Anten thông minh trong các trạm di động

Nghiên cứu, khảo sát và và ứng dụng anten trong thông tin vô tuyến Trang 339 Chương 11 Anten thông minh trong các trạm di động Chương 11 Anten thông minh trong các trạm di động Với sự ra đời của các ứng dụng di động có tốc độ cao, người ta mong đợi rằng dung lượng đường downlink của hệ thống CDMA 3G càng cao càng tốt. Do đó, điều quan trọng là phát minh ra các phương pháp có thể làm tăng dung lượng đường downlink để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng này. Có thể gia tăng chất lượng bằng việc phân tập trong hệ thống vô tuyến, kỹ thuật này rất phổ biến và được dùng trong các hệ thống cellular trong nhiều thập niên tại các bộ thu trạm gốc [1, 2]. Có thể tham khảo các dạng phân tập trong thiết bị vô tuyến dùng cho mục đích thương mại ở [3-11]. Tuy nhiên việc ứng dụng tính phân tập vô tuyến này vẫn chưa thể thực hiện vì một số lý do. Rào cản quan trọng nhất là việc thực hiện kỹ thuật phân tập sẽ tăng tính phức tạp và chi phí cho các trạm nền. Lý do thứ hai là các điện thoại cho hệ thống cellular còn chưa thịnh hành, dẫn đến thực tế rằng các lợi nhuận có thể thu được từ các thiết bị đó sẽ phụ thuộc vào kỹ thuật hiện có. Các mạng CDMA cố định sẽ thu lợi nhuận cao nếu có bất kỳ can nhiễu nào được giảm, thậm chí nếu chỉ một phần nhỏ người dùng điện thoại di động có bộ thu phân tập. Việc tăng dung lượng đường downlink cũng sẽ đơn giảm tỉ lệ với phần trăm thiết bị điện thoại cao cấp (vd: điện thoại có trang bị bộ thu phân tập). Vì một bộ thu đôi sẽ cần lượng công suất phát trạm nền nhỏ hơn, do đó sẽ cho phép nhiều kết nối đồng thời hơn nhằm tăng giới hạn của phổ và công suất phát trung bình. Dung lượng đường downlink của một hệ thống CDMA sẽ tỉ lệ nghịch với công suất phát trạm gốc cần thiết để duy trì mức dịch vụ cho mỗi người dùng cho trước [12]. Để có thể điều khiển công suất, trạm gốc (hoặc nhiều trạm gốc trong trường hợp chuyển vùng mềm) sẽ hiệu chỉnh phần công suất phát đến mỗi thuê bao để duy trì mức dịch vụ cho trước. Tỉ số Nghiên cứu, khảo sát và và ứng dụng anten trong thông tin vô tuyến Trang 340 Chương 11 Anten thông minh trong các trạm di động năng lượng mỗi bit thông tin so với tổng mật độ nhiễu và can nhiễu là ; đây là thông số then chốt mô tả chất lượng của bất kỳ hệ thống thông tin số nào. Khi biết được dạng truyền và cách thức thu tín hiệu, giá trị sẽ xác định mức sai số của đường truyền số và là hàm theo đặc tính kênh truyền. Trong hệ thống CDMA, giá trị này cần phải thay đổi để theo kịp tốc độ sai số qua các điều kiện kênh truyền khác nhau. Điều này có thể được thực hiện thông qua bộ điều khiển công suất vòng bên ngoài, nó sẽ thiết lập giá trị cần thiết dựa trên chất lượng dịch vụ mong muố. Độ lợi xử lý được ký hiệu là , là tỉ số giữa tốc độc chip trải phổ và tốc độ bit tín hiệu. Khi cho sẵn băng thông tín hiệu, W sẽ cố định [VD: 1.2288 Mcps với sóng mang 1.25-MHz (đối với IS-95 hoặc CDMA2000) hoặc 3.84 Mcps với sóng mang 5-MHz đối với hệ thống WCDMA]. Chú ý rằng tốc độ bit Rb sẽ thay đổi theo loại dịch vụ (VD: các dịch vụ thoại trong CDMA2000 có thể dùng các bộ mã hóa tiếng nói có tốc độ khác nhau, có Rb bằng 9600 bps, 4800 bps, 2400 bps và 1200 bps, suy ra độ lợi xử lý là 128, 256, 512 và 1024, tương ứng, hoặc các ứng dụng tốc độ dữ liệu cao khoảng 153.6 Kbps đối với hệ thống 1XRTT và 3.1 Mbps đối với hệ thống 1XEV-DV). Các hệ thống WCDMA hiện tại có tốc độ đường downlink là 64, 128, 256, hoặc 384 Kbps. Ký hiệu công suất phát tổng của trạm gốc là Ior và công suất pháy của trạm gốc theo lưu lượng hoặc kênh chỉ định đối với thuê bao thứ i là Ec. Khi đó phần công suất phát cấp cho người dùng thứ i là ( ) . Phần công suất này thay đổi theo thời gian và quá trình điều khiển công suất. Cuối cùng, SINR là ký hiệu của tỉ số tín hiệu trên can nhiễu, nó là hàm theo vị trí của thuê bao di động trong khu vực được phủ sóng và theo các điều kiện kênh truyền tương ứng. Mối quan hệ giữa các thông số đã đề cập trên cho thuê bao thứ i khi đó sẽ bằng ( ) Từ đó ta có phần công suất phát được cấp cho thuê bao thứ i là ( ) Đối với dịch vụ thoại, phần công suất này cũng là hàm theo hệ số hoạt động thoại v như sau ( ) Biểu thức (11.3) cho rằng mỗi thuê bao di động chỉ có một kênh lưu lượng duy nhất từ trong một sector. Khi các thuê bao chuyển giao mềm hơn (có các tuyến đang hoạt động đến từ các sector cùng thuộc 1 trạm gốc) hoặc chuyển giao mềm (các tuyến đang hoạt nằm ở các trạm gốc khác nhau), công suất tổng cần cho thuê bao đó sẽ phụ thuộc vào trạng thái chuyển giao hiện tại. Giả sử thuê bao nằm trong Ns Nghiên cứu, khảo sát và và ứng dụng anten trong thông tin vô tuyến Trang 341 Chương 11 Anten thông minh trong các trạm di động sector đang hoạt động và được kiểm soát bởi đồng thời Ns sector đó, thì công suất cần thiết sẽ là ( ) Giá trị kỳ vọng hoặc trung bình sẽ thành [( ) ] [ ] Vì số lượng tuyến hoạt động bị giới hạn bởi công suất của trạm gốc, nên ta có thể tính trung bình số lượng thuê bao có thể được hỗ trợ trong một sector hay còn gọi là dung lượng vector như sau [( ) ] Dễ thấy rằng phần công suất cấp phát cho thuê bao càng nhỏ thì số lượng thuê bao được hỗ trợ sẽ càng tăng. Một phương pháp để làm giảm trị trung bình của là định dạng búp sóng đường downlink bằng cách sử dụng các anten mảng tại trạm gốc. Như đã thảo luận ở chương trước, khoảng cách FDD trong hệ thống CDMA sẽ cải thiện chất lượng trong điều kiện tốt nhất khi các trọng số đường downlink được tính dựa trên các đại lượng đường lên. Cách khác để khắc phục vấn đề này là dùng các trạm gốc có trang bị nhiều anten. Kỹ thuật này sẽ loại bỏ điều kiện mà để ước lượng kênh truyền downlink chính xác tại trạm gốc vì việc này có thể được gán cho MS, do nó có mọi thông tin cần thiết để ước lượng ma trận tương quan đườgn downlink một cách chính xác. Chú ý rằng ta không cần quan tâm đến số lượng anten dùng trong bản thiết kế bộ thu, và PG vẫn giống nhau. Việc giảm [( ) ] là từ quá trình làm tăng tỉ số SINR khi sử dụng anten mảng hoặc quá trình thu có phân tập. Ta sẽ nhóm các MS thông thường đang hoạt động lại thành 2 nhóm, nhóm đầu tiên là các điện thoại có hỗ trợ dịch vụ dữ liệu trung bình và dữ liệu thoại, nhóm thứ hai là các đầu cuối di động cao cấp có nhiều anten. Khi đó giải pháp thực tế nhất sẽ là thêm một anten thứ hai vào điện thoại có anten đôi, anten thứ hai này chỉ dùng để thu, và nó được thiết kế để chỉ chiếm một diện tích thấp hơn nhiều anten chính. Với diện tích nhỏ như vậy, ta thậm chí có thể đặt nó vào những chiếc điện thoại nhỏ. 11.1. Thiết kế MS đa anten Các bộ thu có anten đôi so với aten đơn là chúng có nhiều lợi ích hơn. Lợi ích đầu tiên là lợi ích về việc phân tập. Nếu chỉ dùng 2 anten để phân tập cực và phân tập Nghiên cứu, khảo sát và và ứng dụng anten trong thông tin vô tuyến Trang 342 Chương 11 Anten thông minh trong các trạm di động không gian sẽ làm tăng chất lượng đường uplink, sử dụng 2 anten tại một MS sẽ tạo ra lợi ích phân tập. Lợi ích phân tập khi đó sẽ là làm tăng mức tín hiệu thu được vì ta sẽ chọn ra 1 trong 2 anten thu đó tín hiệu nào mạnh hơn (phân tập chuyển đổi) hoặc kết hợp cả 2 tín hiệu đó lại. Miễn là pha đinh giữa 2 anten không khớp nhau hoàn toàn, thì ta có thể làm mức tín hiệu trung bình lên. Như đã biết, việc phân tập anten được thực hiện khi các anten có đặc tính thu khác nhau để các tín hiệu thu được trong mỗi anten sẽ có độ tương quan chéo thấp. Việc này được thực hiện bằng cách dùng phương pháp phân tập không gian, phương pháp này yêu cầu anten phải được cách nhau nhiều bước sóng. Do đó, loại phân tập này bị hạn chế nhiều tại các trạm gốc và không thể ứng dụng vào MS. Để hiểu được các yêu cầu để phân tập không gian, ta cần xem lại độ tương quan giữa 2 anten. Có một cách để tương quan chéo cho 2 anten cách nhau khoảng d, tham khảo ở [13], cho rằng DOA của các tín hiệu có cùng mật độ phân phối xác suất. Ta có độ tương quan giữa các phần thực của tín hiệu tại phần tử anten thứ n và m là Rr và giữa phần thực và phần ảo là Ri bằng ( ) ∑ ( ) ∑ ( ) [ ] * + * + Với AS là độ rộng góc theo độ. Tương quan đường bao khi đó sẽ bằng √ Hình 11.1 Biễu diễn sự thay đổi của độ tương quan hình bao khi DOA của AS tăng từ 00. Ta có thể thấy rằng AS lớn thì độ tương quan sẽ thấp; Nghiên cứu, khảo sát và và ứng dụng anten trong thông tin vô tuyến Trang 343 Chương 11 Anten thông minh trong các trạm di động Hình 11.1 Tương quan hình bao với các khoảng cách anten , DOA = 00. Hình 11.2 Mối quan hệ giữa AS và khoảng cách nhỏ nhất để đạt được độ tương quan hình bao, DOA = 0 0 . Nghiên cứu, khảo sát và và ứng dụng anten trong thông tin vô tuyến Trang 344 Chương 11 Anten thông minh trong các trạm di động Tuy nhiên, nếu muốn độ tương quan bằng không thì khoảng cách sẽ quá lớn so với kích thước của một MS. Đối với AS nhỏ, ta có thể thấy rằng độ tương quan sẽ rất cao và sự suy biến về chất lượng phân tập sẽ xảy ra. Mặt khác, độ tương quan cao này sẽ làm tăng chất lượng của các phương pháp kết hợp tối ưu, phương pháp này sẽ làm bù một phần tính suy biến của độ lợi phân tập. Ảnh hưởng của độ tương quan lên chất lượng của hệ thống phân tập có 2 anten đã được khảo sát ở [2] và nó cho thấy rằng độ tương quan dưới 0.3 sẽ không làm tăng đánh kể độ lợi phân tập, và các suy biến về chất lượng sẽ nhỏ khi khoảng tương quan là 0.3 đến 0.7. Hình 11.2 cho thấy khoảng cách anten tối thiểu cần thiết để có được độ tương quan 0.3 và 0.5, và đó là hàm theo AS với DOA bằng 00. Điều này chứng minh rằng chất lượng phân tập sẽ tăng khi khoảng cách lớn. Từ hình 11.2, ta thấy độ tương quan 0.5 sẽ làm cân bằng khá tốt độ phân tập và độ kết hợp tối ưu. Do các kỹ thuật phân tập không gian có thể sẽ không thích hợp cho các MS, nên có thể sẽ cần đến các dạng phân tập khác không cần khoảng cách lớn như thế. Các kỹ thuật đó bao gồm phân tập theo cực và phân tập theo đồ thị, như ở [14]. Phân tập theo cực đáp ứng được thực tế rằng các thiết bị trong các hệ thống khác nhau sẽ trải qua các điều kiện kênh truyền khác nhau, trong khi phân tập theo đồ thị sẽ khai thác thực tế rằng các anten có đồ thị khác nhau sẽ thu các đường khác nhau và do đó có thể đạt được vài mức tín hiệu có độ tương quan thấp. Một số dạng thiết kế bao gồm: đặt 2 anten roi tại hai phía của điện thoại, dùng anten roi mẫu như là anten chính và anten thứ hai gắn phía sau là anten planar-inverted F (PIFA).Các kiểu thiết kế anten này sẽ làm mức tương quan chéo thấp tùy theo khoảng cách, cực, hoặc các đồ thị khác nhau của chúng. Các kết quả ở [14] cho thấy rằng các kiểu thiết kế như vậy có thể làm giảm độ tương quan tín hiệu một cách hiệu quả mà một vài phương pháp phân tập khác không thể có được. Phần thứ hai để làm tăng độ lợi chính là độ lợi về anten mảng hay gọi là độ lợi anten mảng. Góc mở của M anten nên lớn gấp M lần góc mở của 1 anten, do đó một anten mảng M phần tử có thể tạo độ lợi M. Trong thực tế, điều này không phải là luôn luôn đúng trong các điện thoại anten đôi. Nếu các anten quá gần nhau, góc mới của chúng sẽ chồng lên nhau, và góc mở tổng sẽ nhỏ hơn tổng các góc mở riêng lẻ. Ngoài ra, việc kết hợp chung các aten với nhau sẽ có xu hướng tạo ra một số tổn hao sẽ làm giảm đi tổng độ lợi anten mảng. Mặt khác, nếu anten thứ hai có hiệu suất thấp hơn anten chính, thì tổng độ mở sẽ nhỏ hơn 2 lần độ mở của anten chính. Cuối cùng, phần độ lợi cuối cùng có thể được tạo ra từ khả năng giảm can nhiễu của anten mảng. Những trọng số tối ưu sẽ được áp vào các tín hiệu thu ở mỗi anten theo một trong những chỉ tiêu định dạng búp sóng thích nghi đã thảo luận ở các chương trước, chỉ tiêu này có thể làm triệt can nhiễu, tạo ra SINR lớn. Trong trường hợp có nhiều nhiễu hoặc can nhiễu, việc định dạng búp sóng thích nghi sẽ rất thích hợp để đồng làm tăng hiệu suất tính hiệu và làm giảm can nhiễu. Không giống với anten ở trạm gốc, các điện thoại có anten đôi và anten đơn phải chịu cùng một vấn đề mà ta cần phải xem xét, đó là độ lợi Nghiên cứu, khảo sát và và ứng dụng anten trong thông tin vô tuyến Trang 345 Chương 11 Anten thông minh trong các trạm di động hiệu dụng trung bình (MEG), và tính không cân bằng có thể có giữa anten chính và anten thứ 2. MEG [15] là phương pháp tốt để mô tả ảnh hưởng của việc kết hợp các tín hiệu nó thu được. Ta sẽ ký hiệu công suất phát trạm gốc là Ior, tổng công suất đến anten (từ tất cả các hướng) sau khi đã đi qua kênh truyền là ̂ và công suất trung bình thu được của anten là Prec, khi đó MEG sẽ bằng ̂ Trường hợp mà hầu như mọi thuê bao đều gặp phải là khi nghe điện thoại, đầu và tay sẽ ảnh hưởng đến khả năng kết hợp năng lượng tín hiệu đến của anten và do đó sẽ ảnh hưởng đến MEG của nó. MEG của anten-roi trong một điện thoại được cầm dọc mà không bị đầu hay tay cản sẽ gần như bằng 0 dB. Tuy nhiên, các hệ số sau đây sẽ làm giảm MEG: anten sẽ được giữ nghiêng 450-600 do với hướng đứng, phần đầu sẽ khóa một vài hướng và hấp thụ một vài bức xạ, và bàn tay cũng sẽ khóa một vài hướng và hấp thụ một số bức xạ. Ảnh hưởng lớn nhất của việc cầm trên tay một chiếc điện thoại là sẽ làm giảm độ lợi, đặc biệt là hướng của đầu. Ảnh hưởng của việc này đến MEG là sẽ làm giảm một phần phụ thuộc vào tần số hoạt động. Dễ thấy rằng, việc MEG giảm có thể tác động đến chất lượng của bộ thu, và câu hỏi đặt ra là tác động bao nhiêu? Chất lượng bộ thu chủ yếu là do độ nhạy của nó, độ nhạy này sẽ bị giới hạn do can nhiễu và nhiễu được cộng vào mạch thu. Theo như ta biết thì những bộ thu trong hệ thống CDMA đều hầu như bị giới hạn do can nhiễu [vd, công suất can nhiễu thu được lớn hơn nhiều so với mức nhiễu trừ vị trí mà công suất tín hiệu thu được là quá gần với mức nhiễu (chẳng hạn như biên của khu vực phủ sóng)]. Khi đó tỉ số SIN thu được sẽ bị giới hạn do can nhiễu và nhỏ hơn nhiều so với tỉ số tín hiệu trên can nhiễu (SIR). Nhưng do độ lợi anten hoặc MEG sẽ ảnh hưởng đến tín hiệu thu và công suất can nhiễu một cách bằng nhau, nên khi MEG giảm sẽ có tác động nhỏ lên chất lượng của bộ thu. 11.2. Các kỹ thuật kết hợp Sau đây là tổng quan về một vài phương pháp có kết hợp có thể áp dụng và các MS. 11.2.1. Phân tập lựa chọn (chuyển đổi) Kỹ thuật kết hợp phân tập này thường dùng 2 anten. Đối với một thuật toán thực tế, việc chất lượng bị giảm là tùy thuộc vào phần đầu của hệ thống chuyển mạch. Nghiên cứu, khảo sát và và ứng dụng anten trong thông tin vô tuyến Trang 346 Chương 11 Anten thông minh trong các trạm di động 11.2.2. Kết hợp tỉ số tối đa (Maximal Ratio Combining: MRT) Trong hệ thống MRT, các anten được nối nhau để làm tối đa độ nhạy khi giả sử rằng nhiễu và can nhiễu mà 2 anten thu được có tương quan chéo thấp. Những trọng số đã áp và ngõ vào của các anten này là một hàm theo SNR thu được. 11.3. Định dạng búp sóng thích nghi hay việc kết hợp tối ưu Đây là hệ thông kết hợp tối ưu nhất, trong đó 2 anten được kết hợp khi biết đầy đủ tính tương quan can nhiễu giữa chúng. Vì mục tiêu là làm giảm can nhiễu và làm tăng SINR, nên việc lái không có thể được thực hiện để làm giảm hoặc triệt can nhiễu bị phát hiện bởi MS. Tuy nhiên, việc lái không có thể sẽ không được dùng trong trường hợp này do kích thước giới hạn của MS. Các kỹ thuật kết hợp tối ưu (OC) như thế là hoạt động dựa theo các bài toán kiểu Wiener-Hopf, và kết quả là tạo ra một MMSE hoặc làm tối đa SINR, do đó sẽ thích hợp hơn. Trong phần còn lại của mục này, ta sẽ chỉ ra tại sao đây là trường hợp gián tiếp mô phỏng và nghiên cứu một số đặc tính anten mảng có liên quan. Ta biết rằng một anten mảng M phần tử có thể làm không M-1 can nhiễu ở cả hai hướng LOS và môi trường đa đường. Trong phần [16, 17] có trình bày tăng anten mảng có thể tách và kết hợp các tín hiệu có khoảng cách không gian gần nhai như trường hợp trong môi trường pha đinh đa đường miễn là băng thông anten mảng nhỏ hơn AS của các đường thu được. Chất lượng của anten mảng tăng theo M, lớn hơn AS, và đặc hơn các tín hiệu đa đường. Từ [18], ta biết rằng tại MS, khi cho phổ công suất phương vị có mật độ đều qua 360 0 , thì kết quả AS là 1040. Hình 11.3 biểu diễn việc định dạng búp sóng anten mảng ứng với các khoảng cách phần tử anten nhỏ của các mảng broadside 2, 3, và 4 phần tử. Qua đồ thị ta thấy rằng khi M = 3 và 4, thì băng thông sẽ nhỏ hơn AS (104 0 ), thậm chí khi khoảng cách d nhỏ hơn. Còn trường hợp M = 2, ta chú ý rằng các giá trị lớn hơn d (khoảng 0.3λ) sẽ cần phải có băng thông cần thiết hơn. Để so sánh các kỹ thuật kết hợp tối ưu này với nhau theo các thông số như tỉ số SINR tối đa với việc lái không, ta sẽ xem xét cả hai trường hợp LOS và pha đinh đa đường. Ta có [ ] Nghiên cứu, khảo sát và và ứng dụng anten trong thông tin vô tuyến Trang 347 Chương 11 Anten thông minh trong các trạm di động Hình 11.3 Độ rộng búp sóng 3-dB như là một hàm theo khoản cách giữa các phần tử cho trường hợp M = 2, 3 và 4. Trong khi vector trọng số tối ưu lấy từ chỉ tiêu SINR cực đại là Với A là ma trận lái có các cột là các vector lái mảng (theo LOS) hoặc các ký hiệu theo không gian (đa đường). Sao khi đã lái không, ngõ ra anten mảng sẽ bằng Khi đó SINR tại ngõ ra anten mảng sau khi lái không là Với là công suất tín hiệu và là phương sai của nhiễu. Mặt khác, SINR tại ngõ ra anten mảng là kết quả của việc tối đa SINR là Với NLOS tượng trưng cho trường hợp đa đường, là DOA của tín hiệu mong muốn, A là ký hiệu của vector không gian của thuê bao mong muốn, và là ma trận tương quan nhiễu cộng. Để so sánh chất lượng của 2 kỹ thuật này, có nhiều mô phỏng được thực hiện trong các môi trường khác nhau, với các khoảng cách phần tử, số tí hiệu đa đường, và DOA của tín hiệu mong muốn và can nhiễu khác nhau. Hình 11.4 và 11.5 so sánh SINR thu được khi dùng mảng 2 phần tử trong môi trường LOS đối với d = 0.5λ và 0.2λ, tương ứng, đối với một tín hiệu mọng muốn tại 00 và một can nhiễu tại 30. Hình 11.6 và 11.7 mô tả chất lượng tín hiệu khi một tín hiệu mong muốn và một tín hiệu can nhiễn đều có 2 đường đến. Nghiên cứu, khảo sát và và ứng dụng anten trong thông tin vô tuyến Trang 348 Chương 11 Anten thông minh trong các trạm di động Sau cùng là hình 11.8 và 11.9 so sánh chất lượng của tín hiệu khi tín hiệu mong muốn và tín hiệu can nhiễu đều có 4 đường đến. Qua kết quả trên, ta thấy tín hiệu mong muốn và tín hiệu can nhiễu đều có cùng công suất, 5000 mẫu được dùng tại mỗi điểm dữ liệu, và SINR trung bình là một hàm theo SNR ngõ vào. Trong trường hợp đa đường, cho rằng các đường khác nhau có pha ngẫu nhiên trên dưới [0.2π]. Từ các đồ thị này, ta có thể kết luận rằng kỹ thuật SINR tối đa lái không rất tốt đối với SNR thấp bất chấp môi trường truyền ra sao. Đó là do quá trình làm tối đa SINR, tương đương với việc duy trì độ lợi cao tại hướng tín hiệu mong muốn trong khi vẫn tính đến tín hiệu nhiễu cộng (tối đa hóa S và thối thiểu hóa N), việc đó sẽ có hiệu quả hơn là chỉ làm giảm can nhiễu (giảm I). Đối với SNR cao, vì S đã thực sự cao, nên cả 2 kỹ thuật đều đạt được chất lượng như nhau. Thực tế, chất lượng tín hiệu sẽ như nhau khi khi SNR vượt qua một ngưỡng rất cao nào đó. Điều này là do khi SNR tăng, và ta giả sử rằng can nhiễu và tín hiệu mong muốn có công suất giống nhau, nên việc giảm hay làm không can nhiễu sẽ làm tăng đáng kể SINR (bằng cách giảm I). Trong các điều kiện này, sẽ rất có lợi để làm không hoặc giảm can nhiễu bởi vì công suất tín hiệu là đã cao hơn nhiều tín hiệu nhiễu rồi và vì vậy sẽ không cần thiết phải tăng độ lợi theo hướng tín hiệu mong muốn. Ở phần trước có đề cập rằng kỹ thuật kết hợp tối ưu như SINR tối đa hoặc MMSE được chọn qua việc lái búp hoặc lái không để làm tăng chất lượng mong muốn là [( ) ]. Hình 11.4 SINR tối ưu có lái không, M = 2, tín hiệu mong muốn tại 00, can nhiễu tại 30, , theo hướng LOS Nghiên cứu, khảo sát và và ứng dụng anten trong thông tin vô tuyến Trang 349 Chương 11 Anten thông minh trong các trạm di động Hình 11.5 SINR tối ưu có lái không, M = 2, tín hiệu mong muốn tại 00, can nhiễu tại 30, , theo hướng LOS Hình 11.6 SINR tối ưu có lái không, M = 2, tín hiệu mong muốn có 2 phần tại 00 và 2 0 can nhiễu có 2 phần tại 40 và 60, . Các tín hiệu có cùng công suất Nghiên cứu, khảo sát và và ứng dụng anten trong thông tin vô tuyến Trang 350 Chương 11 Anten thông minh trong các trạm di động Hình 11.7 SINR tối ưu có lái không, M = 2, tín hiệu mong muốn có 2 phần tại 00 và 2 0 can nhiễu có 2 phần tại 40 và 60, . Các tín hiệu có cùng công suất Hình 11.8 SINR tối ưu có lái không, M = 2, tín hiệu mong muốn có 4 phần tại 00, 2 0 , 4 0 và 5 0 , can nhiễu có 4 phần tại 30, 70, 90 và 110, . Các tín hiệu có cùng công suất Nghiên cứu, khảo sát và và ứng dụng anten trong thông tin vô tuyến Trang 351 Chương 11 Anten thông minh trong các trạm di động Hình 11.9 SINR tối ưu có lái không, M = 2, tín hiệu mong muốn có 4 phần tại 00, 2 0 , 4 0 và 5 0 , can nhiễu có 4 phần tại 30, 70, 90 và 110, . Các tín hiệu có cùng công suất 11.4. Kích thước máy thu RAKE Một bộ thu RAKE sẽ kết hợp nhiều bản sao của tín hiệu thu được lại để tạo thành một tín hiệu, có SINR cao hơn. Bộ thu RAKE nhiều bản sao sẽ làm tăng hiệu quả về hướng của các tín hiệu CDMA vì nó tận dụng được tín hiệu đa đường. RAKE cũng làm cho hầu hết công suất tín hiệu từ các đường khác nhau được kết hợp lại trong bộ thu để làm tăng SINR. Trong việc chuyển giao mềm, tín hiệu đến điện thoại được gửi từ nhiều sector trong mạng di động. Nếu có tối thiểu một bản sao được gán cho các tín hiệu đến từ mỗi sector khác nhau, thì bộ thu trên điện thoại có thể kết hợp các năng lượng tín hiệu đó lại từ mọi sector một cách đồng thời. Các điện thoại CDMA hoạt động theo chuẩn IS-95 hay CDMA2000 có tốc độ chip 1.2288 Mcps dùng bộ thu RAKE bốn bản sao. Việc triển khai CDMA thông thường đã cho thấy rằng việc tăng số bản sao lên 4 sẽ làm tăng tính phức tạp của điện thoại nhưng chỉ một phần nhỏ về chất lượng phân tập, do đó đây là kích cỡ tốt nhất cho một bộ thu RAKE của điện thoại có anten đơn trong hệ thống CDMA băng hẹp. Đối với điện thoại có anten đôi, bộ thu RAKE phải gán 2 bản sao vào mỗi đường đến điện thoại theo mỗi hướng để có được độ lợi trong việc kết hợp 2 anten tách biệt đó. Vì RAKE 4 bản sao bị giới hạn là chỉ kết hợp 2 đường nếu mỗi đường được kết hợp trên 2 anten, việc khai thác sự phân tập anten đôi sẽ yêu cầu 8 bản sao. Đối với các Nghiên cứu, khảo sát và và ứng dụng anten trong thông tin vô tuyến Trang 352 Chương 11 Anten thông minh trong các trạm di động hệ thống WCMA, tốc độ chip là 3.84 Mcps, sẽ cho phép các thành phần đa đường tách biệt ra nhỏ như là một chịp hoặc 0.26µs để có thể xử lý. Số lượng đa đường hữu dụng tăng lên ở kênh truyền bởi vì băng thông hệ thống cao hơn sẽ dẫn đến có nhiều bản sao hơn để cộng vào bộ thu RAKE nhằm làm tăng độ lợi phân tập. 11.5. Các ảnh hưởng của việc ghép hỗ cảm Tùy theo kích thước bị giới hạn của các MS, việc đặt anten phân tập rất gần sẽ tạo ra hiện tượng ghép hỗ cảm, việc này có thể ảnh hưởng đến chất lượng của mảng. Như đã đề cập ở phần trước, trong một MS phân tập anten đôi, sẽ có một anten đơn được dùng để phát và nó kết nối đến một bộ thu trong khi anten thứ hai nối đến bộ lọc máy thu trong các phần khác của chuỗi. Sự hiện diện của anten thứ hai và tải đầu cuối tương ứng của nó sẽ ảnh hưởng đến năng lượng ghép từ anten chính. Điều này sẽ lần lượt ảnh hưởng đến sự cách điện và làm hồi tiếp hệ số tổn hao về mảng, và tạo ra tổn hao ghép và tổng hao không phối hợp. Ta sẽ ký hiệu tổn hao hồi tiếp và tính cách ly là S11 và S21, tương ứng. Ta có tổn hao ghép như sau ( ) Và tổn hao không phối hợp ( ) Hình 11.10 là đồ thị biểu diễn và là 2 hàm theo S11 và S21. Ta có thể thấy rằng bất kỳ việc hao hụt nào do tổn hao hồi tiếp hoặc cách ly đều cho cùng một tổn hảo, là sẽ làm giảm hiệu suất của anten và vì vậy làm giảm độ lợi. Tổn hao tổng về hiệu suất anten có dạng Với là các tổn hao như tổn hao điện và tổn hao vật dẫn. Một vấn đề khác phát xuất từ hiện tượng ghép hỗ cảm là vấn đề ghép băng phát, vì nó sẽ làm giảm hiệu suất phát. Một phần công suất phát có thể được ghép từ anten chính với anten thứ 2. Tùy thuộc cách kết thúc của anten thứ hai đó mà năng lượng này có thể hoặc được hấp thu hoặc bị phản xạ. Nếu anten thứ hai hấp thu năng lượng này, hiệu suất phát của anten chính sẽ giảm và do đó độ lợi nó cũng giản. Còn nếu năng lượng này bị phản xạ sẽ làm anten thứ hai bức xạ ra và tạo ra can nhiễu cho anten chính khi phát đi, việc này có thể làm ảnh hưởng đến dạng búp sóng của nó. Nghiên cứu, khảo sát và và ứng dụng anten trong thông tin vô tuyến Trang 353 Chương 11 Anten thông minh trong các trạm di động Hình 11.10 Tổn hao ghép là hàm theo tỉ số giữa tổn hao phản xạ và tổn hao chèn. 11.6. Tăng chất lượng anten đôi Các lĩnh vực mở rộng và nghiên cứu về điện thoại anten đôi được trình bày và báo cáo trong [19]. Một điện thoại CDMA thông thường có anten roi bên ngoài đã được hiệu chỉnh bằng cách thêm một anten nội thứ hai và kèm theo một số kỹ thuật kết hợp, bao gồm phân tập chuyển mạch, MRC, và kết hợp tối ưu, được thực hiện. Hình 11.11 biểu diễn hàm phân phối tích lũy (CDF) của công suất cần thiết để đạt được một công suất nhiễu khoảng 3.9dB (mục tiêu tương ứng với 1% FER) với 8 bản sao RAKE. Công suất lưu lượng cần thiết liên hệ với công suất phát từ các sector theo các phép tính hệ thống bao gồm hiệu suất và độ chuyển giao. Bảng 11.1 biểu diễn sự tăng dung lượng tuyến lên tương ứng với anten roi có bộ thu RAKE 4 bản sao. Bảng 11.1 cũng chỉ ra rằng chất lượng của anten roi sẽ tăng một ít khi số lượng bản sao tăng từ 4 tới 8. Lợi ích về dung lượng đề cập ở đây là làm giảm công suất phát trung bình cho mỗi thuê bao (như [( ) ]). Từ bảng 11.1, ta rút ra kết luận sau:  Việc kết hợp tối ưu sẽ làm tăng chất lượng cho các kỹ thuật khác và tạo ra độ lợi đáng kể nhất, là có thể làm giảm công suất phát trung bình khoảng 3 dB, do đó sẽ làm gấp đôi dung lượng kênh. Nghiên cứu, khảo sát và và ứng dụng anten trong thông tin vô tuyến Trang 354 Chương 11 Anten thông minh trong các trạm di động  OC là tăng chất lượng MRC khoảng 0.7-1.4 dB, bất kể số lượng bản sao RAKE được dùng là bao nhiêu  Việc tăng số bản sao sẽ làm tăng độ lợi về dung lượng. Ta có thể có được độ lợi đáng kể trong OC và MRC bằng cách cho số bản sao là 4-6, nhưng độ lợi này chỉ chỉ tăng một khoảng nhỏ (0.2-0.3 bB) nếu ta thêm tiếp 2 bản sao vào mà thôi. Hình 11.11 [( ) ] cần thiết có RAKE 8 bản sao Bảng 11.1 Sự gia tăng chất lượng với những kỹ thuật kết hợp khác nhau Số bản sao Anten roi Phân tập chuyển đổi MRC Kết hợp tối ưu Độ tăng dung lượng với Anten roi (dB) Băng PCS 4 Trị ban đầu 1 1.8 2.5 6 0.3 1.3 2.4 3.2 8 0.4 1.3 2.7 3.5 Băng Cellular 4 Trị ban đầu 0.9 1.7 2.9 6 0.1 0.9 2.3 3.6 8 0.1 1 2.4 3.8 Nghiên cứu, khảo sát và và ứng dụng anten trong thông tin vô tuyến Trang 355 Chương 11 Anten thông minh trong các trạm di động Khi điện thoại đang chuyển giao mềm (vd, điện thoại được kiểm soát bằng nhiều sector) sẽ làm cho tải hệ thống tăng lên. Để có thể thông tin tức thời, khi trong Ns đường chuyển giao, điện thoại sẽ có Ns sector trong trạng thái hoạt động, và cần một lượng lớn bản sao RAKE. Vì trong bộ thu đôi, kiến trúc phân tập 2 bản sao được dành cho mỗi đường theo thời gian được bộ thu theo dõi, chất lượng phân tập sẽ được bắt tay trong suốt quá trình chuyển giao cao với kích thước RAKE nhỏ hơn. Bảng 11.2 tổng kết lại tách động của trạng thái chuyển giao lên việc tăng dung lượng cho dải PCS. Đối với bất kỳ trạng thái chuyển giao cho trước nào, ta có thể làm tăng dung lượng kênh bằng cách tăng số bản sao vì nhiều bản sao sẽ làm cho bộ thu có thể kết hợp các độ lợi lại trong kiến trúc anten đôi và chuyển giao mềm thông thường. Mặt khác, khi trạng thái chuyển giao mềm tăng lên (vd, khi có nhiều sector ở trạng thái hoạt động hơn), ta sẽ làm giảm dung lượng kênh truyền, nếu trong trường hợp chuyển giao mềm 3 hướng. Điều này dựa vào thực tế rằng bộ thu không thể kết hợp mọi đường tín hiệu từ cả hai miền thời gian (RAKE) và không gian (anten đôi) vì nó bị giới hạn bởi số lượng bản sao (nhắc lại rằng một đường từ một sector sẽ cần tối thiểu 2 bản sao trong kiến trúc này để có thể đạt được dung lượng tốt đa) Bảng 11.2 Tác động của sự chuyển giao lên dung lượng kênh truyền, dải PCS Trạng thái chuyển giao Số lượng bản sao Anten roi OC MRC Chuyển búp Độ tăng dung lượng cho Anten roi (dB) Một sector 4 Giá trị đầu 3.2 2.4 1.6 6 0.1 3.5 2.7 1.7 8 0.1 3.6 2.8 1.7 SHO hai đường 4 Giá trị đầu 2.4 1.7 1.0 6 0.3 3.2 2.4 1.2 8 0.4 3.6 2.7 1.3 SHO ba đường 4 Giá trị đầu 2.0 1.3 0.6 6 0.4 2.7 2.0 1.0 8 0.6 3.3 2.6 1.1 Tác động của sự khác biệt này trong công suất bộ thu ở cả 2 anten về chất lượng được biểu diễn ở hình 11.12. Ta có thể quan sát được 2 vùng chất lượng rõ rằng, một vùng cho thấy sự khác biệt lớn về công suất thu của mỗi anten, công suất này tương ứng với phần bên tay trái và tay phải. Trong trường hợp này, ta thế rằng việc tận dụng anten đôi sẽ có chất lượng tốt hơn không nhiều so với anten đơn. Trong vùng thứ 2, công suất thu trên mỗi anten là như nhau, dung lượng tăng đáng kể với bộ thu anten đôi vì đây là những điều kiện tối ưu để đạt được sự phân tập và lợi ích của việc định dạng búp sóng. Một điểm khác từ đồ thị này là ta có thể vẽ các kết Nghiên cứu, khảo sát và và ứng dụng anten trong thông tin vô tuyến Trang 356 Chương 11 Anten thông minh trong các trạm di động quả này là việc kết hợp tối ưu (OC) sẽ luôn luôn có chất lượng vượt trôi so với các kỹ thuật khác, theo sau là kết hợp tỉ số tối đa (MRC). Hình 11.12 Độ lợi về dung lượng theo công suất thu giữa anten roi và anten nội cho dải CS, RAKE 6 bản sao 11.7. Tăng dung lượng đường xuống Như đã đề cập ở phần trước, giảm sẽ làm tăng dung lượng kênh truyền. Đầu tiên, trong các phần của hệ thống nơi mà dung lượng kênh truyền bị giới hạn bởi đường downlink, các điện thoại anten đôi sẽ tăng dung lượng đường downlink để phối hợp với dung lượng đường uplink hoặc đến khi dung lượng đường uplink cao hơn bị giới hạn. Thứ hai, các dịch vụ dữ liệu tốc độ cao cần nhiều nguồn downlink hơn là uplink. Bằng cách cho ra đời điện thoại anten đôi, dung lượng đường downlink tăng lên để dùng cho các dịch vụ dữ liệu. Cuối cùng, dung lương đường downlink tăng lên có thể được phối hợp bằng việc tăng dung lượng đường lên bằng cách dùng anten mảng tại trạm gốc. Giả sử rằng mọi giá trị tăng trong để làm tăng dung lượng được tận dụng để làm tăng đường downlink; khi đó ta tiến hành chỉ ra bao nhiêu dung lượng có thể đạt được bằng cách dùng các MS có anten đôi với bộ thu đôi. Từ (11.6), dung lượng đường downlink của một hệ thống CDMA trong một MS thông thường như sau Nghiên cứu, khảo sát và và ứng dụng anten trong thông tin vô tuyến Trang 357 Chương 11 Anten thông minh trong các trạm di động ( ) [( ) ] Công thức này được suy ra dựa trên tiền đề là dung lượng kênh truyền bị giới hạn bởi tổng công suất phát trạm gốc, một phần của nó sẽ đượng đưa vào các kênh chung hoặc và phần công suất còn lại được cấp phát cho các kênh lưu lượng hoặc kênh được chỉ định của thuê bao trong sector. Tương tự, dung lượng có thể đạt được bằng các MS phân tập hoặc có anten đôi có dạng ( ) [( ) ] Khi đó ta có [( ) ] [( ) ] Giả sử rằng sector đang hỗ trợ cho những MS cố định có Nconv và Ndiv đại diện cho số lượng trạm phân tập và trạm thông thường, một cách tương ứng. Khi đó ta có [( ) ] [( ) ] [( ) ] Trong đó ta đã cho rằng phần công suất phát của trạm gốc trong trường hợp các MS hỗn hợp và thông thường là giống nhau. Biểu thức (11.23) có thể được viết lại như sau ( ) Với ( ) [( ) ] [( ) ] Đặt dung lượng của sectorcho các MS hỗn hợp là , ta có ( ) ( ) Nghiên cứu, khảo sát và và ứng dụng anten trong thông tin vô tuyến Trang 358 Chương 11 Anten thông minh trong các trạm di động Với là phần trăm số MS có chức năng phân tập trong sector. Biểu thức (11.24) thật ra là tượng trưng cho việc tổng dung lượng có thể đạt được và được biểu diễn ở hình 11.13 với và ( ) khác nhau. Ta có thể thấy rằng khi số phần trăm điện thoại có chức năng phân tập tăng lên, thì dung lượng kênh truyền cũng tăng lên. Chú ý rằng dung lượng kênh truyề nsẽ gấp đôi khi ( ) . Hình 11.13 Quan hệ giữa dung lượng sector với phần trăm MS có anten đôi khi ( ) thay đổi 11.8. Tổng kết Dung lượng đường downlink của một sector CDMA có thể được gấp đôi lên nếu tất cả MS trong sector đều có bộ thu anten đôi. Dung lượng kênh sẽ tăng lên do độ nhạy tín hiệu trung bình của bộ thu của điện thoại được gấp đôi lên trong qua trình kết hợp thích nghi của các bộ thu anten. Khi độ nhạy tăng gấp đôi, công suất phát trung bình của trạm gốc cho mỗi điện thoại sẽ được giảm đi một nửa. Do đó, sẽ làm gấp đôi số lượng cuộc gọi hoạt động đường downlink. Dung lượng đường downlink tăng lên và tỉ lệ với số lượng điện thoại có anten đôi trong hệ thống. Dung lượng tăng lên có thể được dùng theo 3 cách. Thứ nhất, khi dung lượng kênh bị giới hạn bởi đường downlink, các điện thoại có anten đôi sẽ sẽ làm tăng tổng dung lượng mạng. Thứ hai, điện thoại có anten đôi sẽ làm tăng Nghiên cứu, khảo sát và và ứng dụng anten trong thông tin vô tuyến Trang 359 Chương 11 Anten thông minh trong các trạm di động dung lượng cho các dịch vụ dữ liệu có dung lượng cao. Cuối cùng là, việc làm tăng dung lượng đường downlink có thể được phối hợp với việc làm tăng dung lượng đường uplink bằng cách dùng nhiều anten mảng tại trạm gốc. Yếu tố chính làm tăng độ nhạy là độ phân tập, giảm can nhiễu và góc mở.