Đề tài Ănten thông minh và ứng dụng trong WCDMA

Đồ án tốt nghiệp Đại học Ănten thông minh và ứng dụng trong WCDMA Đồ án tốt nghiệp Đại học Mục lục MỤC LỤC THUẬT NGỮ VÀ TỪ VIẾT TẮT ..............................................................................iii DANH MỤC CÁC HÌNH .............................................................................................vii DANH MỤC CÁC BẢNG ..............................................................................................x LỜI NÓI ĐẦU ...............................................................................................................xii CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĂNTEN THÔNG MINH ......................................15 1.1 M λ đầu .................................................................................................................15 1.2 Hệ thống ănten thông minh ................................................................................15 1.2.1 Khái niệm .....................................................................................................15 1.2.2 Nguyên lý hoạt động của ănten thông minh .................................................16 1.2.3 Cấu trúc sắp xếp của các phần tử ănten ........................................................17 1.2.4 Các tham số dàn ănten .................................................................................18 1.3 Mô hình tín hiệu .................................................................................................19 1.4 Ưu điểm của ănten thông minh trong thông tin di động ...............................23 1.4.1 Giảm trải trễ và pha đinh đa đường ...............................................................23 1.4.2 Giảm nhiễu đồng kênh .................................................................................25 1.4.3 Tăng dung lượng hệ thống và cải thiện hiệu suất phổ ...................................26 1.4.4 Tăng hiệu suất truyền dẫn ............................................................................26 1.4.5 Giảm chuyển giao ........................................................................................26 1.4.6 M λ rộng tầm sóng .......................................................................................26 1.4.7 Tăng diện tích vùng phủ sóng ......................................................................28 1.4.7.1 Mức độ vùng phủ của ănten thu đơn phần tử .........................................28 1.4.7.2 Mức độ vùng phủ của ănten thu L phần tử .............................................29 1.4.8 Giảm công suất phát trạm di động ...............................................................31 1.4.9 Cải thiện chất lượng tín hiệu ........................................................................31 1.4.10 Tăng tốc độ dữ liệu ...................................................................................31 1.5 Tổng kết ...............................................................................................................31 CHƯƠNG II: CÁC KỸ THUẬT TRONG ĂNTEN THÔNG MINH .....................18 2.1. Kết hợp phân tập .............................................................................................18 2.1.1 Phân tập chuyển mạch .................................................................................18 2.1.2 Phân tập lựa chọn (SD) ................................................................................19 2.1.3 Phân tập kết hợp tỷ lệ tối đa (MRC) ............................................................20 2.1.4 Kết hợp độ lợi cân bằng (EGC) ...................................................................22 2.1.5 Kết hợp lựa chọn tổng quát hoá GSC (Generalized Selection Combining) ...22 2.1.6 Tổng kết ......................................................................................................25 2.2 Tạo búp sóng .......................................................................................................26 2.2.1 Ví dụ về tạo búp sóng ..................................................................................26 2.2.2 Các loại tạo búp sóng ...................................................................................28 2.2.2.1 Tạo búp sóng tương tự ...........................................................................28 Đinh Thị Thái Mai , D01VT i Đồ án tốt nghiệp Đại học Mục lục 2.2.2.2 Tạo búp sóng số .....................................................................................28 2.2.2.3 Tạo búp sóng không gian phần tử ...........................................................28 2.2.2.4 Tạo búp sóng không gian – búp sóng ....................................................30 2.2.3 Kỹ thuật tham chiếu thời gian ......................................................................33 2.2.3.1 Bình phương trung bình tối thiểu ............................................................34 2.2.3.2 Bình phương trung bình tối thiểu chuẩn hoá (NLMS) ............................37 2.2.3.3 Nghịch đảo ma trận mẫu (SMI) ..............................................................38 2.2.3.4 Bình phương tối thiểu đệ quy (RLS) ........................................................44 2.2.4 Kỹ thuật tham chiếu không gian - Định cỡ ănten ........................................46 2.2.5 Thuật toán mô đun hằng (CM) ...................................................................48 2.3 Tổng kết ..............................................................................................................50 CHƯƠNG III: ỨNG DỤNG ĂNTEN THÔNG MINH TẠI MÁY CẦM TAY TRONG HỆ THỐNG WCDMA ..................................................................................52 Chương này sẽ trình bày ứng dụng của ănten thông minh tại máy cầm tay trong hệ thống 3G WCDMA, cũng như cấu trúc của bộ thu theo các lược đồ khác nhau. Đồng thời, chương cũng giới thiệu các mô hình kênh vô tuyến liên quan. ............................................................................................................................52 3.1 Ănten thông minh tại máy cầm tay ..................................................................52 3.2 Hệ thống truyền thông vô tuyến thế hệ 3 .........................................................54 3.2.1 Hệ thống 3GPP .............................................................................................55 3.2.2 Hệ thống cdma2000 ....................................................................................57 3.2 Các lược đồ kết hợp ............................................................................................58 3.2.1 Kết hợp phân tập ..........................................................................................58 3.3.2 Kết hợp tương thích .....................................................................................59 3.3.3 Kết hợp lai ghép ..........................................................................................61 3.4 Mô hình kênh .......................................................................................................62 3.4.1 Giới thiệu chung về mô hình kênh ................................................................62 3.4.2 Tương quan đường bao ................................................................................64 3.4.3 Mô hình kênh pha đinh tương quan không gian và mô hình kênh pha đinh tương quan không chặt ..........................................................................................65 3.4.4 Mô hình kênh pha đinh tương quan đường bao ............................................66 3.4.5 Thủ tục lấy profile kênh sử dụng GBSB ......................................................68 3.4.5.1 Mô hình GBSB .........................................................................................68 3.4.5.2 Thủ tục lấy profile kênh sử dụng GBSB ..................................................70 3.4.6 Mô hình kênh có phađinh logarit chuẩn .......................................................71 3.5 Tổng kết ...............................................................................................................72 CHƯƠNG IV: ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG CỦA ĂNTEN THÔNG MINH TẠI MÁY CẦM TAY ...........................................................................................................74 4.1 Hiệu năng của kết hợp phân tập .......................................................................74 4.1.1 Môi trường mô phỏng ..................................................................................74 4.1.2 Các kết quả mô phỏng trong mô hình kênh đường tròn GBSB .....................75 Đinh Thị Thái Mai , D01VT ii Đồ án tốt nghiệp Đại học Mục lục 4.1.3 Các kết quả mô phỏng trong mô hình kênh elip GBSB ..............................80 4.2 Hiệu năng của kết hợp tương thích .................................................................86 4.2.1 Môi trường mô phỏng ..................................................................................86 4.2.2 Các kết quả mô phỏng cho AC ...................................................................87 4.3 Hiệu năng của kết hợp lai ghép ........................................................................89 4.3.1 Môi trường mô phỏng cho mô hình GBSB ..................................................89 4.3.2 Hiệu năng của DC và AC trong mô hình GBSB ..........................................90 4.3.3 Hiệu năng của HC đối với mô hình GBSB ...................................................94 4.4 Tổng kết ...............................................................................................................96 KẾT LUẬN ....................................................................................................................97 TÀI LIỆU THAM KH¶O .............................................................................................99 Đinh Thị Thái Mai , D01VT iii Đồ án tốt nghiệp Đại học Thuật ngữ và các từ viết tắt 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 theo mã 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 ECFCM Envelope correlated Fading Channel Model Mô hình kênh pha đinh 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 F FDMA Frequency Division MultiAccess Đa truy cập phân chia theo tần số Đinh Thị Thái Mai , D01VT iii Đồ án tốt nghiệp Đại học Thuật ngữ và các từ viết tắt FDD Frequency Division Duplex Ghép song công theo tần số G GBSB Geometrically - Based 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 H HC Hybrid Combining Kết hợp lai ghép I IMT International Mobile Telecommunication Hội thông tin di động quốc tế ITU International Telecommunication Union Liên đoàn viễn thông quốc tế IF Intermidiate Frequency Trung tần L LCFCM Loosely Correlated Fading Channel Model Mô hình kênh pha đinh tương quan không chặt LOS Line Of Sight đường truyền thẳng M 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 N NLMS Normalized Least Mean Square Bình phương trung bình tối thiểu chuẩn hoá NT-GSC Normalized Threshold Kết hợp lựa chọn tổng quát Đinh Thị Thái Mai , D01VT iv Đồ án tốt nghiệp Đại học Thuật ngữ và các từ viết tắt Generalized Selection Combining ngưỡng chuẩn hoá P PDF Propability Density Function Hàm mật độ phổ công suất PCH Pilot Channel Kênh hoa tiêu PN Pseudo - Noise Giả tạp âm Q QPSK Quadrature Phase Shift Keying Khoá dịch pha toàn phương R RF Radio Frequency Tần số vô tuyến RLS Recurstive Least Square Bình phương tối thiểu đệ quy S SA Smart Antenna Ănten 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 nhiễu SLC 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 T TDD Time Division Duplex ghép song công phân chia theo thời gian TDMA Time Division Multiple Access đa truy cập phân chia theo thời gian Đinh Thị Thái Mai , D01VT v Đồ án tốt nghiệp Đại học Thuật ngữ và các từ viết tắt TIA Telecommunication Industry Association Hội công nghiệp viễn thông U UC Unit Controll Đơn vị điều khiển UCFCM Uncorrelated Fading Channel Model Mô hình kênh pha đinh không tương quan W WLAN Wireless Local Area Network Mạng vô tuyến nội hạt Đinh Thị Thái Mai , D01VT vi Đồ án tốt nghiệp Đại học Danh mục các hình DANH MỤC CÁC HÌNH THUẬT NGỮ VÀ TỪ VIẾT TẮT..............................................................................iii DANH MỤC CÁC HÌNH.............................................................................................vii DANH MỤC CÁC BẢNG..............................................................................................x LỜI NÓI ĐẦU...............................................................................................................xii CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĂNTEN THÔNG MINH......................................15 1.1 M λ đầu.................................................................................................................15 1.2 Hệ thống ănten thông minh................................................................................15 1.2.1 Khái niệm.....................................................................................................15 Hình 1.1: Dàn ănten thông minh..........................................................................................................16 1.2.2 Nguyên lý hoạt động của ănten thông minh.................................................16 1.2.3 Cấu trúc sắp xếp của các phần tử ănten........................................................17 Hình 1.2: Các loại cấu trúc ănten thông minh......................................................................................17 1.2.4 Các tham số dàn ănten.................................................................................18 Hình 1.3: Hệ số dàn của dàn ănten tuyến tính với khoảng cách ănten là được định hướng tại 00, đáp ứng của mỗi phần tử dàn ănten và mẫu bức xạ do kết hợp cả hai điều kiện trên................................19 1.3 Mô hình tín hiệu.................................................................................................19 Hình 1.4: Hệ số dàn của dàn ănten tuyến tính đồng nhất 8 phần tử với khoảng cách các ănten con là và 3.......................................................................................................................................................20 Hình 1.5: Sơ đồ thu tín hiệu của dàn ănten tuyến tính không gian.....................................................20 Hình 1.6: Bộ tạo búp sóng cộng các tín hiệu phần tử ănten gán trọng số,...........................................21 1.4 Ưu điểm của ănten thông minh trong thông tin di động...............................23 1.4.1 Giảm trải trễ và pha đinh đa đường...............................................................23 Hình 1.7:Minh hoạ thành phần truyền thẳng từ trạm gốc đến trạm di động cho thấy hướng di chuyển của trạm di động, .................................................................................................................................24 Hình 1.8: Phổ Doppler tại trạm di động, khi sử dụng một ănten có hướng tại trạm gốc, và một ănten vô hướng tại trạm di động, được so sánh với mô hình Clarke, R = 1km, D= 3km, fm = 100 Hz.......25 1.4.2 Giảm nhiễu đồng kênh.................................................................................25 1.4.3 Tăng dung lượng hệ thống và cải thiện hiệu suất phổ...................................26 1.4.4 Tăng hiệu suất truyền dẫn............................................................................26 1.4.5 Giảm chuyển giao........................................................................................26 1.4.6 M λ rộng tầm sóng.......................................................................................26 Hình 1.9 : Hệ số tầm sóng theo số phần tử của ănten..........................................................................27 1.4.7 Tăng diện tích vùng phủ sóng......................................................................28 1.4.7.1 Mức độ vùng phủ của ănten thu đơn phần tử.........................................28 Hình 1.10 : Mức độ phủ phân đoạn cell đối với anten thu đơn phần tử...............................................29 1.4.7.2 Mức độ vùng phủ của ănten thu L phần tử.............................................29 Hình 1.11 : Mức độ phủ phân đoạn cell đối với anten thu nhiều phần tử...........................................31 1.4.8 Giảm công suất phát trạm di động...............................................................31 1.4.9 Cải thiện chất lượng tín hiệu........................................................................31 1.4.10 Tăng tốc độ dữ liệu...................................................................................31 1.5 Tổng kết...............................................................................................................31 Đinh Thị Thái Mai , D01VT vii Đồ án tốt nghiệp Đại học Danh mục các hình CHƯƠNG II: CÁC KỸ THUẬT TRONG ĂNTEN THÔNG MINH.....................18 2.1. Kết hợp phân tập .............................................................................................18 2.1.1 Phân tập chuyển mạch .................................................................................18 Hình 2.1 : Kết hợp phân tập chuyển mạch...........................................................................................19 2.1.2 Phân tập lựa chọn (SD)................................................................................19 Hình 2.2 : Kết hợp phân tập lựa chọn..................................................................................................19 2.1.3 Phân tập kết hợp tỷ lệ tối đa (MRC)............................................................20 Hình 2.3 : Kết hợp tỷ kệ tối đa.............................................................................................................22 2.1.4 Kết hợp độ lợi cân bằng (EGC)...................................................................22 2.1.5 Kết hợp lựa chọn tổng quát hoá GSC (Generalized Selection Combining)...22 Bảng 2.1: So sánh ba kỹ thuật kết hợp GSC...................................................................................23 Hình 2.4: SNR kết hợp của GSC, AT-GSC và NT-GSC.....................................................................25 2.1.6 Tổng kết......................................................................................................25 Bảng 2.2: SNR trung bình với kết hợp phân tập.............................................................................25 2.2 Tạo búp sóng.......................................................................................................26 2.2.1 Ví dụ về tạo búp sóng..................................................................................26 Hình 2.5: Bộ thu tạo búp sóng 2 phần tử có tín hiệu mong muốn tại góc 00 và tín hiệu nhiễu tại 300, khoảng cách giữa các phần tử là .........................................................................................................27 2.2.2 Các loại tạo búp sóng...................................................................................28 2.2.2.1 Tạo búp sóng tương tự...........................................................................28 2.2.2.2 Tạo búp sóng số.....................................................................................28 2.2.2.3 Tạo búp sóng không gian phần tử...........................................................28 Hình 2.6: mẫu búp sóng được tạo ra sử dụng phương trình 1.5 với dàn ănten 2 phần tử với khoảng cách giữa các phần tử là /2 và các trọng số ănten là 0.5j0.5. Tín hiệu mong muốn tại 00, nhiễu tại 300, trong khi đó SNR = 9.0 dB và INR = 9.0 dB...............................................................................29 Hình 2.7: Bộ thu tạo búp sóng không gian-phần tử với L phần tử ănten có khả năng định dạng K búp sóng......................................................................................................................................................30 2.2.2.4 Tạo búp sóng không gian – búp sóng....................................................30 Hình 2.8: Bộ thu tạo búp sóng không gian – búp sóng với L phần tử ănten có khả năng định dạng K búp sóng...............................................................................................................................................31 Hình 2.9: Hệ số dàn, F(), của dàn ănten 5 phần tử sử dụng tạo búp sóng không gian – búp sóng cho thấy có thể tạo ra bốn búp sóng trực giao không gian.........................................................................32 2.2.3 Kỹ thuật tham chiếu thời gian......................................................................33 Hình 2.10: Cấu trúc của bộ tạo búp sóng tham chiếu thời gian với L phần tử ănten...........................33 2.2.3.1 Bình phương trung bình tối thiểu............................................................34 Hình2.11:Ví dụ về bề mặt lỗi toàn phương và các trọng số của hệ thống hai phần tử theo hướng âm của gradient để tối thiểu hoá lỗi bình phương trung bình....................................................................35 2.2.3.2 Bình phương trung bình tối thiểu chuẩn hoá (NLMS)............................37 2.2.3.3 Nghịch đảo ma trận mẫu (SMI)..............................................................38 Hình 2.12: SINR chuẩn hoá kỳ vọng (SNR), E[] được đánh giá từ phương trình 3.50, với số lượng mẫu đầu ra dàn khác nhau, theo số lượng các phần tử dàn ănten, được sử dụng để tạo ma trận tương quan chỉ nhiễu hoặc chỉ tạp âm. SNR tại mỗi phần tử ănten là 12.0 dB..............................................40 Hình 2.13: SNR tại đầu ra của bộ kết hợp dàn được xác định b λi SNR tối ưu và mô phỏng theo phương trình 3.67với số lượng mẫu đầu ra dàn khác nhau, theo số lượng các phần tủe của dàn ănten, được sử dụng để tạo ma trận tương quan chỉ nhiễu hoặc chỉ tạp âm. SNR tại mỗi phần tử ănten là 12.0 dB.................................................................................................................................................41 Hình 2.14:SNR chuẩn hoá, , đối với số lượng các mẫu khác nhau, theo số các phần tử ănten . Các kết quả được biễu diễn cho , và cho cả hai nguyên lý, theo phương trình2.44,2.45,2.51 và mô phỏng. Các phần tử ănten cách nhau /2. SNR tại mỗi phần tử ănten là 12.0 dB.....................................................43 2.2.3.4 Bình phương tối thiểu đệ quy (RLS)........................................................44 2.2.4 Kỹ thuật tham chiếu không gian - Định cỡ ănten ........................................46 Đinh Thị Thái Mai , D01VT viii Đồ án tốt nghiệp Đại học Danh mục các hình Hình 2.15: Sơ đồ khối của bộ thu dàn ănten 8x8 phần tử và hệ thống định chuẩn vốn có của Passman và Wixforth cho thấy các cổng phân cực phương ngang và phương thẳng đứng................................48 2.2.5 Thuật toán mô đun hằng (CM)...................................................................48 2.3 Tổng kết ..............................................................................................................50 CHƯƠNG III: ỨNG DỤNG ĂNTEN THÔNG MINH TẠI MÁY CẦM TAY TRONG HỆ THỐNG WCDMA..................................................................................52 Chương này sẽ trình bày ứng dụng của ănten thông minh tại máy cầm tay trong hệ thống 3G WCDMA, cũng như cấu trúc của bộ thu theo các lược đồ khác nhau. Đồng thời, chương cũng giới thiệu các mô hình kênh vô tuyến liên quan.............................................................................................................................52 3.1 Ănten thông minh tại máy cầm tay..................................................................52 Hình 3.1: Hệ thống ănten kép cho HDR..............................................................................................52 Hình 3.2 : Bộ cầm tay ănten thông minh cho hệ thống DECT............................................................53 Hình 3.3: Hệ thống ănten thông minh so với hệ thống một ănten.......................................................54 3.2 Hệ thống truyền thông vô tuyến thế hệ 3.........................................................54 3.2.1 Hệ thống 3GPP.............................................................................................55 Hình 3.4: Sơ đồ khối bộ phát đường xuống của hệ thống 3GPP.........................................................56 3.2.2 Hệ thống cdma2000....................................................................................57 Hình 3.5 : Đường xuống của cdma2000..............................................................................................58 3.2 Các lược đồ kết hợp............................................................................................58 3.2.1 Kết hợp phân tập..........................................................................................58 Hình 3.6: Kết hợp phân tập..................................................................................................................59 3.3.2 Kết hợp tương thích.....................................................................................59 Hình 3.7: Kết hợp tương thích.............................................................................................................60 3.3.3 Kết hợp lai ghép..........................................................................................61 Hình 3.8: Bộ kết hợp lai ghép của hệ thống ănten kép........................................................................62 3.4 Mô hình kênh.......................................................................................................62 3.4.1 Giới thiệu chung về mô hình kênh................................................................62 Hình 3.9: Biến thiên mức tín hiệu thu..................................................................................................63 Hình 3.10: Sự khác pha trong dàn ănten tuyến tính.............................................................................64 3.4.2 Tương quan đường bao................................................................................64 Hình 3.11: Tương quan đường bao đối với khoảng cách ănt...............................................................65 3.4.3 Mô hình kênh pha đinh tương quan không gian và mô hình kênh pha đinh tương quan không chặt..........................................................................................65 Hình 3.12: Hai mô hình kênh...............................................................................................................66 3.4.4 Mô hình kênh pha đinh tương quan đường bao............................................66 Hình 3.13: Mô hình kênh phađinh tương quan đường bao..................................................................67 Hình 3.14: Hai tín hiệu pha đinh Rayleigh trong ECFCM..................................................................68 3.4.5 Thủ tục lấy profile kênh sử dụng GBSB......................................................68 3.4.5.1 Mô hình GBSB.........................................................................................68 Hình 3.15: Hình học của mô hình GBSB đường tròn..........................................................................69 Hình 3.16: Hình học của mô hình GBSB elip......................................................................................70 3.4.5.2 Thủ tục lấy profile kênh sử dụng GBSB..................................................70 Hình 3.17: Dạng kênh của mô hình elip và đường tròn GBSB...........................................................71 3.4.6 Mô hình kênh có phađinh logarit chuẩn.......................................................71 Hình 3.18: Mô hình kênh pha đinh không tương quan........................................................................72 Đinh Thị Thái Mai , D01VT ix Đồ án tốt nghiệp Đại học Danh mục các hình 3.5 Tổng kết...............................................................................................................72 CHƯƠNG IV: ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG CỦA ĂNTEN THÔNG MINH TẠI MÁY CẦM TAY...........................................................................................................74 4.1 Hiệu năng của kết hợp phân tập.......................................................................74 4.1.1 Môi trường mô phỏng..................................................................................74 Hình 4.1: Bộ thu ănten thông minh kép với bộ kết hợp phân tập........................................................74 4.1.2 Các kết quả mô phỏng trong mô hình kênh đường tròn GBSB.....................75 Hình 4.2: BER với các lược đồ phân tập và hai mô hình kênh............................................................77 Hình 4.3: BER với các khoảng cách ănten khác nhau.........................................................................77 Hình 4.4 : BER với các độ trễ lớn nhất khác nhau...............................................................................78 Hình 4.5: BER với số lượng người sử dụng khác nhau.......................................................................79 Hình 4.6: BER với số lượng đa đường khác nhau...............................................................................80 4.1.3 Các kết quả mô phỏng trong mô hình kênh elip GBSB ..............................80 Hình 4.7: BER với ba lược đồ kết hợp và hai mô hình kênh...............................................................82 Hình 4.8: BER với số lượng người sử dụng khác nhau.......................................................................83 Hình 4.9: BER với các vận tốc di chuyển khác nhau...........................................................................83 Hình 4.10: BER với số lượng đa đường khác nhau.............................................................................84 Hình 4.11: So sánh BER trong mô hình elip và đường tròn GBSB.....................................................85 Bảng 4.1: So sánh hiệu năng của EGC và MRC.............................................................................86 4.2 Hiệu năng của kết hợp tương thích .................................................................86 4.2.1 Môi trường mô phỏng..................................................................................86 4.2.2 Các kết quả mô phỏng cho AC...................................................................87 Hình 4.12: BER trong mô hình đường tròn và elip GBSB..................................................................88 Hình 4.13: BER với các vận tốc khác nhau.........................................................................................89 4.3 Hiệu năng của kết hợp lai ghép........................................................................89 4.3.1 Môi trường mô phỏng cho mô hình GBSB..................................................89 4.3.2 Hiệu năng của DC và AC trong mô hình GBSB..........................................90 Hình 4.14: Hiệu năng của DC và AC với các khoảng cách ănten khác nhau......................................91 Hình 4.15: Hiệu năng của DC và AC với các vận tốc di chuyển khác nhau.......................................92 Hình 4.16: Hiệu năng của DC và AC với các tương quan đường bao khác nhau................................93 4.3.3 Hiệu năng của HC đối với mô hình GBSB...................................................94 Hình 4.17 : Hiệu năng của HC với các vận tốc khác nhau..................................................................96 4.4 Tổng kết...............................................................................................................96 KẾT LUẬN....................................................................................................................97 TÀI LIỆU THAM KH¶O.............................................................................................99 Đinh Thị Thái Mai , D01VT x Đồ án tốt nghiệp Đại học Danh mục các bảng DANH MỤC CÁC BẢNG xĐinh Thị Thái Mai , D01VT x Đồ án tốt nghiệp Đại học Lời nói đầu LỜI NÓI ĐẦU Thông tin di động ra đời vào cuối những năm 1940. Khi đó phương thức thông tin mới này chỉ là những hệ thống thông tin di động điều vận. Đến nay thông tin di động đã tr λ thành hệ thống toàn cầu và trải qua nhiều thế hệ . Thế kỷ 21 của chúng ta đã 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. Với lượng dân số thế giới là trên 6 tỷ người, thì 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. Làm thế nào để nâng cao dung lượng của hệ thống nhưng không làm tăng băng tần của vô tuyến? Làm thế nào để hệ thống đảm bảo cung cấp dịch vụ với giá thành rẻ, chất lượng và tốc độ truyền dữ liệu cao, đồng thời phải giảm thiểu năng lượng truyền tín hiệu từ thuê bao nhằm tăng tuổi thọ của pin, làm cho cấu trúc của máy di động ngày càng gọn nhẹ? Việc đi tìm lời giải cho các câu hỏi này quả là một thách thức lớn cho các nhà quản lý và khai thác mạng viễn thông cũng như các nhà thiết kế hệ thống vì dường như các yêu cầu này không có tính dung hoà với nhau. Đã có rất nhiều giải pháp đưa ra nhằm giải quyết những vướng mắc này. Trong hệ thống những giải pháp đó, ănten thông minh với những ưu điểm vượt trội đã tr λ thành một giải pháp quan trọng được chú ý và lựa chọn. Ănten thông minh bắt đầu được nghiên cứu từ những năm 90 và ngày nay đang được triển khai rộng rãi nhiều nơi trên thế giới. Ănten thông minh giúp giải quyết vấn đề xuyên nhiễu giữa các máy di động ảnh hư λng lên nhau và tạp âm của môi trường truyền dẫn vô tuyến bằng cách tăng SINR. Ănten thông minh còn cải thiện tín hiệu đầu thu, tăng dung lượng hệ thống, m λ 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 cầm tay, cho phép truy cập dữ liệu tốc độ cao. Công nghệ ănten áp dụng kỹ thuật đa truy cập phân chia theo không gian SDMA, bên cạnh đó còn kết hợp các kỹ thuật đa truy cập khác như CDMA, TDMA và FDMA và 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, ănten 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. Và mặc dù đã được nghiên cứu nhiều năm nhưng cho đến nay, ănten thông minh luôn là một vấn đề thu hút sự quan tâm của nhiều người. Đinh Thị Thái Mai , D01VT xii Đồ án tốt nghiệp Đại học Lời nói đầu Xuất phát từ những vấn đề trên, em đã lựa chọn đề tài nghiên cứu của mình là “Ănten thông minh và ứng dụng trong WCDMA”. Đề tài đã đi vào nghiên cứu từ những kiến thức cơ bản nhất cho đến những ứng dụng mới mẻ của ănten thông tại máy cầm tay trong hệ thống WCDMA. Theo đó, đề tài tiến hành nghiên cứu các nội dung chính theo bố cục gồm bốn chương. Chương I: Trình bày một cách tổng quan về ănten thông minh bao gồm : Khái niệm, nguyên lý hoạt động, cấu trúc và các tham số dàn ănten, mô hình tín hiệu và những lợi ích khi sử dụng ănten thông minh trong hệ thống thông tin di động. Chương II: Trình bày các thuật toán được áp dụng trong ănten thông minh bao gồm: kết hợp phân tập và kết hợp tương thích. Ngoài việc giới thiệu các thuật toán được sử dụng trong ănten thông minh, chương còn đưa ra những phân tích, đánh giá và so sánh các thuật toán này với nhau. Chương III: Đi vào nghiên cứu ứng dụng của ănten thông minh tại máy cầm tay trong hệ thống WCDMA, gồm hệ thống 3GPP và cdma2000. Chương đã giới thiệu một số các cấu trúc của hệ thống ănten thông minh kép được tích hợp trong các đầu cuối di động. Theo đó, chương cũng đưa ra những cấu trúc của ănten thông minh trong các môi trường truyền lan khác nhau cũng như ănten thông minh sử dụng các thuật toán khác nhau trong thực tế. Chương IV: Đánh giá hiệu năng của việc sử dụng ănten thông minh tại máy cầm tay khi sử dụng các lược đồ kết hợp phân tập, tương thích hay lai ghép cho hệ thống 3 GPP. Đồng thời trong chương cũng đã có những phép 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 m λ ra những hướng phát triển mới để hoàn thiện hơn nữa đề tài này trong thời gian tới. Do giới hạn về thời gian và phạm vi của đồ án tốt nghiệp nên đồ án chỉ đi vào nghiên cứu một phần rất nhỏ trong pham vi rộng lớn của lĩnh vực thông tin di động nói chung và ănten thông minh nói riêng. Mặc dù người thực hiện đã có nhiều cố gắng nhưng chắc chắn đồ án sẽ không tránh khỏi những thiếu sót nhất định. Rất mong được sự chỉ dẫn của các thầy cô giáo cũng như ý kiến đóng góp của các bạn bè. Em xin chân thành cảm ơn TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng đã tận tình hướng dẫn em trong suốt thời gian làm đồ án để em có được kết quả ngày hôm nay. Đinh Thị Thái Mai , D01VT xiii Đồ án tốt nghiệp Đại học Lời nói đầu Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong bộ môn vô tuyến cũng như các thầy cô giáo trong khoa viễn thông đã có những ý kiến đóng góp và tạo điều kiện cho em được hoàn thành tốt đồ án tốt nghiệp của mình. Xin chân thành cảm ơn bạn bè đã giúp đỡ tôi trong thời gian vừa qua. Xin chân thành cảm ơn ! Hà Nội, ngày 25 tháng 10 năm 2005 Sinh viên: Đinh Thị Thái Mai Đinh Thị Thái Mai , D01VT xiv Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương I. Tổng quan về ănten thông minh CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĂNTEN THÔNG MINH 1.1 M λ đầu Những năm gần đây, cùng với sự phát triển không ngừng của thông tin di động, công nghệ ănten trong hệ thống thông tin di động đang rất được quan tâm và đã có nhiều công trình nghiên cứu nhằm đáp ứng nhu cầu về chất lượng phục vụ cho mạng di động. Hệ thống ănten thông minh là một trong những thành tựu quan trọng trong công nghệ ănten với nhiều ưu điểm đã cải thiện đáng kể chất lượng, dung lượng mạng thông tin di động. Trong chương này, chúng ta sẽ đi tìm hiểu những nội dung cơ bản nhất của ănten thông minh và các vấn đề liên quan. 1.2 Hệ thống ănten thông minh 1.2.1 Khái niệm Ănten thông minh là một hệ thống dàn ănten gồm nhiều phần tử ănten có độ lợi thấp được bố trí trong không gian theo một trật tự nhất định và kết nối với nhau thông qua một mạch kết nối. Ănten thông minh có khả năng thay đổi đồ thị bức xạ thu hay phát (hay nói cách khác là các búp sóng) một cách linh hoạt sao cho thích hợp với môi trường tín hiệu trong cell di động. Chức năng của các phần tử ănten là giám sát tín hiệu theo không gian và thời gian. Khác với ănten thu đơn là chỉ thu cố định tín hiệu λ một vị trí không gian, ănten thông minh có khả năng thích ứng với các chuyển động cơ học của các thiết bị vô tuyến. Thường thì thuật ngữ “ănten” chỉ bao gồm chuyển đổi cấu trúc cơ học từ sóng điện từ tự do sang tín hiệu tần số vô tuyến truyền sóng trong môi trường cáp và ngược lại. Với ănten thông minh, thuật ngữ “ănten” có ý nghĩa m λ rộng hơn: nó bao gồm một mạng phân chia hoặc kết hợp và một đơn vị điều khiển (UC- Unit Control). Đơn vị điều khiển thể hiện sự thông minh của ănten, nó dùng các thuật toán phức tạp để điều khiển ănten. Thông thường UC là một bộ xử lý tín hiệu số DSP điều chỉnh các tham số của ănten dựa vào nhiều đầu vào, để tối ưu đường truyền thông tin. Như vậy, ănten thông minh tốt hơn nhiều so với ănten thông thường nhưng đồng thời nó cũng phức tạp hơn rất nhiều. Đinh Thị Thái Mai , D01VT 15 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương I. Tổng quan về ănten thông minh PhÇn tö 0 0W lW 1LW −1W PhÇn tö 1 PhÇn tö l PhÇn tö L-1 H­íng truyÒn sãng ph¼ng 0 ( )u t 1( )u t ( )lu t 1( )Lu t− MÆt pha sãng ph¼ng ®Õn phÇn tö 0 MÆt pha sãng ph¼ng ®Õn phÇn tö l ∑ Bé thu T¨ng Ých biÕn ®æi vµ bé dÞch pha x∆ sin∆ ∆ φ θd xcos= φ φ φ θ x y z M¹ch kÕt hîp Hình 1.1: Dàn ănten thông minh 1.2.2 Nguyên lý hoạt động của ănten thông minh Lúc đầu ănten chỉ đơn giản là bức xạ và nhận năng lượng như nhau theo mọi hướng. Để truyền tín hiệu đến thuê bao, nó phát sóng đẳng hướng theo phương ngang, Khi truyền tín hiệu như vậy thì nó không có ý thức nào về vùng lân cận thuê bao, năng lượng tín hiệu truyền đi một cách phân tán, phần năng lượng tín hiệu truyền đến thuê bao chỉ là một phần rất bé so với năng lượng mà ănten truyền ra môi trường xung quanh.Do hạn chế này mà công suất tín hiệu phát phải lớn hơn đầu thu mới nhận đủ một năng lượng tín hiệu cần thiết (SNR tại nơi thu đủ lớn). Trong trường hợp có nhiều thuê bao đồng kênh, khi nâng công suất truyền, phần năng lượng không đến được thuê bao mong muốn lại tr λ thành nguồn nhiễu đồng kênh cho các thuê bao khác. ý tư λng của hệ thống ănten thông minh là đồ thị bức xạ năng lượng tại các cell không cố định nữa mà là rất linh hoạt. Hệ thống ănten thông minh chỉ tập trung năng lượng về phía thuê bao mong muốn mà nó đang phục vụ. Mỗi thuê bao được phục vụ b Đinh Thị Thái Mai , D01VT 16 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương I. Tổng quan về ănten thông minh λi một đồ thị bức xạ của riêng nó. Trước đây, chỉ có trạm gốc mới có khả năng tích hợp ănten thông minh, các thuê bao vẫn phát và nhận năng lượng một cách đẳng hướng. Nhưng với những nghiên cứu mới đây, ănten thông minh đã được đưa vào sử dụng tại máy cầm tay. Và đây cũng chính là một trong những nội dung mà đồ án đi vào nghiên cứu. 1.2.3 Cấu trúc sắp xếp của các phần tử ănten Vị trí của các phần tử ănten luôn đóng một vai trò quan trọng trong việc tạo ra chất lượng của đồ thị bức xạ. Một đồ thị bức xạ đạt chất lượng cao trong ănten thông minh là búp sóng chính lớn hơn rất nhiều so với các búp phụ khác và hướng về phía thuê bao mong muốn, các nút sóng chỉ về phía các thuê bao nhiễu đồng kênh trong cell đó. ∆x x y ∆φ x y ∆y ∆z ∆x y x z∆x ∆y x y (a) Giµn ®­êng th¼ng (b) Giµn h×nh trßn (c) Giµn h×nh ch÷ nhËt (d) Giµn h×nh lËp ph­¬ng Hình 1.2: Các loại cấu trúc ănten thông minh Cấu trúc dàn đường thẳng : Đây là cấu trúc thông dụng nhất vì nó đơn giản, được sử dụng khi BS được chia thành nhiều vùng phủ sóng hình quạt. Trong cấu trúc này, khoảng cách giữa các phần tử là ∆ x. Búp sóng chính của hệ thống có thể phủ sóng trong một hình quạt. Cấu trúc dàn hình tròn: Các phần tử ănten tạo với tâm hệ thống một góc 2 /Npi∆ Φ = . Búp sóng chính của đồ thị bức xạ phủ toàn vùng ngang. Cấu trúc dàn chữ nhật và cấu trúc dàn lập phương: Điều khiển búp sóng theo cả hai phương dọc và ngang. Hai cấu trúc này cần thiết cho môi trường truyền sóng phức tạp (đô thị đông đúc). Về mặt lý thuyết nếu hệ thống có L phần tử ănten, có thể tạo L-1 nút sóng hướng về phía các thuê bao nhiễu đồng kênh trong cell.Tuy nhiên trong môi trường đa đường thì con số này có thể nhỏ hơn. Đinh Thị Thái Mai , D01VT 17 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương I. Tổng quan về ănten thông minh 1.2.4 Các tham số dàn ănten Dưới đây là một số các định nghĩa được sử dụng để mô tả hệ thống ănten: Mẫu bức xạ: Mẫu bức xạ của một ănten là sự phân phối tương đối công suất bức xạ như một hàm hướng trong không gian. Mẫu bức xạ của một ănten là kết quả của một mẫu phần tử và hệ số dàn, hai cái này được định nghĩa bên dưới. Nếu ),( φθf là mẫu bức xạ của mỗi phần tử ănten và ),( φθF là hệ số dàn thì mẫu bức xạ của dàn, ),( φθG , được gọi là mẫu búp sóng được cho b λi phương trình dưới đây: ),(),(),( φθφθφθ FfG = (1.1) Hình 1.3 là một ví dụ của đáp ứng phần tử ănten đã được cách điệu hoá, một hệ số dàn của dàn ănten tuyến tính 8 phần tử với một khoảng cách giữa các ănten phần tử là 2/λ hướng tại 00 và mẫu bức xạ, kết quả của việc kết hợp hai thành phần trên. Hệ số dàn: Hệ số dàn, ),( φθF , là mẫu bức xạ trường xa của dàn ănten gồm các phần tử bức xạ đẳng hướng, trong đó θ là góc phương vị và φ là góc ngẩng. Búp sóng chính: Búp sóng chính của một mẫu bức xạ ănten là búp sóng chứa hướng của công suất bức xạ lớn nhất. Búp sóng phụ: Búp sóng phụ là các búp sóng không tạo thành búp sóng chính. Chúng cho phép các tín hiệu được nhận theo các hướng khác hướng của búp sóng chính do đó, các búp sóng này là không mong muốn nhưng không thể tránh khỏi. Độ rộng búp sóng: Độ rộng búp sóng của một ănten là độ rộng góc của búp sóng chính. Độ rộng búp sóng 3 dB là độ rộng góc giữa các điểm trên búp sóng chính đạt giá trị 3 dB bên dưới đỉnh của búp sóng chính. Độ rộng búp sóng nhỏ hơn là kết quả của một dàn có kích thước rộng hơn nghĩa là khoảng cách giữa hai phần tử xa nhất của dàn. Hiệu suất ănten: Hiệu suất ănten là tỉ số của tổng công suất bức xạ của ănten trên tổng công suất đầu vào ănten. Búp sóng nhiễu xạ: Khi khoảng cách giữa các phần tử dàn ănten d > 2 λ thì xảy ra hiện tượng lấy mẫu không gian của sóng mang tần số vô tuyến nhận được, gây ra hiện tượng tối đa thứ cấp, được gọi là các búp sóng nhiễu xạ, xuất hiện trong mẫu bức xạ, chúng ta có thể thấy trong hình 1.4. Hiện tượng lấy mẫu không gian dẫn đến sự không rõ ràng trong hướng của các tín hiệu đến, điều này có nghĩa là xuất hiện những bản sao của búp sóng chính trong những hướng không mong muốn. Hiện tượng búp sóng nhiễu xạ trong lấy mẫu không gian tương tự với hiệu ứng gán biệt danh trong lấy mẫu thời gian. Do đó khoảng cách d giữa các phần tử trong dàn phải được chọn nhỏ hơn hoặc bằng 2/λ , để tránh các búp sóng nhiễu xạ . Tuy nhiên, khoảng cách không gian giữa các phần tử lớn Đinh Thị Thái Mai , D01VT 18 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương I. Tổng quan về ănten thông minh hơn 2/λ sẽ cải thiện giải pháp không gian cho dàn ănten, tức là giảm độ rộng búp sóng 3dB như trong hình 1.4, và giảm tính tương quan giữa các tín hiệu đến tại các phần tử ănten. B iª n ® é (d B ) Gãc (® é) M Éu p h ¸t x¹, H Ö sè d µn M Éu p h Çn tö , θ φ( , )G θ φ( , )F θ φ( , )f 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 0 -10 -20 -30 -40 -50 -60 θ Hình 1.3: Hệ số dàn của dàn ănten tuyến tính với khoảng cách ănten là 2/λ được định hướng tại 00, đáp ứng của mỗi phần tử dàn ănten và mẫu bức xạ do kết hợp cả hai điều kiện trên. 1.3 Mô hình tín hiệu Xét một dàn ănten gồm L thành phần ănten vô hướng đặt tại vùng xa của một nguồn điểm hình sin như λ hình 1.5. Giả thiết khoảng cách các phần tử dàn là d và mặt sóng phẳng m λ rộng trên dàn tại góc θ đối với pháp tuyến dàn, mặt sóng đến phần tử thứ l+1 trước khi đi đến phần tử thứ l . Khi đó, khoảng cách mà mặt sóng phải đi từ phần tử thứ l+1 đến phần tử thứ l là θsind . Tuy nhiên, đối với một dàn gồm L phần tử tuỳ ý, giả thiết điểm có độ trễ bằng không, thì các độ trễ tương ứng là : Ll c yxt lll ,....1, cossin )( = + = θθθ (1.2) Trong đó, c là tốc độ truyền sóng, tức là tốc độ của ánh sáng, lx và ly là toạ độ x và y của phần tử thứ l đối với điểm gốc có toạ độ (0,0). Thuật ngữ cosin phụ do độ lệch y có thể có từ toạ độ x của các phần tử dàn bằng 0, và do đó bị loại bỏ, như trong hình 1.5. Tín hiệu, , ( )l ix t , được tạo ra trong phần tử thứ l do nguồn thứ i có thể được biễu diễn như sau: ( ), ( ) ( ) l j t l i ix t m t e ωθ = , (1.3) Đinh Thị Thái Mai , D01VT 19 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương I. Tổng quan về ănten thông minh Kho¶ng c¸ch phÇn tö = Kho¶ng c¸ch phÇn tö = λ / 2 λ /3 2 B iª n ® é (d B ) Gãc (®é) Hình 1.4: Hệ số dàn của dàn ănten tuyến tính đồng nhất 8 phần tử với khoảng cách các ănten con là 2/λ và 3 2/λ . Với )(tmi chỉ hàm điều chế phức. Phương trình này dựa trên giả thiết băng tần hẹp đối với xử lý tín hiệu dàn, cái này giả thiết rằng băng tần của tín hiệu tương đối nhỏ, để hệ số trọng số duy trì một biến pha hằng xuyên qua tất cả các phần tử dàn ănten. Giả thiết có M nguồn có hướng và tạp âm nền đẳng hướng, tín hiệu tổng tại phần tử thứ l là: ( )( ) ( )l M j t l i l i x m t e n tω θ = = +∑ 1 , (1.4) 1 1 1 L φ d d φsind ChuÈn dµn Hình 1.5: Sơ đồ thu tín hiệu của dàn ănten tuyến tính không gian Đinh Thị Thái Mai , D01VT 20 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương I. Tổng quan về ănten thông minh Trong đó ( )ln t là thành phần tạp âm ngẫu nhiên trên phần tử ănten thứ l, gồm có tạp âm nền và tạp âm điện. Giả thiết tạp âm trắng có bình phương trung bình bằng 0 và phương sai 2nσ . Hệ số dàn ( )F θ được tính toán như sau: ( )( ) l L j t l l F e − ω θ = θ = ω∑ 1 (1.5) Trong đó lω là trọng số phức được áp dụng cho phần tử thứ l để điều khiển búp sóng ănten trong hướng của 0θ . Giá trị lớn nhất của ( )F θ đạt được khi 0θθ = . x1 x2 Lx ω1 ω2 Lω ∑ y Hình 1.6: Bộ tạo búp sóng cộng các tín hiệu phần tử ănten gán trọng số, thu được tín hiệu y(t) = ∑ = L l l tx 1 1 * )(ω Xét sóng λ băng tần hẹp, như thấy λ hình 1.6, trong đó tín hiệu từ mỗi phần tử được nhân lên b λi một trọng số phức, lω , l = 1,2,...., L và tính tổng để tạo nên đầu ra của dàn. Đầu ra dàn, )(ty λ hình 1.6 tại thời điểm t có công thức: ∑ = = L l ll txty 1 * )()( ω , (1.6) Trong đó * chỉ liên hợp phức, )(txl là tín hiệu đến từ phần tử thứ l của dàn, và lω là trọng số được áp dụng cho thành phần thứ l . Các trọng số của bộ tạo búp sóng biễu diễn như sau: ],...,,[ 21 Lωωωω = , (1.7) Và các tín hiệu thực hiện trong tất cả các thành phần là: ,)](),...,(),([ 21 T L txtxtxx = (1.8) Đinh Thị Thái Mai , D01VT 21 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương I. Tổng quan về ănten thông minh Đầu ra của bộ thu tạo búp sóng λ hình 1.6 tr λ thành: )()( txty Tω= , (1.9) Với T và H, tương ứng xác định ma trận chuyển vị và ma trận chuyển vị liên hợp phức của một vectơ hay một ma trận. Cho R xác định ma trận tương quan L× L của tín hiệu thu b λi L phần tử: [ ]               == )(...)()( )( ... )( )( )]()([ **2 * 1 2 1 txtxtx tx tx tx EtxtxER L L H , (1.10) Trong đó H xác định chuyển vị Hermitian (tức là chuyển vị kết hợp với liên hợp phức). Ma trận tương quan R có thể biễu diễn λ dạng m λ rộng như sau:         − − +−+− − = )0( ... )2( )1( ... ... ... ... )2( ... )0( )1( )1( ... )1( )0( r Lr Lr Lr r r Lr r r R (1.11) Phần tử r(0) trên đường chéo chính luôn có giá trị thực. Đối với dữ liệu giá trị phức, các phần tử còn lại của R được giả thiết là có giá trị phức. Ma trận tương quan của quá trình ngẫu nhiên rời rạc tĩnh là Hermitian, tức là RH = R. Kết quả là r(-k) = r*(k), với r(k) là hàm tự tương quan của quá trình ngẫu nhiên đối với độ trễ của l . Do đó, phương trình (1.11) được viết lại như sau: * * * (0) (1) ( 1) (1) (0) ( 2) ( 1) ( 2) (0) r r r L r r r L R r L r L r −   − =    − −  K K M M O K K . (1.12) Các phần tử của ma trận , R, xác định mối tương quan giữa tín hiệu đầu ra của các phần tử ănten khác nhau trong hình 1.6. Ví dụ, ijR xác định mối tương quan giữa phần tử thứ i và thứ j của dàn. Cho rằng vectơ điều khiển có quan hệ với hướng iθ hay nguồn thứ i có thể được mô tả vectơ phức L hướng si : Đinh Thị Thái Mai , D01VT 22 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương I. Tổng quan về ănten thông minh [ ]TiLii tjtjs ))(exp()),...,(exp( 1 θωθω= , (1.13) Trong đó, L là số phần tử của dàn ănten, và ti là trễ thời gian gây ra do sóng phẳng đến từ nguồn thứ i, đặt tại hướng iθ , và được đo từ phần tử ban đầu, khi đó ma trận tương quan, R, của các tín hiệu đầu ra tại các phần tử dàn trong hình 1.6 có thể được biễu diễn như sau: ∑ = += M i n H iii IsspR 1 2 ,σ (1.14) Trong đó, pi là công suất của nguồn thứ i, 2nσ là công suất tạp âm và I là ma trận đơn vị. Sử dụng ký hiệu ma trận, ma trận tương quan , R, có thể được biễu diễn λ dạng sau: H n H UUIASAR Λ=+= 2σ , (1.15) Với [ ]Hi iS E s s= là ma trận hiệp biến của các đầu ra của các phần tử dàn trong hình 1.6, ],....,,[ 21 MsssA = là ma trận L × M của các vectơ diều khiển. Hơn nữa, ma trận chéo ],....,,[ 21 Ldiag λλλ=Λ được tạo thành b λi các giá trị riêng thực của R, trong khi đó U gồm các vectơ riêng chuẩn đơn vị của R. 1.4 Ưu điểm của ănten thông minh trong thông tin di động 1.4.1 Giảm trải trễ và pha đinh đa đường Trải trễ do đường truyền đa đường gây ra, trong đó một tín hiệu đến từ các hướng khác nhau sẽ bị trễ do đi theo các khoảng cách khác nhau. λ phía phát, một ănten thông minh có thể tập trung năng lượng theo hướng yêu cầu, hỗ trợ trong việc giảm phản xạ đa đường và do đó giảm trải trễ. λ phía thu, dàn ănten có thể thực hiện kết hợp tối ưu sau khi bù trễ cho các tín hiệu đa đường tới dàn. Những tín hiệu mà trễ không thể bù đắp có thể bị xoá bỏ do hình thành các nút sóng trong hướng của chúng. Trạng thái hướng của một dàn ănten cũng dẫn đến hiện tượng trải phổ nhỏ hơn của các tần số Doppler tại máy di động. Đối với một ănten vô hướng tại cả trạm gốc và tại máy di động, hướng góc đến λ máy di động được phân bố giống nhau. Do đó phổ Doppler được cho b λi mô hình Clarke như sau: 2 0( ) 1 ( )r mm m AS f f f f f fpi = < − (1.16) Đinh Thị Thái Mai , D01VT 23 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương I. Tổng quan về ănten thông minh Trong đó, 0A là công suất trung bình được phát và mf v λ= là độ dịch Doppler lớn nhất, với v là vận tốc của máy di động và λ là độ dài bước sóng mang. Tuy nhiên, nếu một ănten có hướng được sử dụng tại trạm gốc thì mật độ phổ công suất được tính theo công thức: ( ) ( / ) ( cos ( / ) ) ( cos ( / ) ) , r m m v m v m m AS f f f f f f f f f f f fθ θφ φ− − = −  + + − <  2 0 2 1 1 1 (1.17) Trong đó vφ là hướng di chuyển của máy di động so với đường thẳng nối trạm gốc đến máy di động và ()θf là PDF của DOA các thành phần đa đường tại máy di động, có công thức tính như sau: Tr¹m gèc Tr¹m di ®éng H­íng di chuyÓn cña tr¹m di ®éng thµnh phÇn truyÒn th¼ng vφ Hình 1.7:Minh hoạ thành phần truyền thẳng từ trạm gốc đến trạm di động cho thấy hướng di chuyển của trạm di động, vφ , ( tan( ))( ) , (sin( ) cos( ) tan( )) , R I Df I R I θ θ θ θ αθ θ θ θ θ θ α θ θ θ  − < ≤ = < ≤ + < ≤ − 2 1 1 2 1 2 2 2 2 (1.18) Trong đó: )(sin)sin(4)(2 22221 2 ααθθpi DRDRI −+−+= (1.19) Hơn nữa, α2 là độ rộng búp sóng của ănten có hướng gọi là ‘flat- top’ lý tư λng, có độ lợi bằng 0, ngoại trừ trải góc α2 , trong khi đó độ lợi là 1, R là bán kính của khu vực tròn bao gồm tất cả các bộ tán xạ và D là khoảng cách riêng biệt giữa trạm gốc và máy di động. Cuối cùng, 1θ và 2θ là các hằng số được sử dụng để tính toán: Đinh Thị Thái Mai , D01VT 24 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương I. Tổng quan về ănten thông minh 1 2 2 2 2cos( )cos sin ( ) sin ( )D R D R R αθ α α−  = ± −   (1.20) Hình 1.8 đưa ra những ví dụ của phổ Doppler cho độ rộng búp sóng là 2, 10, 20 độ đối với máy di động di chuyển tại góc 0, 45, 90 so với thành phần LOS, trong đó khoảng cách trạm gốc đến máy di động là 3 km, nơi mà các bộ tán xạ được đặt trong một vòng tròn có bán kính 1 km, tâm là máy di động. M Ët ® é p hæ c « ng s u Êt (d B ) TÇn sè Doppler(Hz)TÇn sè Doppler(Hz) M Ët ® é ph æ c« n g su Êt ( dB ) (a) H­íng di chuyÓn, vφ = 00 (b) H­íng di chuyÓn, vφ = 045 (c) H­íng di chuyÓn, vφ = 090 TÇn sè Doppler(Hz) M Ët ® é ph æ c« n g su Êt ( d B ) Hình 1.8: Phổ Doppler tại trạm di động, khi sử dụng một ănten có hướng tại trạm gốc, và một ănten vô hướng tại trạm di động, được so sánh với mô hình Clarke, R = 1km, D= 3km, fm = 100 Hz 1.4.2 Giảm nhiễu đồng kênh Dàn ănten cho phép sử dụng phương pháp lọc không gian, phương pháp này được áp dụng cho cả bên thu cũng như bên phát để giảm nhiễu đồng kênh. Khi phát, ănten 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 ít nhiễu hơn trong các hướng khác mà búp sóng không hướng đến. Nhiễu đồng kênh bên phát có thể giảm bằng cách hình thành những nút sóng trong hướng của các bộ thu khác. Lược đồ này mục đích là giảm năng lượng phát trong hướng của các bộ thu đồng kênh và do đó cần những thông tin về quyền ưu tiên vị trí của chúng. Đinh Thị Thái Mai , D01VT 25 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương I. Tổng quan về ănten thông minh 1.4.3 Tăng dung lượng hệ thống và cải thiện hiệu suất phổ Hiệu suất phổ của một mạng liên quan đến lưu lượng mà một hệ thống cho trước với sự phân phối phổ nhất định có thể điều khiển được. Việc tăng số lượng người dùng của hệ thống thông tin di động mà không làm mất mát hiệu năng sẽ tăng hiệu suất phổ. Dung lượng kênh liên quan đến tốc độ dữ liệu lớn nhất mà một kênh có một độ rộng băng tần cho trước có thể duy trì được. Dung lượng kênh được cải tiến sẽ dẫn đến khả năng phục vụ nhiều người sử dụng hơn với một tốc độ dữ liệu xác định, có nghĩa là hiệu suất phổ tốt hơn. Chất lượng của dịch vụ, khi sử dụng ănten thông minh để giảm nhiễu đồng kênh và pha đinh đa đường, có thể bị thay đổi theo sự gia tăng số lượng của người sử dụng. 1.4.4 Tăng hiệu suất truyền dẫn Một dàn ănten có hướng trong tự nhiên, có độ khuyếch đại cao trong hướng mà búp sóng hướng đến. Tính năng này có thể được tận dụng để m λ rộng dải tần của trạm gốc, làm kích thước của cell lớn hơn hay có thể được sử dụng để giảm công suất phát của các máy di động. Việc sử dụng ănten có hướng cho phép trạm gốc nhận một tín hiệu yếu hơn so với ănten vô hướng. Điều này có nghĩa là máy di động có thể phát công suất thấp hơn và tuổi thọ của pin sẽ dài hơn, hay nó có thể sử dụng pin nhỏ hơn, do đó sẽ có trọng lượng và kích thước nhỏ hơn, điều này có ý nghĩa rất quan trọng đối với máy di động điều khiển bằng tay. Khi đó, trạm gốc cũng giảm công suất phát và cho phép sử dụng các thành phần điện tử có chỉ tiêu công suất thấp hơn nên chi phí cũng sẽ thấp hơn. 1.4.5 Giảm chuyển giao Khi lưu lượng trong một cell tăng vượt quá dung lượng của cell đó thì việc phân tách cell thường được sử dụng để tạo ra những cell mới, mỗi một cell sẽ có một trạm gốc và một tần số cố định. Việc giảm kích thước cell dẫn đến tăng số lượng chuyển giao được thực hiện. Bằng cách sử dụng ănten thông minh để tăng dung lượng của cell, số lượng chuyển giao cần thiết có thể được giảm. Vì mỗi búp sóng chỉ hướng đến một thuê bao, chuyển giao là không cần thiết trừ khi các búp sóng sử dụng cùng tần số giao nhau. 1.4.6 M λ rộng tầm sóng Tầm sóng được định nghĩa là khoảng cách lớn nhất mà người sử dụng vẫn có thể liên lạc với trạm gốc trong khi đó vẫn đảm bảo được chất lượng của tín hiệu. Khả năng mà ănten thông minh có thể m λ rộng được tầm sóng là do tăng được tỷ lệ tín hiệu thu trên nhiễu. Giả sử, chúng ta có L phần tử ănten và nhiễu chính giới hạn, tín hiệu kết hợp chồng pha đơn giản, đến L phần tử ănten thì sẽ thu được công suất tín hiệu tăng lên L2 lần trong khi công suất nhiễu tăng lên chỉ có L lần. Đinh Thị Thái Mai , D01VT 26 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương I. Tổng quan về ănten thông minh Gọi m inγ là SNR thu thấp nhất, được xác định: min min 1 0( )/P d Nγ = (1.21) Trong đó Pmin(d1) là công suất tín hiệu thu yêu cầu so với bộ thu một phần tử tương ứng khi thu phát riêng biệt λ khoảng cách d1 và N0 là công suất nhiễu. Để phân tích ưu điểm của ănten thông minh, thì trước hết biết rằng công suất tín hiệu thu là hàm của khoảng cách. Pmin(d) = P0(d0/d)n (1.22) Po là công suất tại khoảng cách đa tiêu chuẩn, d là khoảng cách thu phát, n là hệ số mũ suy hao đường truyền. Khi một ănten L phần tử thì SNR tối thiểu là: m inγ = L2Pmin(dL)/L.N0 = LPmin(dL)/N0 (1.23) Hình 1.9 : Hệ số tầm sóng theo số phần tử của ănten Trong đó dL là tầm xa tối đa của ănten L phần tử.Từ phương trình 1.22 và 1.23 có : Pmin (dL) = (1/L)Pmin(d1) (1.24) Từ 1.22 và 1.24 ta lại có: Pmin(d1)/Pmin(dL) = (d1/dL)n = L (1.25) Giải dL được: DL = M1/nd1 (1.26) Đinh Thị Thái Mai , D01VT 27 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương I. Tổng quan về ănten thông minh Trên hình 1.9 thể hiện hệ số cải thiện của tầm sóng ănten bằng hàm của số phần tử ănten đối với nhiều hệ số mũ suy hao đường truyền. Kết quả này cho thấy tầm sóng được m λ rộng nhiều hơn đối với môi trường có suy hao đường truyền thấp 1.4.7 Tăng diện tích vùng phủ sóng Trong phần này, chúng ta sẽ thấy rằng ănten thông minh cũng được dùng để tăng diện tích phủ sóng trong khi vẫn đảm bảo được mức tín hiệu. Giả thiết rằng kích thước của cell là không thay đổi và công suất phát của máy di động là cố định hướng tới các phần tử ănten thu. 1.4.7.1 Mức độ vùng phủ của ănten thu đơn phần tử Để tính được mức độ tăng vùng phủ sóng khi sử dụng ănten thông minh, trước hết ta phải tính vùng phủ sóng của một phần tử ănten. Vì tăng vùng phủ đạt được bằng mảng ănten là tăng vùng phủ của từng phần tử ănten. Giả sử độ lớn tín hiệu được xác định bằng khoảng cách từ trạm gốc. Nên, khi công suất tín hiệu thu P được tính bằng dB, hàm mật độ xác suất của công suất tín hiệu thu là: 2 2 1 ( )( ) exp 22 P Pf P σσ pi   − − =    (1.27) Trong đó P : công suất tín hiệu thu được. σ : trung bình bình phương tính theo dB. Khi đó xác suất công suất tín hiệu dựa trên ngưỡng yêu cầu β là : [ ] 1 1( ) 2 2 2r PP P P f P dP erfβ β ββ σ ∞   − = ≥ = = −   ∫ (1.28) Với erf(x) là hàm lỗi chuẩn. Phương trình (1.28) cho biết xác suất chất lượng tín hiệu thu khi hàm mật độ xác suất của công suất tín hiệu thu có dạng như trong phương trình (1.27). Nhưng do suy hao đường truyền của tín hiệu thu trung bình rất khác nhau theo khoảng cách truyền dẫn. Giả sử suy hao đường truyền tỷ lệ thuận với d-n , trong đó d là khoảng cách giữa trạm gốc và thuê bao di động, n là hệ số mũ suy hao đường truyền, thì ta có mức tín hiệu trung bình là: 1010 log ( / )P n d Rα=− (1.29) Với α : công suất truyền tính theo dB. R : bán kính cell. Đinh Thị Thái Mai , D01VT 28 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương I. Tổng quan về ănten thông minh Kết hợp 1.28 và 1.29, ta có xác suất mức tín hiệu cần thiết là hàm của khoảng cách d: 10( ) 1/2 (1/2) ( 10 log ( ))/ 2P d erf n d Rβ β α σ = − − +  (1.30) Đặt a = ( ) / 2β α σ− và b = 1010 log / 2n e σ khi đó ta có: [ ]( ) 1 2 (1/2) ln( / )P d erf a b d Rβ = − + (1.31) Hình 1.10 thể hiện mức lệch chuẩn của logarit phađinh chung σ . Các cung đánh nhãn tương ứng với các tương tác λ biên cell. Tăng mức độ phủ biên cell sẽ làm tăng mức độ vùng phủ trong cell. Đồ thị cũng cho thấy mức độ vùng phủ của cell giảm khi tăng mức lệch chuẩn của hiệu ứng màn chắn. Hình 1.10 : Mức độ phủ phân đoạn cell đối với anten thu đơn phần tử 1.4.7.2 Mức độ vùng phủ của ănten thu L phần tử Giả sử cell có bán kính không thay đổi và hệ thống có nhiễu giới hạn, khi đó ta có thể tăng diện tích vùng phủ sóng bằng cách sử dụng một dàn ănten L phần tử. Như đã đề cập λ trên dàn ănten L phần tử sẽ tăng công suất tín hiệu lên L2 lần và công suất nhiễu chỉ tăng lên L lần. Kết quả này chỉ đúng khi nhiễu λ phần tử ănten này không tương tác với nhiễu λ những phần tử ănten khác. Khi công suất nhiễu tăng lên L lần, để SNR được đảm bảo thì mức công suất tín hiệu cũng phải tăng lên L lần. Do đó, mức công suất ngưỡng tính theo dB của dàn ănten là: 1010logl Lβ β= + (1.32) Đinh Thị Thái Mai , D01VT 29 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương I. Tổng quan về ănten thông minh Với β là ngưỡng tín hiệu ban đầu đối với bộ thu một phần tử. Hơn nữa, khi sử dụng dàn kết hợp thì tín hiệu thu được λ mỗi phần tử có công suất tăng lên L2 lần. Vì vậy công suất đầu ra là: 1020loglP P L= + (1.33) Xác suất để công suất tín hiệu mong muốn cao hơn mức ngưỡng mβ của mảng ănten được xác định b λi: l Pβ = ( )r l lP P β≥ = 1/ 2 (1/ 2) ( ) / 2l lerf Pβ σ − −  = 101/ 2 (1/ 2) ( 10 log ) / 2erf L Pβ σ − − −  = 10 101/ 2 (1/ 2) ( 10log 10 log ( / )) / 2erf L n d Rβ α σ − − − +  (1.34) Đặt al = 10( 10log )/ 2Lβ α σ− − và b = 1010log ( )/ 2e σ , khi đó ta lại có: [ ]( ) 1/2 (1/ 2) ln( / ) m m P d erf a b d Rβ = − + (1.35) Hình 1.11 thể hiện phân đoạn cell với công suất tín hiệu mức ngưỡng là hàm của ú với n = 4 và M = 4 đối với nhiều giá trị vùng phủ của phân đoạn biên cell khi sử dụng bộ thu đơn phần tử. Khi so sánh hình 1.10 và hình 1.11 ta có thể thấy, vùng phủ sóng được tăng lên khi sử dụng dàn ănten. Cũng từ sơ đồ này, ta có thể xác định được số phần trăm tăng lên khi sử dụng dàn ănten trong mỗi phân đoạn cell. Phần trăm tăng lên được tính như sau: G = (Fl - Fu)/Fu (1.36) Đinh Thị Thái Mai , D01VT 30 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương I. Tổng quan về ănten thông minh Hình 1.11 : Mức độ phủ phân đoạn cell đối với anten thu nhiều phần tử 1.4.8 Giảm công suất phát trạm di động Khi sử dụng dàn ănten L phần tử thì tín hiệu thu λ trạm gốc tăng lên, do đó công suất phát λ máy di động có thể giảm xuống L lần. Vì vậy mà tuổi thọ pin của máy di động lâu hơn, đồng thời lại có thể giảm được kích thước của pin, cả hai yếu tố này sẽ là một ưu điểm quan trọng cho máy cầm tay. 1.4.9 Cải thiện chất lượng tín hiệu Sử dụng ănten thông minh sẽ làm tăng SINR và giảm BER tại đầu thu của hệ thống số. Đối với ứng dụng thoại và video thì giảm BER cũng có nghĩa là tăng chất lượng tín hiệu thu. Nói chung, với một kênh giới hạn nhiễu, mức ngưỡng tín hiệu nhỏ nhất giảm xuống 10log10L, trong đó L là số phần tử ănten. 1.4.10 Tăng tốc độ dữ liệu Tăng SINR được sử dụng để tăng số bit trên ký tự trong bộ ghép kênh bằng tốc độ chuyển mạch cao hơn. Điều này sẽ làm tăng số bit hay có nghĩa là làm tăng dung lượng kênh. 1.5 Tổng kết Chương này đã trình bày một cách tổng quan nhất những vấn đề cơ bản nhất về ănten thông minh bao gồm khái niệm, nguyên lý hoạt động, cấu trúc sắp xếp cũng như các tham số của dàn ănten. Đinh Thị Thái Mai , D01VT 31 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương I. Tổng quan về ănten thông minh Bên cạnh đó, chương cũng đã đưa ra một mô hình tín hiệu của dàn ănten gồm có L phần tử vô hướng, từ mô hình tín hiệu này, để có thể rút ra được ma trận tương quan của một dàn ănten. Ma trận này có ý nghĩa rất quan trọng trong việc xác định các trọng số dàn ănten. Cuối cùng, chương đã đề cập đến những ưu điểm khi sử dụng dàn ănten thông minh trong thông tin di động so với khi sử dụng ănten đơn phần tử vô hướng. Cụ thể những ưu điểm đó là: giảm trải trễ và phađinh đa đường, giảm nhiễu đồng kênh, tăng dung lượng hệ thống và cải thiện hiệu suất phổ, tăng hiệu suất truyền dẫn, giảm chuyển giao, m λ rộng tầm sóng, tăng diện tích vùng phủ sóng, giảm công suất phát trạm di động, cải thiện chất lượng tín hiệu, tăng tốc độ dữ liệu. Đinh Thị Thái Mai , D01VT 32 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương II. Tổng quan về ănten thông minh CHƯƠNG II: CÁC KỸ THUẬT TRONG ĂNTEN THÔNG MINH Có hai lược đồ thuật toán được sử dụng để tính toán các trọng số ănten và kết hợp các tín hiệu. Lược đồ thứ nhất là kết hợp phân tập, trong đó các tín hiệu ănten được kết hợp để tối đa SNR đầu ra. Lược đồ thứ hai là kết hợp tương thích hay còn gọi là tạo búp sóng, trong đó các trọng số dàn ănten được điều chỉnh một cách linh động để tăng cường tín hiệu mong muốn đồng thời loại bỏ các tín hiệu nhiễu để làm tối đa tỷ số tín hiệu trên tạp âm cộng nhiễu (SINR). Sau đây chúng ta sẽ đi nghiên cứu cụ thể từng lược đồ. 2.1. Kết hợp phân tập Kết hợp phân tập có mục đích chính là giảm pha đinh đa đường. Tín hiệu đa đường truyền trong môi trường có pha ngẫu nhiên, do đó nhiễu tín hiệu có thể kết hợp lại và triệt tiêu nhau. Khi tín hiệu kết hợp bị triệt tiêu thì công suất tín hiệu thu được rất thấp, có nghĩa là tín hiệu bị suy giảm. Khi đầu thu sử dụng ănten thông minh, công suất tín hiệu có thể giảm tuỳ thời điểm khác nhau và λ các phần tử ănten khác nhau. Do đó, để thu được tín hiệu tốt thì cần giảm số phần tử ănten, và vì vậy mà tín hiệu đầu ra và nhiễu đầu vào kết hợp sẽ cho SNR tốt nhất. Có bốn lược đồ cơ bản trong kỹ thuật kết hợp phân tập : phân tập lựa chọn, phân tập chuyển mạch, kết hợp độ lợi cân bằng và kết hợp tỷ lệ tối đa. Ngoài ra còn có lược đồ kết hợp lựa chọn tổng quát hoá. 2.1.1 Phân tập chuyển mạch Lược đồ phân tập đơn giản nhất và được sử dụng nhiều nhất là phân tập chuyển mạch. Trong lược đồ này, hệ thống sẽ chuyển mạch giữa các ănten, tức là chỉ một ănten được sử dụng trong bất cứ một khoảng thời gian nào như thấy λ hình 3.1. Tiêu chuẩn chuyển mạch dựa vào sự mất mát mức tín hiệu thu được tại ănten đang sử dụng. Chuyển mạch có thể được thiết lập tại tầng tần số vô tuyến, không cần một bộ chuyển đổi đường xuống đối với mỗi ănten. Đinh Thị Thái Mai , D01VT 18 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương II. Tổng quan về ănten thông minh T¸ch sãng ®­êng bao Gi¶i ®iÒu chÕ Hình 2.1 : Kết hợp phân tập chuyển mạch 2.1.2 Phân tập lựa chọn (SD) Phân tập lựa chọn là một cải tiến của phân tập chuyển mạch, khi đó hệ thống có thể đồng thời điều khiển mức tín hiệu trên tất cả các ănten, và lựa chọn nhánh có SNR lớn nhất tại bất cứ thời điểm nào cho trước, nên cần một đầu vào RF cho mỗi một ănten trong hệ thống, như thấy λ hình 2.2. T¸ch sãng ®­êng bao T¸ch sãng ®­êng bao T¸ch sãng ®­êng bao Gi¶i ®iÒu chÕ Hình 2.2 : Kết hợp phân tập lựa chọn Trong môi trường pha đinh Rayleigh, pha đinh tại mỗi nhánh được giả thiết là độc lập để các nhánh cách nhau một khoảng hợp lý. Nếu mỗi nhánh có một SNR tức thời lγ , thì hàm mật độ xác suất của lγ là: 1( ) l lp e γ γ − Γ = Γ (2.1) Với Γ là SNR trung bình tại mỗi nhánh. Xác suất mà một nhánh đơn lẽ có SNR bé hơn ngưỡng γ nào đó là: Đinh Thị Thái Mai , D01VT 19 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương II. Tổng quan về ănten thông minh [ ] 0 ( ) 1l l lP p d e γ γ γ γ γ −∞ Γ≤ = = −∫ (2.2) Do đó, xác suất mà tất cả các nhánh không có SNR lớn hơn γ là: [ ]1 2( ) , ,..., (1 )LLL LP P e γ γ γ γ γ γ −= ≤ = − (2.3) Từ điều này, hàm mật độ xác suất của cường độ pha đinh trong mối liên hệ với phân tập lựa chọn có thể đạt được : 1( ) ( ) (1 )LL L d Lp P e e d γ γ γ γ γ − − −Γ Γ = = − Γ , (2.4) Dẫn đến SNR trung bình, γ , của phân tập lựa chọn hỗ trợ các kênh phađinh Rayleigh là: 0 1 1( ) L L l p d l γ γ γ γ∞ = = = Γ∑∫ (2.5) 2.1.3 Phân tập kết hợp tỷ lệ tối đa (MRC) Trong kết hợp tỷ lệ tối đa, tín hiệu của mỗi một ănten được đo b λi SNR tức thời của nó. Các tín hiệu đo được sẽ kết hợp với nhau để tạo một tín hiệu đầu ra, như trong hình 2.3. Người ta cũng chỉ ra rằng kỹ thuật kết hợp tỷ lệ tối đa là tối ưu nếu các tín hiệu nhánh phân tập không tương quan với nhau và theo phân phối Rayleigh, nghĩa là tạp âm có phân bố Gausian và trung bình bằng không. Nếu mỗi nhánh có một độ khuyếch đại, lg , đầu ra của bộ kết hợp là: 1 L L l l l s g s = = ∑ (2.6) Và nếu mỗi nhánh có công suất tạp âm, 2nσ , tổng công suất tạp âm tại đầu ra của bộ kết hợp là: ∑ = = L l lnN g 1 222 σσ (2.7) Do đó, SNR tại đầu ra của bộ kết hợp là : 2 2 2 N l L s σ γ = (2.8) Có thể thấy rằng Lγ lớn nhất, khi 2 2l l ng s σ= . Do đó, phương trình 2.8 được viết lại là : Đinh Thị Thái Mai , D01VT 20 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương II. Tổng quan về ănten thông minh 22 2 21 2 22 1 12 21 1 1 2 2 L l ll L L n l L l l lnL l n l n s s s s σγ γ σ σ σ = = = =     = = =    ∑ ∑ ∑ ∑ (2.9) Khi Lγ có phân bố chi-squared ,hàm mật độ phổ xác suất của Lγ là: 1 ( ) ( 1)! L L L L L ep L γ γλ − − Γ = Γ − (2.10) Xác suất Lγ bé hơn ngưỡng γ là: [ ] 1 0 1 ( ) ( ) 1 ( 1)! l L L L L l P p d e l γγ γ γ γ γ γ − − Γ = Γ≤ = = − − ∑∫ (2.11) Kỳ vọng của phương trình 2.11, Lγ , là SNR trung bình tại đầu ra của bộ kết hợp: 1 L L l Lγ = = Γ = Γ∑ , (2.12) Với Γ là SNR trung bình tại mỗi nhánh. Kết hợp tối ưu xử lý các tín hiệu nhận được từ một dàn ănten để giảm việc phân phối từ các tài nguyên đồng kênh không mong muốn, trong khi đó lại tăng cường sự phân phối của tín hiệu mong muốn. Một trạm gốc sử dụng dàn ănten kết hợp tỷ lệ tối đa có thể điều chỉnh trọng số dàn trong suốt chu kỳ nhận, nhằm tăng cường tín hiệu đến từ một máy di động mong muốn. Một hệ thống sử dụng cùng một tần số để thu và phát các tín hiệu trong các khe thời gian khác nhau, ví dụ như trong hệ thống điện thoại không dây Châu Âu số (DECT) song công phân chia theo thời gian (TDD) có thể sử dụng liên hợp phức của các trọng số này trong chu kỳ phát để xử lý lại tín hiệu phát và tín hiệu thu tại máy di động mong muốn, trong khi đó triệt tiêu tín hiệu này tại các máy di động khác. Tiến trình này dựa trên thực tế là các trọng số được điều chỉnh trong suốt chu kỳ nhận để giảm nhiễu đồng kênh, do đó đặt các nút sóng trong hướng các máy di động đồng kênh. Từ đó, bằng cách sử dụng liên hợp phức của các trọng số này trong suốt chu kỳ phát, mẫu ănten giống nhau có thể được tạo ra, dẫn đến không có năng lượng nào được phát hướng đến các máy di động đồng kênh. MRC đạt được hiệu năng cao nhưng rất khó để tính toán chính xác SNR của mỗi một tín hiệu ănten. Đinh Thị Thái Mai , D01VT 21 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương II. Tổng quan về ănten thông minh T¸ch sãng ®­êng bao T¸ch sãng ®­êng bao T¸ch sãng ®­êng bao §ång pha §ång pha §ång pha ∑ Gi¶i ®iÒuchÕ Hình 2.3 : Kết hợp tỷ kệ tối đa. 2.1.4 Kết hợp độ lợi cân bằng (EGC) Lược đồ kết hợp độ lợi cân bằng đơn giản là gán mỗi tín hiệu ănten một trọng số có giá trị bằng nhau. Ví dụ, mỗi một tín hiệu ănten được gán trọng số là 1/L với dàn ănten có L phần tử. 2.1.5 Kết hợp lựa chọn tổng quát hoá GSC (Generalized Selection Combining) Bên cạnh các kỹ thuật kết hợp phân tập cổ điển, người ta đã đưa ra một kỹ thuật kết hợp phân tập mới, đó là kết hợp lựa chọn tổng quát hoá. Thay thế cho việc chọn tất cả các nhánh như trong trường hợp kết hợp tỷ lệ tối ưu, kỹ thuật kết hợp lựa chọn tổng quát hoá (GSC) chọn m nhánh tốt nhất trong L nhánh dựa trên SNR hay độ mạnh của tín hiệu và kết hợp chúng lại với nhau. GSC còn được gọi là SC/MRC lai ghép. Số lượng nhánh được lựa chọn m được quyết định b λi quyền ưu tiên của GSC ban đầu, trong khi GSC thay đổi rất linh hoạt. Đối với lần áp dụng sau cùng, lựa chọn các nhánh có SNR lớn hơn một ngưỡng cho trước, thì được gọi là GSC ngưỡng tuyệt đối (Absolute Threshold GSC – AT-GSC). Thay vào đó, nếu việc lựa chọn các nhánh có SNR tương đối trên SNR lớn nhất trong tất cả các nhánh, i max SNR SNR , lớn hơn một ngưỡng cho trước, thì phương pháp này được gọi là GSC ngưỡng chuẩn hoá (Normalized Threshold GSC – NT-GSC). Chúng ta sẽ xem xét các đặc tính của ba phương pháp GSC này, GSC ban đầu, AT- GSC, NT-GSC. Giả thiết đã biết SNR tức thời iγ của nhánh i và 1 2 Lγ γ γ≥ ≥ ≥K đối với bộ thu Rake có L phần tử. Đinh Thị Thái Mai , D01VT 22 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương II. Tổng quan về ănten thông minh GSC ban đầu, biễu diễn là GSC(m,L), sẽ lựa chọn m nhánh tốt nhất trong L nhánh với m là cố định, và cộng các SNR để được kết quả là 1 m i i γ = ∑ . SNR tổng của GSC ban đầu lớn hơn GSC(L,L) và thấp hơn GSC(1,L). GSC (L, L) và GSC (1, L) trong thực tế là MRC và SC. AT-GSC, biễu diễn dưới dạng AT-GSC(Ta, L), lựa chọn nhánh có SNR iγ lớn hơn một ngưỡng Ta cho trước, tức là thuật toán này tìm m sao cho m aTγ ≥ và 1m aTγ + < . SNR lớn nhất của AT-GSC là AT-GSC (0, L) và đó chính là MRC. NT-GSC, được biễu diễn dưới dạng NT-GSC (Tn, L), lựa chọn nhánh i có SNR chuẩn hoá 1 iγ γ lớn hơn một ngưỡng cho trước Tn. Với 1γ là SNR lớn nhất trong các nhánh và 0 1nT≤ ≤ . NT-GSC lựa chọn m nhánh sao cho 1 m nT γ γ ≥ và 1 1 m nT γ γ + < . SNR giới hạn trênvà dưới của NT-GSC tương ứng là NT-GSC (0, L) và NT-GSC (1, L). NT-GSC (0, L) và NT-GSC (1, L) tương ứng là MRC và SC. Để có thể so sánh ba loại kỹ thuật này, các đặc tính của chúng được tổng kết trong bảng 2.1. Kỹ thuật Điều kiện cho trước Số lượng các nhánh lựa chọn SNR kết hợp Giới hạn dưới/trên GSC Số lượng nhánh, m m cố định 1 m i i γ = ∑ GSC(1,L)/GSC(L,L) AT-GSC Ngưỡng, Ta m thay đổi để m aTγ ≥ và 1m aTγ + < 1 m i i γ = ∑ ATGSC(∞ ,L)/ AT-GSC(0,L) NT-GSC Ngưỡng, Tn ( 0 1nT≤ ≤ ) m thay đổi để 1 m nT γ γ ≥ và 1 1 m nT γ γ + < 1 m i i γ = ∑ NT-GSC(1,L)/ NT-GSC (0,L) Bảng 2.1: So sánh ba kỹ thuật kết hợp GSC Các SNR kết hợp của các phương pháp GSC, được trình bày trong hình 2.4. Các SNR là các giá trị trung bình trong một khoảng thời gian. Hình 2.4 (a) biễu diễn GSC (m, L), với L = 4. GSC (m, L) với L cố định sẽ thựchiện tốt hơn ( Cho SNR cao hơn và Đinh Thị Thái Mai , D01VT 23 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương II. Tổng quan về ănten thông minh BER thấp hơn) khi m tăng, trong đó GSC (m, L) với m cố định lại thực hiện tốt hơn khi L tăng. AT-GSC (Ta, L) và NT-GSC (Tn, L) giống nhau về SNR kết hợp, được biễu diễn trong hình 2.4 (b). AT-GSC và NT-GSC tốt hơn khi giá trị ngưỡng nhỏ hơn. Chú ý rằng, các kỹ thuật này có thể có nhiều hơn bốn giá ttị SNR kết hợp cho một SNR nhánh trung bình cho trước. Đối với AT-GSC và NT-GSC, số lượng trung bình các Rake finger được kích hoạt là hàm của một ngưỡng cho trước. Số các Rake finger được kích hoạt có thể là bất kỳ một số hữu tỷ nào (không chỉ là số nguyên ) đối với một giá trị ngưỡng cho trước. Do đó, AT-GSC và NT-GSC có thể được coi là trường hợp chung của GSC (m, L), với m là một số hữu tỷ bất kỳ bao gồm cả số nguyên. Như biễu diễn trong hình 2.4, số lượng các SNR kết hợp phân biệt là L đối với GSC, trong khi đó số lượng các SNR kết hợp phân biệt bằng với số các giá trị ngưỡng trong trường hợp AT-GSC và NT-GSC. Trong hình 2.4(b), số lượng các SNR kết hợp để phân biệt là 7. Đối với AT-GSC thì SNR lớn nhất có thể nhỏ hơn ngưỡng, để không có một Rake finger nào được lựa chọn. Thậm chí, nếu tất cả các Rake finger đều ngừng hoạt động ngay lập tức, thì vẫn thoả mãn được BER yêu cầu. Tuy nhiên, trường hợp này cần tránh để tránh các lỗi cτm rất khó để sửa đối với bộ giải mã kênh. Trong một trường hợp thực tế, chúng ta cần phải điều chỉnh các quy tắc lựa chọn đối với kỹ thuật AT-GSC như sau. Nhánh có SNR lớn nhất luôn được lựa chọn, thậm chí nếu SNR lớn nhất bé hơn một ngưỡng cho trước. Trong trường hợp này, SNR nhỏ nhất AT-GSC ( ∞ , L) tr λ thành SC. SNR kÕt hîp SNR trung b×nh SNR yªu cÇu GSC(4,4) GSC(3,4) GSC(2,4) GSC(1,4) (a) GSC ban đầu Đinh Thị Thái Mai , D01VT 24 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương II. Tổng quan về ănten thông minh SNR kÕt hîp SNR trung b×nh SNR yªu cÇu T-GSC(T7,4) T-GSC(T2,4) T-GSC(T1,4) (b) AT-GSC hay NT-GSC Hình 2.4: SNR kết hợp của GSC, AT-GSC và NT-GSC 2.1.6 Tổng kết Có bốn lược đồ chính trong kỹ thuật kết hợp phân tập : phân tập lựa chọn, phân tập chuyển mạch, kết hợp độ lợi cân bằng, và kết hợp tỷ lệ tối ưu. Phân tập lựa chọn (SD) là phương pháp đơn giản nhất trong tất cả các phương pháp, trong đó nhánh phân tập nào có SNR cao nhất sẽ được lựa chọn và hướng đến đầu ra. Phương pháp này còn được gọi là kết hợp lựa chọn (SC). Phân tập chuyển mạch không chuyển mạch nhánh cho đến khi SNR hay độ mạnh tín hiệu của nhám đang được lựa chọn thấp hơn so với một ngưỡng cho trước. Kết hợp tỷ lệ tối ưu (MRC) đo mỗi một tín hiệu ănten thông qua SNR của nó trước khi kết hợp. MRC cho một SNR đầu ra lớn nhất và do đó được gọi là kết hợp tỷ lệ tối đa. MRC cho hiệu năng cao, nhưng rất khó để tính toán chính xác SNR của mỗi một tín hiệu ănten. Lược đồ kết hợp độ lợi cân bằng (EGC) chỉ cộng mỗi tín hiệu ănten với một trọng số bằng nhau. Lược đồ phân tập M nhánh Hai nhánh (M=2) MRC MΓ 2Γ (3dB) EGC 1 ( 1) 4 M pi + − Γ   1.785Γ (2.52 dB) SD 1 1M k k= Γ∑ 1.5Γ (1.76 dB) Bảng 2.2: SNR trung bình với kết hợp phân tập Đinh Thị Thái Mai , D01VT 25 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương II. Tổng quan về ănten thông minh SNR trung bình của ba lược đồ kết hợp phân tập được trình bày trong bảng 2.2, trong đó bộ kết hợp phân tập cps M nhánh phân tập, mỗi một nhánh có SNR trung bình là Γ . Để tham khảo, SNR trung bình với hai nhánh phân tập cũng được cung cấp trong bảng. Ngoài các lược đồ phân tập cơ bản còn có thêm một lược đồ phân tập mới đó là kết hợp phân tập tổng quát hoá. Lược đồ này có những ứng dụng hết sức quan trọng trong dàn ănten thông minh tại máy xách tay mà chúng ta sẽ nghiên cứu trong chương tới. 2.2 Tạo búp sóng Một dàn ănten sử dụng một dãy các ănten đơn, như các ănten đơn hướng, và kết hợp các tín hiệu liên quan đến các ănten này để tạo ra đầu ra của búp sóng. Mỗi một ănten là một phần của dàn được gọi là các phần tử dàn. Hướng có độ lợi lớn nhất điều khiển bằng cách dịch pha giữa các phần tử ănten khác nhau. Pha và độ khuyếch đại của tín hiệu tạo ra trong mỗi phần tử dàn được dịch chuyển sao cho các tín hiệu từ hướng có độ lợi lớn nhất cộng pha. Một dàn ănten tương thích điều chỉnh pha và độ khuyếch đại, hay gọi là các trọng số, để đạt được đầu ra mong muốn khi kết hợp các đầu ra từ các phần tử ănten. Các đặc tính của dàn ănten có thể thay đổi theo thời gian để tối ưu hiệu năng của hệ thống đối với các tiêu chuẩn tối ưu hoá khác nhau. Tiêu chuẩn này có thể bao gồm công suất lớn nhất, SNR lớn nhất, nhiễu nhỏ nhất và SINR lớn nhất. Tuỳ vào môi trường vận hành mà ănten thay đổi thuật toán điều khiển và chỉ số hiệu năng, để cung cấp dịch vụ tốt nhất cho người sử dụng trong mạng. Ví dụ, phân tập hay tạo búp sóng thông thường có thể được sử dụng để đưa ra công suất tín hiệu nhận được, trong khi đó một thuật toán điều khiển nút sóng sẽ dẫn đến nhiễu nhỏ nhất. Cuối cùng, tối đa SINR tương ứng với việc kết hợp phân tập không gian tối ưu. Đưa ra những ví dụ này và các tiêu chuẩn tối ưu hoá cơ bản để tối đa luồng thông tin tin cậy cho người sử dụng mà yêu cầu về sử dụng tài nguyên nhỏ nhất như công suất và băng tần, có thể thấy rằng việc sử dụng nhiều lược đồ khác nhau là cần thiết. 2.2.1 Ví dụ về tạo búp sóng Xét dàn ănten như thấy λ hình 2.5, gồm hai phần tử ănten đơn hướng có khoảng cách là 2 λ . Tín hiệu mang không điều chế, ftjAets pi2)( = đến từ góc 0=sθ (rad). Tín hiệu gây nhiễu, ftjNeti pi2)( = , đến từ hướng 6 piθ =i (rad) hay 300. Cả hai tín hiệu này có cùng tần số f. Tín hiệu đến từ mỗi phần tử dàn ănten được nhân với một trọng số Đinh Thị Thái Mai , D01VT 26 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương II. Tổng quan về ănten thông minh phức có thể thay đổi được, và các tín hiệu có trọng số này sẽ được cộng để tạo thành đầu ra của dàn. Đầu ra dàn do tín hiệu mong muốn là: 2 1 2( ) ( ) j ft sy t Ae pi ω ω= + (2.13) ∑ 1ω 2ω 1x 2x 2( ) j fts t Ae pi= 2( ) j fti t Ne pi= 6 pi y Hình 2.5: Bộ thu tạo búp sóng 2 phần tử có tín hiệu mong muốn tại góc 00 và tín hiệu nhiễu tại 300, khoảng cách giữa các phần tử là / 2λ Để đầu ra y(t) là tín hiệu mong muốn s(t), phương trình sau phải thõa mãn: 2 2 1 2( ) j ft j ftAe Aepi piω ω+ = (2.14) Điều này dẫn đến: 1 2 1 2 [ ] [ ] 1 [ ] [ ] 0 ω ω ω ω ℜ + ℜ = ℑ + ℑ = (2.15) Tín hiệu nhiễu đến tại phần tử dàn ănten thứ hai với độ lệch pha là 2 pi so với phần tử thứ nhất, vì khoảng cách giữa chúng là 2λ và góc tới là 300. Do vậy đầu ra dàn do tín hiệu nhiễu là: 2 (2 2) 1 2( ) j ft j ft iy t Ne Ne pi pi piω ω += + . (2.16) Để phương trình trên bằng 0 chúng ta cần: 1 2 1 2 [ ] [ ] 0 [ ] [ ] 0 ω ω ω ω ℜ − ℜ = ℑ + ℑ = (2.17) Giải đồng thời phương trình 2.15 và 2.17, ta có : Đinh Thị Thái Mai , D01VT 27 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương II. Tổng quan về ănten thông minh 5.05.01 j−=ω , 5.05.02 j+=ω (2.18) Mẫu búp sóng đạt được sử dụng những trọng số này được cho λ hình 2.6. Tín hiệu mong muốn tại 00 bị suy giảm khoảng 3 dB. Ví dụ này đã cho thấy có thể tạo búp sóng và xoá bỏ những nhiễu không mong muốn. 2.2.2 Các loại tạo búp sóng 2.2.2.1 Tạo búp sóng tương tự Một dàn ănten có một số lượng các phần tử ănten, thông qua một mạng điều khiển pha và biên độ, tín hiệu đầu ra của nó được kết hợp để hình thành búp sóng ănten mong muốn. Có thể tạo búp sóng tương tự tại tầng RF, sử dụng bộ dịch pha và bộ khuyếch đại, tuy nhiên, sẽ tốn nhiều chi phí. Một giải pháp thay thế đó là chuyển đổi tín hiệu RF thành tín hiệu trung tần và thực hiện tạo búp sóng tại tầng IF. Bất lợi của kỹ thuật này là mỗi ănten phải có một bộ thu biến đổi RF thành IF. Nhiều bộ tạo búp sóng phải được sử dụng để hình thành đa búp sóng, làm năng lượng tín hiệu bị phân phối dọc theo các búp sóng được tạo thành. Nên SNR đầu ra giảm, khi năng lượng tín hiệu của búp sóng nhỏ hơn kết hợp với tạp âm tăng do số lượng các tầng IF và RF tăng. 2.2.2.2 Tạo búp sóng số Nguyên lý của tạo búp sóng số tương tự với nguyên lý của tạo búp sóng tương tự, trong đó cả hai cách này đều dịch pha và biên độ của tín hiệu đến từ mỗi phần tử ănten, nhưng chúng sử dụng các kỹ thuật khác nhau để đạt được cùng một mục đích. Số hoá tín hiệu nhận tại mỗi phần tử ănten sẽ đảm bảo độ chính xác xử lý thông tin cao hơn. Tín hiệu RF nhận được tại mỗi phần tử hoặc được số hoá tại RF hoặc chuyển đổi thành tín hiệu IF rồi mới số hoá sử dụng bộ chuyển đổi tương tự – số(ADC). Các tín hiệu số băng tần gốc biễu diễn pha và biên độ của các tín hiệu nhận được tại mỗi phần tử của dàn. Việc xử lý tạo búp sóng sẽ tiến hành đo trọng số các tín hiệu số này, sau đó điều chỉnh pha và biên độ của chúng để khi cộng lại sẽ hình thành búp sóng mong muốn . Các bộ thu được sử dụng trong hệ thống tạo búp sóng số không cần phải tương thích một cách chặt chẽ về pha và biên độ như trong hệ thống tương tự, vì tiến trình định cỡ có thể thực hiện bằng phần mềm điều khiển, và bất cứ một sự khác biệt nào cũng có thể loại bỏ bằng cách điều chỉnh trọng số một cách thích hợp. 2.2.2.3 Tạo búp sóng không gian phần tử Quá trình tạo búp sóng được gọi là tạo búp sóng phần tử không gian, trong đó các tín hiệu dữ liệu số hoá, xl, l = 1,, L, thu được từ các phần tử dàn được nhân trực tiếp b λi một tập các trọng số, lω , l = 1, , L, để tạo búp sóng tại góc mong muốn, kθ . Bằng Đinh Thị Thái Mai , D01VT 28 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương II. Tổng quan về ănten thông minh cách nhân các tín hiệu dữ liệu nhận được, x1 ,,xL, với các tập trọng số khác nhau, klω , trong đó l = 1, , L,và k = 1, , K, thì có thể tạo các búp sóng có thể điều khiển theo bất cứ hướng nào, kθ , trong đó k = 1, , K. Rõ ràng hơn, bằng cách nhân tín hiệu nhận được tại mỗi phần tử ănten với một trọng số cho trước có giá trị phức, trọng số này có thể khác nhau đối với mỗi phần tử ănten, thì tín hiệu mong muốn có thể khôi phục lại. Mỗi một bộ tạo búp sóng sẽ tạo ra một búp sóng độc lập, tại một góc, kθ , để nhận một tín hiệu di động B iª n ®é ( dB ) Gãc (®é) Hình 2.6: mẫu búp sóng được tạo ra sử dụng phương trình 1.5 với dàn ănten 2 phần tử với khoảng cách giữa các phần tử là λ /2 và các trọng số ănten là 0.5 ± j0.5. Tín hiệu mong muốn tại 00, nhiễu tại 300, trong khi đó SNR = 9.0 dB và INR = 9.0 dB tuỳ ý, bằng cách áp dụng những trọng số độc lập, klω , l = 1, , L, k= 1,., K, cho các tín hiệu dàn, ta có: * 1 ( ) , 1, , L k k l l l y x k Kθ ω = = =∑ K (2.19) Trong đó )( ky θ là đầu ra của bộ tạo búp sóng trong hướng của nguồn k, k = 1, ., K, được đặt tại góc kθ , xl(t) là tín hiệu mẫu từ phần tử ănten dàn thứ l, và klω , l = 1, ., L biễu diễn các trọng số để định dạng một búp sóng tại góc kθ . Phương trình này tương tự với phương trình 1.6, ngoại trừ việc bổ sung thêm mũ k, k = 1, , K, xác định búp sóng thứ k. Hình 2.7 biễu diễn một bộ tạo búp sóng phần tử không gian với L phần tử ănten, có khả năng tạo ra K búp sóng độc lập để nhận K tín hiệu di động. Mỗi một búp song Đinh Thị Thái Mai , D01VT 29 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương II. Tổng quan về ănten thông minh strong K búp sóng này có thể loại bỏ các nguồn nhiễu một cách độc lập và trong khi đó nhận được tín hiệu mong muốn. Hình 2.7: Bộ thu tạo búp sóng không gian-phần tử với L phần tử ănten có khả năng định dạng K búp sóng 2.2.2.4 Tạo búp sóng không gian – búp sóng Ngược với phương pháp tạo búp sóng không gian - phần tử, trong đó tín hiệu đến từ mỗi một thành phần trong L phần tử được gán trọng số và cộng để tạo ra đầu ra mong muốn, kỹ thuật không gian búp sóng tạo ra các búp sóng cố định, sử dụng một mạng tạo búp sóng cố định trực giao không gian. Khi đó, đầu ra của mỗi một búp sóng có trọng số và các tín hiệu tổng hợp được kết hợp để tạo ra tín hiệu đầu ra mong muốn. Tín hiệu từ các búp sóng không có đáp ứng mong muốn, có thể được sử dụng để loại bỏ các nhiễu không xác định. Giả thiết các đầu ra từ mỗi một phần tử ănten là có trọng số ngang nhau và có một độ trễ pha đồng nhất, đáp ứng của dàn, hệ số dàn ),( αΦF trong phương trình 1.5, được tạo ra b λi một mặt sóng phẳng đến dàn ănten từ hướng θ ,so với pháp tuyến dàn ănten, được cho b λi : ( , ) N jn jn n N F e e αα Φ − =− Φ = ∑ , (2.20) Trong đó L = (2N+1) là số phần tử trong dàn, θλ pi sin2 d=Φ là góc điện, d là khoảng cách giữa các phần tử và α là hằng số được gọi là hệ số pha đồng nhất. Thay Φ vào phương trình 2.20 ta có: ( )( , ) n N j t jn n N F e eωθ αα − =− Φ = ∑ , (2.21) Đinh Thị Thái Mai , D01VT 30 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương II. Tổng quan về ănten thông minh Với sin( )n dt c θθ = và c là vận tốc lan truyền của tín hiệu thu. Phương trình này tương ứng với phương trình 1.5. A D C A D C L ®iÓm FFT Lùa chän bóp sãng Lùa chän bóp sãng 1 L 1x Lx 1v Lv ω11 ω 1 L ω1 K ω KL 1y Ly ∑∑ Hình 2.8: Bộ thu tạo búp sóng không gian – búp sóng với L phần tử ănten có khả năng định dạng K búp sóng Khi 2λ=d , chúng ta có θpi sin=Φ . Cộng các chuỗi số nhân trong phương trình 2.20 sẽ có: 1sin[ (2 1)( )] 2( , ) 1sin[ ( )] 2 N F α α α + Φ − Φ = Φ − (2.22) Đinh Thị Thái Mai , D01VT 31 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương II. Tổng quan về ănten thông minh Bằng cách gán các giá trị khác nhau cho α , búp sóng chính của ănten có thể quét dọc theo dải, pipi ≤Φ≤− . Để tạo ra một tập trực giao gồm 2N = L-1 búp sóng, các hệ số pha đồng nhất, α , có thể được gán các giá trị sau: 12,,3,1, 12 −±±±= + = Nkk N K pi α , (2.23) Hình 2.9: Hệ số dàn, F( α,Φ ), của dàn ănten 5 phần tử sử dụng tạo búp sóng không gian – búp sóng cho thấy có thể tạo ra bốn búp sóng trực giao không gian Hình 2.9 minh hoạ sự biến thiên về biên độ của các hệ số dàn, ),( αΦF , với pipi ≤Φ≤− trong trường hợp 2N + 1 = 5 phần tử và 53,5 pipiα ±±= . Các búp sóng trực giao được tạo ra b λi mạng tạo búp sóng có 2N hướng độc lập, mỗi hướng trên một búp sóng. Phụ thuộc vào hướng yêu cầu, một búp sóng cụ thể trong tập sẽ dược xác định như là búp sóng chính và các búp sóng còn lại được xem là các búp sóng phụ. Từ hình 2.9, có thể thấy rằng mỗi một búp sóng phụ có nút sóng trong hướng của búp sóng chính. Do tính chất cố định của các búp sóng không có trọng số được tạo thành b λi bộ tạo búp sóng cố định λ hình 2.8, việc điều khiển các búp sóng riêng lẽ đòi hỏi tính nội suy giữa các búp sóng để điều khiển tốt búp sóng tổng và sự kết hợp tuyến tính giữa các búp sóng phụ để tạo ra các nút sóng trong hướng các nguồn nhiễu. Kết quả là, định dạng không gian búp sóng yêu cầu một tập các bộ kết hợp không gian búp sóng để tạo ra các đầu ra có trọng số như biễu diễn λ hình 2.8. Khối chuyển đổi Fourier nhanh (FFT) trong sơ đồ tạo ra các búp sóng trực giao, quá trình thực hiện việc chuyển đổi này tương tự với FFT trong phân vùng thời gian, trong đó nó có thể được xem như là một nhánh của các bộ lọc băng hẹp không chồng lấn lên nhau mà các dải tần của nó được m λ rộng trong dải tần quan tâm. Do đó, L điểm FFT tạo ra L búp sóng trực giao không gian. Đinh Thị Thái Mai , D01VT 32 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương II. Tổng quan về ănten thông minh 2.2.3 Kỹ thuật tham chiếu thời gian Các kỹ thuật tham chiếu thời gian liên quan đến việc thiết kế các bộ xử lý dàn nhằm tối ưu các trọng số dàn ănten thu, để có thể xác định một chuỗi đã biết tại đầu ra của dàn ănten. Chuỗi mong muốn nay được gọi là tín hiệu tham khảo, tín hiệu này được thiết kế để có thể dế dàng xác định. Ví dụ, trong GSM có 8 chuỗi dò kênh được sử dụng để xác định 8 trạm gốc đồng kênh, do đó, chắc chắn rằng các nhiễu đồng kênh sẽ sử dụng các chuỗi dò tìm giống nhau này đối với những chuỗi dò được dùng b λi những người sử dụng di động mong muốn, vì vậy hệ thống có thể không phân biệt được giữa tín hiệu mong muốn và một nhiễu đồng kênh. Các mã trải phổ trong CDMA vốn đã đơn nhất và do đó chúng thích hợp để sử dụng như là một chuỗi xác định người sử dụng. Một ưu điểm đáng kể của kỹ thuật tham chiếu thời gian là nó không cần những đặc tính quan trọng của dàn ănten. Các ảnh hư λng như việc tác động lẫn nhau giữa các phần tử dàn ănten được điều khiển b λi bộ định tuyến tương thích, vì vậy các trọng số dàn được điều chỉnh tự động để loại bỏ các ảnh hư λng này. 1x ω1 2x ω2 Lx ω3 ­íc tÝnh träng sè §Çu ra, y(t) TÝn hiÖu tham chiÕu r(t) + TÝn hiÖu lçi ε ( )t ∑ Hình 2.10: Cấu trúc của bộ tạo búp sóng tham chiếu thời gian với L phần tử ănten Hình 2.10 thể hiện cấu trúc của một bộ tạo búp sóng dựa trên tham chiếu thời gian, trong đó đầu ra của dàn sẽ trừ tín hiệu tham khảo, r(t), để tạo ra tín hiệu lỗi )()()( txtrt Hωε −= được sử dụng để điều khiển trọng số. Các trọng số được điều chỉnh sao cho lỗi bình phương trung bình (MSE) giữa các đầu ra dàn và tín hiệu tham chiếu là nhỏ nhất, trong đó lỗi được biễu diễn như sau: 22 )]()([)( txtrt Hωε −= (2.24) Đinh Thị Thái Mai , D01VT 33 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương II. Tổng quan về ănten thông minh Lấy kỳ vọng λ cả hai vế của phương trình 2.24, chúng ta có: ωωωε RztrEtE HH +−= 2)]([)]([ 22 , (2.25) Với )]()([ * trtxEz = là tương quan chéo giữa tín hiệu tham chiếu và vectơ tín hiệu dàn )(tx , )]()([ txtxER H= là ma trận tương quan của tín hiệu đầu ra dàn. Bề mặt MSE là một hàm bậc hai của vectơ trọng số dàn phức ω và được tối thiểu hoá bằng cách thiết lập gradient của nó đối với ω bằng 0: 022)])([( 2 =+−=∇ ωεω RztE , (2.26) Phương trình Wiener-Hopf nổi tiếng đối với các vectơ trọng số tối ưu hoá có dạng: zRopt 1− =ω (2.27) Hàm lỗi bình phương trung bình nhỏ nhất (MMSE) tại đầu ra của bộ xử lý dàn, hay còn được gọi là bộ lọc Wiener, được tính theo phương trình: zRztrEMMSE H 12 ])([ −−= (2.28) 2.2.3.1 Bình phương trung bình tối thiểu Thuật toán bình phương trung bình tối thiểu (LMS) là kỹ thuật phổ biến nhất được sử dụng cho tương thích liên tục, có mục tiêu là tối thiểu hoá bình phương trung bình sai số. Nó dựa trên phương pháp giảm dần từng bậc, một kỹ thuật tối ưu hoá nổi tiếng để tính toán và cập nhật vectơ trọng số đệ quy. Thuật toán cập nhật các trọng số tại mỗi lần lặp bằng cách ước lượng gradient của bề mặt lỗi toàn phương và sau đó thay đổi các trọng số trong hướng ngược với hướng gradient số lượng nhỏ nhằm tối thiểu hoá lỗi bình phương trung bình (MSE), như thấy λ hình 2.11. Đáp ứng mong muốn hỗ trợ thuật toán trong ước tính lỗi và tính toán bề mặt lỗi. Hằng số xác định mức các trọng số được điều chỉnh trong mỗi lần lặp được gọi là kích thước bậc. Khi kích thước bậc nhỏ đáng kể thì quá trình xử lý sẽ quy các trọng số được ước lượng này thành các trọng số gần tối ưu. Các kích thước bậc lớn cho phép hội tụ nhanh hơn, nhưng MSE lại lớn hơn do các trọng số không tối ưu. Các giá trị được cập nhật của vectơ trọng số tại thời điểm n + 1 được tính toán: ))(( 2 1)()1( nJnn ∇−=+ µωω , (2.29) Trong đó ( 1)nω + xác định trọng số mới được tính toán tại lần lặp thứ n+1, µ là kích thước bậc dương điều khiển tốc độ hội tụ và do đó xác định cách nhanh nhất để các Đinh Thị Thái Mai , D01VT 34 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương II. Tổng quan về ănten thông minh trọng số ước lượng đạt đến tối ưu và ( ( ))J n∇ là một ước lượng gradient của MSE J(n), trong đó J(n) được cho b λi: 2( ) [ ( 1) ] ( ) ( ) 2 ( )H HJ n E r n n R n n zω ω ω= + + − , (2.30) Với r(n+1) là tín hiệu tham chiếu tại thời điển n+1 và *( ) ( )z E x t r t =   là vectơ tương quan chéo giữa vectơ đầu vào ( )x n và đáp ứng mong muốn r(n), R là ma trận tương quan được định nghĩa trong phương trình 1.10 và 1.11. C¸c träng sè ban ®Çu C¸c träng sè tèi ­u Hình2.11:Ví dụ về bề mặt lỗi toàn phương và các trọng số của hệ thống hai phần tử theo hướng âm của gradient để tối thiểu hoá lỗi bình phương trung bình Lấy vi phân phương trình 2.30 với )(nω có : ( ( )) 2 ( ) 2J n R n zω∇ = − (2.31) Do đó, ước tính tức thời của vectơ gradient tr λ thành: ( ( )) 2 ( ) 2J n R n zω ∧ ∇ = − (2.32) *2 ( ) ( )x n nε= , Trogn đó ))((* nωε là lỗi giữa đầu ra dàn và tín hiệu tha m chiếu, được tính toán như sau: *( ) ( ) ( ) ( )Hn x n n r nε ω= − (2.33) Đinh Thị Thái Mai , D01VT 35 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương II. Tổng quan về ănten thông minh Đầu ra dàn λ hình 3.17 được cho b λi: ( ) ( ) ( )Hy n n x nω= (2.34) Dựa trên việc thay thế phương trình 2.33 vào trong phương trình 2.29 phương trình tương thích trọng số dàn tr λ thành: *( 1) ( ) ( ) ( )n n x n nω ω µ ε+ = + . (2.35) Do đó như trong phương trình 2.33, gradient ước lượng, ( ( ))J n ∧ ∇ , là hàm lỗi, ( )nε , giữa đầu ra dàn, y(n), và tín hiệu tham chiếu, r(n), và tín hiệu dàn nhận được, ( )x n , sau lần lặp thứ n. Sự hội tụ được đảm bảo chỉ khi: max 10 µ λ< < , (2.36) Trong đó maxλ là giá trị riêng lớn nhất của ma trận tương quan R trong phương trình 1.10 và 1.11. Do đó, dải giá trị riêng hay tỉ số của ma trận R điều khiển tốc độ hội tụ theo : max min ( )R λχ λ= , (2.37) Với ( ) 1Rχ ≥ . Trong những điều kiện này, thuật toán cố định và giá trị trung bình của các trọng số dàn được ước lượng hội tụ đến trọng số tối ưu. Tốc độ tương thích cũng như tạp âm gây nhiễu vectơ trọng số đều được xác định b λi kích thước của µ . Do vết của R được tính bằng tổng của các thành phần chéo trong R, nên maxλ không thể lớn hơn vết của R, nghĩa là: max 1 [ ] L i i tr Rλ λ = ≤ = ∑ (2.38) Với L là số phần tử ănten, và iλ là giá trị riêng