.3: Hệ thống anten kép cho HDR 59

Hình 3.4: Bộ di động anten thông minh cho hệ thống DECT 59

Hình 3.5 : Hệ thống anten thông minh so với hệ thống một anten 61

Hình 3.6: Kết hợp phân tập 62

Hình 3.7: Kết hợp tương thích 63

Hình 3.8: Bộ kết hợp lai ghép của hệ thống anten kép 66

Hình 3.9: Biến thiên mức tín hiệu thu 68

Hình 3.10: Sự khác pha trong dàn anten tuyến tính 68

Hình 3.11: Tương quan đường bao đối với khoảng cách anten 70

Hình 3.12: Hai Mô hình kênh 71

Hình 3.13: Hình học của mô hình GBSB đường tròn 73

Hình 3.14: Hình học của mô hình GBSB elip 74

Hình 3.15: Dạng kênh của mô hình elip và đường tròn GBSB 75

20

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

Hình 4.1: Bộ thu anten thông minh kép với bộ kết hợp phân tập 77

Hình 4.2: BER với các lược đồ phân tập và hai mô hình kênh 80

Hình 4.3: BER trong mô hình đường tròn và elip GBSB 83

Hình 4.4 : Hiệu năng của HC với các vận tốc khác nhau 86

Hình 4.5: Giao diện chính của chương trình mô phỏng 87

Hình 4.6: kết quả mô phỏng với mô hình GBSB đường tròn 87

LỜI NÓI ĐẦU

Thế kỷ 21 của chúng ta đã và đang chứng kiến sự phát triển mạnh mẽ không ngừng của ngành công nghiệp viễn thông và trong đó không thể thiếu thông tin di động Con người càng vươn tới những đỉnh cao trong cuộc sống, trong khoa học thì nhu cầu trao đổi thông tin ngày càng nhiều và chính vì thế mà nhu cầu thông tin di động ngày một cấp thiết việc trao đổi thông tin không chỉ đơn thuần là đối thoại thông thường với băng thông hẹp, tốc độ thấp mà con người ngày nay còn đòi hỏi phải được truy cập dữ liệu, âm thanh, hình ảnh với tốc độ cao băng thông rộng

Anten thông minh giúp giải quyết vấn đề xuyên nhiễu giữa các máy di động ảnh hưởng lên nhau và tạp âm của môi trường truyền dẫn vô tuyến bằng cách tăng SINR Anten thông minh còn cải thiện tín hiệu đầu thu, tăng dung lượng hệ thống, mở rộng vùng phủ sóng, tăng chất lượng tín hiệu, làm giảm chi phí lắp đặt các trạm BTS, kéo dài thời gian sử dụng pin của máy di động, cho phép truy cập dữ liệu tốc độ cao Công nghệ anten 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 gần đây nhất là sự

ra đời của hệ thống thông tin di động sử dụng kỹ thuật WCDMA để đạt được hiệu quả tối ưu nhất Ngày nay, anten thông minh không chỉ được áp dụng tại trạm gốc mà còn được tích hợp trong các thiết bị đầu cuối nhằm cải thiện hơn nữa các chỉ tiêu chất lượng và dung lượng của hệ thống

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

mình là “Anten thông minh và ứng dụng trong WCDMA” Đề tài đã đi vào

nghiên cứu từ những kiến thức cơ bản nhất cho đến những ứng dụng mới củaanten thông tại máy di động trong hệ thống WCDMA Theo đó, đề tài tiếnhành nghiên cứu các nội dung chính theo bố cục gồm bốn chương

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

Khái niệm, nguyên lý hoạt động, cấu trúc và các tham số dàn anten, mô hìnhtín hiệu và những ưu điểm khi sử dụng anten thông minh trong hệ thống thôngtin di động

Chương II: Trình bày các thuật toán được áp dụng trong anten thông

minh bao gồm: kết hợp phân tập và kết hợp tương thích

Chương III: Đi vào nghiên cứu ứng dụng của anten thông minh tại máy

di động trong hệ thống WCDMA Chương đã giới thiệu một số các cấu trúccủa hệ thống anten thông minh kép được tích hợp trong các đầu cuối di động

Chương IV: Đánh giá hiệu năng của việc sử dụng anten thông minh tại

máy di động khi sử dụng các lược đồ kết hợp phân tập, tương thích hay laighép cho hệ thống W-CDMA Đồng thời trong chương cũng đã có nhữngphép so sánh giữa ba loại lược đồ kết hợp này

Phần kết luận làm toát lên những kết quả mà đồ án đã đạt được cũng như

mở ra những hướng phát triển mới để hoàn thiện hơn nữa đề tài này trong thờigian tới

Do giới hạn về thời gian và phạm vi của đồ án tốt nghiệp nên đồ án chỉ đivào nghiên cứu một phần rất nhỏ trong pham vi rộng lớn của lĩnh vực thôngtin di động nói chung và anten thông minh nói riêng Mặc dù em đã cố gắngnhưng chắc chắn đồ án sẽ không tránh khỏi những thiếu sót nhất định Rấtmong được sự chỉ dẫn của các thầy cô giáo cũng như ý kiến đóng góp của cácbạn bè

Em xin chân thành cảm ơn Th.s Nguyễn Thị Minh đã tận tình hướng dẫn

em trong suốt thời gian làm đồ án để em có được kết quả ngày hôm nay

22

Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương I Tổng quan về anten thông minh Xin chân thành cảm ơn !

Vinh, ngày 10 tháng 5 năm 2011

NGUYỄN VĂN HẢI

THUẬT NGỮ VÀ TỪ VIẾT TẮT

A

AC Adaptive Combining Kết hợp tương thích

ADC Analogue – Digital Convert Bộ chuyển đổi tương tự số AOA Angle Of Arrival Góc tới

AT- GSC Absolute Threshold

Generalized Selection Combining

Kết hợp lựa chọn tổng quát hoá ngưỡng tuyệt đối

AWGN Additive White Gaussian

Noise

Tạp âm Gaussian trắng cộng

B

BER Bit Error Rate Tỷ lệ lỗi bit

BPSK Binary Phase Shift Keying Khoá dịch pha nhị phân

C

CDMA Code Division Multiple

Access Đa truy cập phân chia theomã chuyển mạch Constant Modulus Khối hằng

CPICH Common PIlot CHannel Kênh hoa tiêu chung

D

DC Diversity Combining Kết hợp phân tập

DECT Digital European Cordless

Telephone

Mạng điện thoại không dây số Châu Âu

DOA Direction Of Arrival Hướng góc đến

DSP Digital Signal Procesor Bộ xử lý tín hiệu số

E

Channel Model tương quan đường bao ESPRIT Estimation of Signal

Parameters by Rotation Invariance Technique

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

EGC Equal Gain Combining Kết hợp độ lợi cân bằng FDMA Frequency Division

Single - Bounce Đường bao trên mô hình địa lý GSC Generalized Selection

Combining Kết hợp lựa chọn tổng quát GSM Global System for Mobile

Communication Hệ thống thông tin di động toàn cầu GPP

GPS Global Position System Hệ thống vị trí toàn cầu

HC Hybrid Combining Kết hợp lai ghép

IMT International Mobile

Telecommunication Hội thông tin di động quốc tế ITU International

Telecommunication Union Liên đoàn viễn thông quốctế

IF Intermidiate Frequency Trung tần

LCFCM Loosely Correlated Fading

Channel Model Mô hình kênh pha đinh tương quan không chặt LOS Line Of Sight đường truyền thẳng

MLE Maximum Likehood

Estimation

Khả năng giống nhất

MMSE Minimum Mean Square

Error Lỗi bình phương trung bình nhỏ nhất MRC Maximum Ratio Combining Kết hợp tỷ lệ tối đa

MSE Mean Square Error Lỗi bình phương trung

bình MUSIC MUltiple SIgnal

Classification

Phân chia đa tín hiệu NLMS Normalized Least Mean Bình phương trung bình

24

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

Square tối thiểu chuẩn hoá NT-GSC Normalized Threshold

Generalized Selection Combining

Kết hợp lựa chọn tổng quát ngưỡng chuẩn hoá

PDF Propability Density

Function Hàm mật độ phổ công suấtPCH Pilot Channel Kênh hoa tiêu

PN Pseudo - Noise Giả tạp âm

QPSK Quadrature Phase Shift

Keying

Khoá dịch pha toàn phương

RF Radio Frequency Tần số vô tuyến

RLS Recurstive Least Square Bình phương tối thiểu đệ

quy

SA Smart Antenna Anten thông minh

SC Selective Combing Kết hợp lựa chọn

SCFCM Spatially Correlated Fading

channel Model Mô hình kênh pha đinh tương quan không gian SCH Synchronization CHannel Kênh đồng bộ

SD Seletive Diversity Phân tập lựa chọn

SDMA Space Division Multiple

Access

Đa truy cập phân chia theo không gian

SINR Signal- to – Interference

plus Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên tạp âm cộng nhiễu SIR Signal - to – Interference

Ratio Tỷ số tín hiệu trên nhiễuSLC Square Law Combining Kết hợp theo bình

phươngg SMI Sample Matrix Inversion nghịch đảo ma trận mẫu SNR Signal- to- Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên tạp âm TDD Time Division Duplex ghép song công phân chia

theo thời gian TDMA Time Division Multiple

UCFCM Uncorrelated Fading

Channel Model

Mô hình kênh pha đinh không tương quan WLAN Wireless Local Area

Network Mạng vô tuyến nội hạt

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ ANTEN THÔNG

MINH

1.1 Mở đầu

Ngày nay nhu cầu về thông tin vô tuyến đang phát triển rất mạnh mẽtrong hầu hết các lĩnh vực từ thông tin di động, đến truy cập Internet khôngdây, y tế, môi trường, v.v đã làm gia tăng các dịch vụ cũng như tính năngcủa các thiết bị thông tin

Thông tin vô tuyến thế hệ mới xuất hiện làm đa dạng các chuẩn, các dịch

vụ và thiết bị truyền thông, tất cả đều cạnh tranh và phát triển Trước hết mỗithiết bị vô tuyến cần phải có anten để thu và phát tín hiệu, có ba vấn đề chínhtrong việc nghiên cứu và phát triển anten để có thể đáp ứng được những nhucầu của hệ thống truyền thông hiện đại đó là: giảm nhỏ kích thước, hoạt độngbăng rộng hay đa băng và khả năng điểu khiển đồ thị phương hướng sóngthích hợp

Sự ra đời của hệ thống anten thông minh đã và đang đáp ứng được tất cảnhững vấn đề trên với những ưu điểm ngày càng vượt trội đã cải thiện đáng

kể chất lượng, dung lượng mạng thông tin di động Đó cũng chính là lý do emchọn đề tài về anten thông minh để nghiên cứu cho đồ án tốt nghiệp đại họccủa mình

26

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

1.2 Hệ thống anten thông

minh

1.2.1 Khái niệm

Anten thông minh là một hệ thống dàn anten gồm nhiều phần tử anten có

độ lợi thấp được bố trí trong không gian theo một trật tự nhất định và kết nốivới nhau thông qua một mạch kết nối Anten thông minh có khả năng thay đổi

đồ thị bức xạ thu hay phát (hay nói cách khác là các búp sóng) một cách linhhoạt sao cho thích hợp với môi trường tín hiệu trong cell di động

Về cơ bản,anten thông minh được dùng để chia nhỏ hơn vùng phủ sónghình rẻ quạt,mỗi vùng phủ hình rẻ quạt được phủ sóng bằng nhiều búp sóng

kế tiếp nhau do anten mảng tạo ra Số búp sóng trong vùng rẻ quạt phụ thuộcvào cấu trúc anten mảng

Việc tăng định hướng của búp sóng có thể làm tăng dung lượng và mởrộng vùng phủ sóng.Máy di động đầu cuối có thể giảm công suất phát do tăngích của anten trạm gốc lớn hơn, nhờ đó có thể kéo dài thời gian sử dụng củapin

Như vậy,Chức năng của các phần tử anten là giám sát tín hiệu theo khônggian và thời gian cho hệ thống di động vẫn là đảm bảo một mức chất lượngnhất định bằng cách tăng tối đa tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm nhiễu(SINR) chomỗi người dùng trong hệ thống Khác với anten thu đơn là chỉ thu cố định tínhiệu ở một vị trí không gian, anten thông minh có khả năng thích ứng với cácchuyển động cơ học của các thiết bị vô tuyến

Hình 1.1: Sơ đồ tổng quát của Anten thông minh

1.2.2 Nguyên lý hoạt động của anten thông minh

Hệ thống anten thông minh là một hệ thống giàn anten gồm nhiều phần tửkết hợp với bộ xử lý tín hiệu số (DSP : Digital Signal Proccessor) cho phépthay đổi đồ thị bức xạ phát hay thu của hệ thống sao cho thích nghi với môitrường tín hiệu trong tế bào di động

Trong hình 1.2 khi người dùng ở xa BS đồ thị bức xạ có tầm phủ lớn và ngược lại khi người dùng ở gần đồ thị bức xạ có tầm phủ sóng nhỏ

Lúc đầu anten chỉ đơn giản là bức xạ và nhận năng lượng như nhau theomọi hướng Để truyền tín hiệu đến thuê bao nó phát sóng đẳng hướng theophương ngang Khi truyền tín hiệu như vậy thì nó không có ý thức nào vềvùng lân cận thuê bao, năng lượng tín hiệu truyền đi một cách phân tán, phầntruyền

28

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

Hình 1.2 Sự thay đổi đồ thị bức xạ khi thuê bao di chuyển

Trong đó hình trên:

Màu ghi : Anten hình quạt 650 chuẩn,

Màu xanh : Búp sóng khi người dùng di chuyển gần BS

Màu xám : Các hình quạt khác

Đến thuê bao chỉ là một lượng rất bé so với truyền ra môi trường xungquanh Do hạn chế này mà công suất tín hiệu phải lớn thì đầu thu mới nhận đủmột 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 lượngkhông đến được thuê bao mong muốn lại trở thành nguồn nhiễu đồng kênhcho các thuê bao khác.Ý tưởng của hệ thống anten thông minh là đồ thị bức

xạ năng lượng tại các tế bào không cố định nữa mà lại “linh hoạt” như hình1.2

Hệ thống anten thông minh chỉ tập trung năng lượng về phía thuê baomong muốn mà nó phục vụ Mỗi thuê bao được phục vụ bởi một đồ thị bức xạcủa riêng nó Chỉ có trạm gốc BS mới có khả năng tích hợp anten thông minh

để thực hiện truyền dẫn

Các thuê bao vẫn phát và nhận năng lượng một cách đẳng hướng Lý do

vì kích thước của thuê bao quá nhỏ để tích hợp được một hệ thống anten trong

đĩ Mỗi phần tử anten phải cách nhau khoảng /2 sĩng cao tần, với hệ thốngGSM 800 Hz khoảng cách này vào khoảng 15cm [3]

Theo nguyên lý hoạt động đĩ, người ta đưa ra ba loại kiến trúc phân tử cho

hệ thống anten thích ứng như trong hình 1.3

 Giàn đường thẳng: cĩ kiến trúc đơn giản, hệ thống được dùng khi BSchia thành nhiều vùng phủ sĩng cĩ kiến trúc hình quạt

 Giàn hình trịn: các phân tử anten tạo với tâm hệ thống một gĩc =2/

N Búp sĩng chính của đồ thị bức xạ phủ tồn vùng ngang

 Giàn hình chữ nhật và hình lập phương: cho phép điều khiển búp sĩngtheo cả hai hướng ngang và dọc Cấu trúc này rất thích hợp khi truyềnsĩng trong mơi trường phức tạp

1.3 Phân loại anten thơng minh

y

W

0

A/D

U RC

VR

Đổi tần xuố ng

bbbb BôB

ộ xử lý giàn

g ng

U RC VR Đổi tần xuố ng

bbbb BôB

ộ xử lý giàn

g ng

x

W

0

A/D

U

R C V R Đ ổ

i t ầ

n x u ố n g

W

0

A/D

R C V R Đ ổ

i t ầ

n x u ố n g g

bbbb BôB

ộ xử lý giàn

g ng

U RC VR Đổi tần xuố ng

UM-1

U1b) Gi n hình ch nh t àn đường ữ nhật ật

Hình 1.3 Các lo i c u trúc anten thơng minh ạn BER với EGC ấu trúc anten thơng minh

Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương I Tổng quan về anten thơng minh

Hệ thống anten thơng minh cĩ thể được chia thành hai loại: anten chuyển búpSBA (Switched Beam Antenna), và anten giàn thích ứng AAA (AdaptiveArray Antenna)

Hệ thống anten SBA định rõ một con số xác định trên đồ thị mà ở đĩ địnhtrước các hướng bức xạ Hệ thống SBA được tạo bởi nhiều chấn tử định trướcvới độ nhạy cao theo một hướng xác định Hệ thống anten này phát hiệncường độ tín hiệu, chọn từ một trong những chấn tử cố định xác định mà nĩ

cĩ khả năng phát và thu tốt nhất tín hiệu từ thuê bao gửi tới Khi thuê bao dichuyển cường độ tín mà BS nhận được do nĩ gửi về cũng thay đổi theo BS

“cảm nhận” được điều này và chuyển từ chấn tử này đến chấn tử khác khimáy di động di chuyển từ đầu đến cuối tế bào

Hệ thống chuyển búp sĩng (SB) kết hợp hướng bức xạ của nhiều antengiống như làm mịn những chấn tử phân đoạn, để cĩ nhiều sự lựa chọn khơnggian hơn cĩ thể đạt được sự đến gần các anten thành phần hơn Để tạo được

đồ thị bức xạ theo hướng cố định xác định trước, hệ thống SB sẽ thực hiệnnhư sau:

Hệ thống SBA kết nối các tín hiệu thu về theo một quan hệ nào đĩ vềpha và biên độ, điều này làm hệ thống anten thu năng lượng tập trungtại hướng mong muốn

U RC

VR

Đổi tần xuố ng

bbbb BôB

ộ xử lý giàn

g ng

U RC VR Đổi tần xuố ng

bbbb BôB

ộ xử lý giàn

U

R C V R Đ ổ

i t ầ

n x u ố n g

W

0

A/D

R C V R Đ ổ

i t ầ

n x u ố n g g

bbbb BôB

ộ xử lý giàn

g ng

U RC VR Đổi tần xuố ng

W0A/

D

RC VR Đổi tần xuố ng g

UM-1

U

1

Hơn nữa khi muốn thay đổi hướng thu hoặc phát nếu chỉ dùng mộtanten ta phải thay đổi anten khác hoặc quay chính anten đó một cách cơhọc

Trong khi ở hệ thống SB dễ dàng thay đổi đồ thị bức xạ bằng cách thay đổivectơ trọng số nghĩa là thay đổi cách kết hợp các tín hiệu cao tần RF thu được

từ các phần tử anten khi thu hoặc thay đổi pha và biên độ các RF gửi đến cácphần tử anten khi phát đi

Cấu tạo:

Anten SBA có cấu tạo khá đơn giản Hệ thống SB có cấu trúc giống vớicác anten thông thường, ngoài ra nó còn được trang bị thêm những bộ phậnmới để phát triển mở rộng hệ thống tế bào, người ta có thể bổ sung bằng cáchcộng thêm những địa chỉ thông minh cần thiết trong mạng sau khi đã tính toán

kỹ càng

Công dụng: Hệ thống SBA có thể nâng cao vùng phủ của trạm gốc hơn từ

20% đến 200% so với hệ thống phân vùng tế bào cổ điển phụ thuộc vào hoàncảnh môi trường phần cứng và phần mềm được dùng Vùng phủ sóng đượccộng thêm có thể tiết kiệm nguồn nhân lực, giá cơ sở hạ tầng thực tế và giátrung bình cho người tiêu dùng sẽ thấp hơn

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

Hình 1.4 Một mạng SB dùng một mạng tạo tia để tạo M tia từ

M phần tử anten

Hình 1.4 mô tả một hệ thống SB đơn giản bao gồm một bộ tạo tia, mộtchuyển mạch RF và logic điều khiển để lựa chọn tia đặc biệt

1.3.2 Anten giàn thích ứng (AAA)

Trong hai loại anten thông minh nêu ở trên, anten chuyển búp có ưu điểm

là đơn giản, nhưng tính linh hoạt không cao Chính vì vậy, ngày nay người tatập trung vào nghiên cứu hệ thống anten giàn thích ứng

Một giàn thích ứng (AAA – Adaptive Array Antenna) là một hệ thống bao

gồm một giàn các chấn tử anten và một bộ xử lý thích ứng thời gian thực chophép điều khiển búp sóng tự động thông qua các tiêu chuẩn lựa chọn thuậttoán Một giàn anten thích ứng có cấu trúc cơ bản được đưa ra trong hình 1.5.Các chấn tử của giàn anten thích ứng có thể được sắp xếp theo các cấu trúchình học khác nhau, các cấu trúc phổ biến nhất là sắp xếp theo dạng giànđường thẳng, tròn, hoặc giàn phẳng (dạng hình chữ nhật) như trong hình 1.6

X lý ử tín hi u ệu ra

i u khi n thu t Điều khiển ều khiển ển ật toán

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

Giàn đường thẳng là giàn anten bao gồm các chấn tử được xếp dọc theomột đường thẳng, nếu khoảng cách các chấn tử bằng nhau thì gọi là giàn cáchđều tuyến tính (LUSA) Tương tự như thế, giàn hình tròn là giàn anten baogồm các chấn tử được xếp nằm trong một hình tròn đồng nhất Và cuối cùng,giàn phẳng là giàn bao gồm một dãy các phần tử anten bề mặt độ lợi thấp,đồng phân cực được phân bố đồng nhất theo không gian và cùng hướng theomột hướng các chấn tử được giàn đều trên một mặt phẳng Trong khi giànđường thẳng và giàn tròn chỉ cho búp sóng đơn hướng (hướng ngang), thìgiàn phẳng cho búp sóng song hướng (cả hướng ngang và dọc)

Tuy có cấu trúc hình học khác nhau, nhưng nguyên lý của giàn anten thíchứng là hoàn toàn giống nhau Bằng các phương pháp toán học người ta có thểđưa ra được thêm các cấu trúc hình học mới

1.4 Mô hình toán học anten thông minh.

Xét một giàn anten thích ứng đơn giản là một giàn cách đều tuyến tínhgồm có M chấn tử Các chấn tử cách đều nhau một khoảng là d Ta giả định

rằng, mặt phẳng sóng tới giàn anten lệch góc một hướng θ so với pháp tuyến

của hướng anten thu

Góc θ được đo theo chiều kim đồng hồ tính từ hướng của anten thu, được gọi là hướng tới (DOA – Direction Of Arrival) hay góc tới (AOA – Angle Of

Arrival) của tín hiệu tới Pha đầu của sóng tới tại chấn tử thứ m + 1 sẽ chậm

pha hơn tại chấn tử thứ m một khoảng bằng dsinθ Ta coi chấn tử đầu tiên là

chấn tử tham chiếu gốc, và tín hiệu tại chấn tử gốc là s(t), pha của tín hiệu tại

chấn tử thứ m trễ so với tại chấn tử thứ nhất một khoảng bằng (m - 1)kdsinθ,



 ( 1 ) sin 2

).

( )

d j





sin ) 1 ( 2

d M j

36

Hình 1.7 D ng tín hi u trong gi n anten thích ng ạn BER với EGC ệu trong giàn anten thích ứng àn anten thích ứng M phần tử ứng M phần tử

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

x(t) = s(t).a(θ) (1.4) Vectơ x(t) được gọi là vectơ dữ liệu đầu vào của giàn và a(θ) được gọi là

vectơ đáp ứng hay vectơ lái giàn Tập hợp vectơ đáp ứng trong trường hợp

này chỉ phụ thuộc vào hướng của tín hiệu tới Nói chung, vectơ đáp ứng chỉ

có thể phụ thuộc vào độ đáp ứng của các chấn tử riêng lẻ, cấu trúc giàn và tần

số tín hiệu tới Việc thiết lập một giàn anten với véctơ đáp ứng cho trước chotất cả các hướng và các tần số sẽ cho ra một kết quả hết sức đa dạng Xét mộtgiàn đơn giản như giàn đều tuyến tính được nói đến ở trên, sự đa dạng củagiàn anten thích ứng sẽ được thể hiện trong việc tính toán các tham số Trênthực tế, việc xác định một điểm nguồn đáp ứng cho các giá trị về hướng vàtần số và quá trình xử lý sẽ cho phép thiết kế nên một giàn thích ứng có kích

là tín hiệu băng hẹp, trường hợp khác sẽ là tín hiệu băng rộng

Trong trường hợp tổng quát, khi xuất hiện cả pha-đinh nhiều đường và cáchiệu ứng người dùng Vectơ tín hiệu thu được cho người dùng thứ i có thểđược biểu diễn như sau

i t a s t x

1

, ,

si,p(t) : là tín hiệu của người dùng thứ i khi có phađinh

αi,p : là biên độ tín hiệu tổng hợp

i a s t n t t

1 1

, ,

, , ( ) ( ) ( ) )

là vectơ chỉ thị không gian cho người dùng thứ i

1.5 Các tham số dàn anten

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

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

suất bức xạ như một hàm hướng trong không gian Mẫu bức xạ của một anten

là kết quả của một mẫu phần tử và hệ số dàn, hai cái này được định nghĩa bêndưới Nếu f(,) là mẫu bức xạ của mỗi phần tử anten và F(  ,  ) là hệ sốdàn thì mẫu bức xạ của dàn, G(   , ), được gọi là mẫu búp sóng được cho bởiphương trình dưới đây:

38

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

G(  ,  ) f(  ,  )F(  ,  ) (1.9)

Góc (độ)

Mẫu phát xạ,

Hệ số dàn Mẫu phần tử,

Hỡnh 1.8 là một vớ dụ của đỏp ứng phần tử anten đó được cỏch điệu hoỏ,

một hệ số dàn của dàn anten tuyến tớnh 8 phần tử với một khoảng cỏch giữa

hợp hai thành phần trờn

cỏc phần tử bức xạ đẳng hướng, trong đú  là gúc phương vị và  là gúc

ngẩng

Bỳp súng chớnh: Bỳp súng chớnh của một mẫu bức xạ anten là bỳp súng

chứa hướng của cụng suất bức xạ lớn nhất

Bỳp súng phụ: Bỳp súng phụ là cỏc bỳp súng khụng tạo thành bỳp súng

chớnh Chỳng cho phộp cỏc tớn hiệu được nhận theo cỏc hướng khỏc hướng

của bỳp súng chớnh do đú, cỏc bỳp súng này là khụng mong muốn nhưng

khụng thể trỏnh khỏi

Hiệu suất anten: Hiệu suất anten là tỉ số của tổng công suất bức xạ của

anten trên tổng công suất đầu vào anten

1.6 Ưu điểm của Anten thông minh trong thông

1.6.2 Giảm nhiễu đồng kênh

Dàn anten cho phép sử dụng phương pháp lọc không gian, phương phápnày được áp dụng cho cả bên thu cũng như bên phát để giảm nhiễu đồngkênh Khi phát, anten được sử dụng để tập trung năng lượng phát xạ nhằm tạo

ra một búp sóng có hướng trong vùng có bộ thu Điều này có nghĩa là có ítnhiễu hơn trong các hướng khác mà búp sóng không hướng đến Nhiễu đồngkênh bên phát có thể giảm bằng cách hình thành những nút sóng trong hướngcủa các bộ thu khác

1.6.3 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

40