Đề tài Nghiên cứu khảo sát và ứng dụng anten trong thông tin vô tuyến

PHẦN B NỘI DUNG Nghiên cứu khảo sát và ứng dụng anten trong thông tin vô tuyến Trang 1 Chương 1 Giới thiệu Chương 1 Giới thiệu Đề tài này được thực hiện nhằm lý giải về lợi ích rất lớn của việc phát triển nhanh chóng lĩnh vực anten thông minh. Mặc dù anten thông minh đã xuất hiện trong khoảng hơn 40 năm, nhưng các ứng dụng không dây đòi hỏi phải dùng anten thông minh đang phát triển theo hàm mũ. Mặt khác, các thuật toán điều khiển anten thông minh gần đây đã gần như hoàn hảo và cực kỳ hiệu quả trong môi trường đa đường phân tán và môi trường đa đường động. Do đó, anten thông minh đang trở thành một phần không thể thiếu trong việc gia tăng chất lượng của vô số ứng dụng không dây. Kỹ thuật mới này có một vai trò chính trong tất cả các dạng hệ thống không dây từ điện thoại di động tới các dịch vụ thông tin công cộng (PCS) cho tới radar. Đề tài này sẽ không chỉ ra nhiều ứng dụng đặc trưng mà sẽ giới thiệu tới người đọc các bản chất cơ bản là cơ sở của anten thông minh. Một nền tảng vững chắc là rất cần thiết nếu muốn hiểu đầy đủ về khả năng ứng dụng và các lợi ích của công nghệ đang phát triển rất nhanh này. 1.1. Anten thông minh là gì? Thuật ngữ “anten thông minh” nói chung là để chỉ bất kỳ anten mảng nào, được nối đến bộ xử lý tín hiệu phức tạp, bộ xử lý này có thể hiệu chỉnh hay làm thích nghi các đồ thị búp sóng của chính nó để làm nổi bật các tín hiệu có ích và tối thiểu các tín hiệu nhiễu. Anten thông minh thường bao gồm cả hai hệ thống thích nghi chuyển búp và định dạng búp. Các hệ thống chuyển búp sẽ chứa một vài mẫu búp sóng cố định trong đó, qua đó, búp sóng tới sẽ được chọn khi muốn truy cập tại bất kỳ thời điểm cho trước nào, tùy thuộc vào các yêu cầu của hệ thống. Các hệ thống thích nghi định dạng búp Nghiên cứu khảo sát và ứng dụng anten trong thông tin vô tuyến Trang 2 Chương 1 Giới thiệu cho phép anten lái búp tới bất kỳ hướng nào có ích đồng thời cũng làm triệt các tín hiệu nhiễu. Khái niệm anten thông minh trái ngược với búp cố định “anten đổ”, không làm thích nghi đồ thị bức xạ của nó tới môi trường trường điện từ thường xuyên thay đổi. Trong những năm trước, anten thông minh được gọi là anten mảng thích nghi hoặc các anten mảng định dạng búp sóng bằng số. Thuật ngữ mới này phản ánh đúng kỹ thuật “thông minh” của chúng ta ngày nay và chỉ ra một cách rõ ràng hơn rằng một anten mảng thích nghi được điều khiển bởi quá trình xử lý tín hiệu tinh vi. Hình 1.1 (a) Anten mảng truyền thống (b) Anten thông minh Hình 1.1 cho thấy dạng rút gọn của hai loại anten mảng. Đầu tiên là một mảng búp sóng cố định, truyền thống, tại đây búp sóng chính có thể được lái bằng cách xác định các trọng số mảng ̅. Tuy nhiên, cấu hình này không phải là thích nghi cũng như thông minh Mảng thứ hay trong hình là một anten thông minh được thiết kế để thích nghi với môi trường tín hiệu thay đổi để tối ưu hóa một thuật toán cho trước. Một tiêu chuẩn tối ưu hóa, hay hàm giá trị, thường được xác định dựa theo các đòi hỏi có thể làm được. Trong ví dụ này, hàm giá trị được xác định bằng biên độ của bình phương lỗi, | | , giữa tín hiệu mong muốn d và ngõ ra mảng y. Các trọng số mảng ̅ được hiệu chỉnh đến khi ngõ ra phù hợp với tín hiệu mong muốn và hàm giá trị là tối thiểu. Việc này sẽ cho ra mẫu bức xạ tốt nhất. 1.2. Tại sao Anten Thông Minh đang là vấn đề nóng? Có hai lý do dẫn đến việc phát triển nhanh chóng về nhu cầu sử dụng anten thông minh. Thứ nhất, công nghê đòi hỏi tối độ chuyển đổi tương tự sang số ADC nhanh và tốc độ xử lý tín hiệu số nhanh đang phát triển ở mức báo động. Mặc dù khái niệm về anten thông minh đã hình thằng trong khoảng thập niên 50 [1-3], công nghệ này để thoã mãn sự cần thiết về tốc độ và các phép toán khổng lồ bằng máy tính đã xuất hiện gần đây. Anten thông minh trong giai đoạn đầu, hay các mảng thích nghi, có khả năng Nghiên cứu khảo sát và ứng dụng anten trong thông tin vô tuyến Trang 3 Chương 1 Giới thiệu bị giới hạn vì các thuật toán thích nghi thường được bổ sung trong phần cứng tương tự. Cùng với sự phát triển của ADC và xử lý tín hiệu số (DSP), hai kỹ thuật này trước đây được thực hiện thông qua phần cứng và bây giờ có thể được thực hiện nhanh chóng và bằng kỹ thuật số [4]. Các bộ ADC có độ phân giải trong khoảng 8 tới 24 bits, và tốc độ lấy mẫu xấp xỉ 20 Gigasamples/s [5]. Trong thời đại ngày nay, các bộ chuyển đổi dữ liệu siêu dẫn sẽ có thể lấy mẫu dữ liệu với tốc độ lên đến 100 Gsa/s [6]. Qua đó, ta có thể số hóa trực tiếp hầu hết các tín hiệu âm tần (RF) trong nhiều ứng dụng không dây. Điều này làm cho hầu hết các quá trình xử lý tín hiệu được thực hiện bằng phần mềm ở đầu bộ thu. Ngoài ra, DSP có thể được thực hiện bằng quá trình xử lý song song với tốc độ cao khi sử dụng các FPGA. Các FPGA trên thị trường bây giờ có tốc độ lên tới 256 BMACS 1. Do đó, các lợi nhuận của việc tích hợp anten thông minh có thể phát triển mạnh một khi sự phát triển theo cấp số nhân của kỹ thuật số tiếp tục phát triển. Thứ hai, nhu cầu của thế giới về mọi dạng thông tin và cảm biến không dây tiếp tục phát triển với tối độ nhanh. Anten thông minh là một kết quả thực tế về việc xử lý tín hiệu mảng thích nghi và có một chuỗi các ứng dụng thú vị. Các ứng dụng này bao gồm: thông tin di động không dây [7], đo đạc phần mềm vô tuyến [8, 9], nạng không dây cục bộ (WLAN) [10], vòng nội bộ không dây (WMAN) [12], các dịch vụ thông tin vệ tin cá nhân địa tĩnh, rada [13], rađa mọi nơi [14], nhiều dạng cảm biến từ xa, mạng di động ad hoc (MANET) [15], các thông tin tốc độ cao [16], thông tin vệ tin [17], hệ thống MIMO [18], và hệ thống đa dạng sóng [19]. Sự phát triển nhanh chóng của riêng viễn thông là đã đủ để làm tăng dung lượng và tốc độ của hệ thống khi kết hợp với anten thông minh. Theo như dự án của Hoa Kỳ thì sẽ đầu tư 137 triệu USD vào viễn thông trong năm 2006. Các chỉ tiêu toàn cầu về viễn thông đang nhanh chóng đạt đến mức 3 ngàn tỷ USD 1.3. Các lợi ích của Anten thông minh Anten thông minh có rất nhiều lợi ích quan trọng trong các ứng dụng không dây cũng như là các cảm biến như rađa. Trong thế giới của các ứng dụng không dây di động, anten thông minh có thể làm tăng dung lượng hệ thống bằng cách hướng các tia hẹo đến thuê bao có ích, trong khi triệt đi các thuê bao không có ích còn lại. Việc này tạo ra một tỉ số tín hiệu trên nhiễu cao hơn, mức công suất thấp hơn, và có thể tái sử dụng tần số nhiều hơnn trong cùng một cell. Khái niệu này được gọi là đa truy cập phân chia theo không gian (SDMA). Tại Hoa Kỳ, hầu hết các trạm gốc đều sectơ hóa mỗi cell với góc 120O như hình 1.2a. Điều này sẽ làm tăng dung lượng hệ thống lên gấp 3 lần trong một cell bởi vì các thuê bao trong mỗi 3 sectơ này có thể chia sẽ cùng nguồn tài nguyên phổ với nhau. Hầu hết các trạm gốc có thể được điều chỉnh để trang bị anten thông minh trong mỗi sectơ. Do đó, các sectơ 120O có thể được chia nhỏ hơn như hình 1.2b. Việc chia nhỏ hơn này giúp có thể sử dụng mức công suất thấp hơn, làm tăng dung lượng hệ thống và băng thông. 1 BMACS: Billion multifly accumlates per second Nghiên cứu khảo sát và ứng dụng anten trong thông tin vô tuyến Trang 4 Chương 1 Giới thiệu Một lợi ích khác của anten thông minh là có thể làm giảm các ảnh hưởng có hại của hiệu ứng đa đường. Như sẽ đề cập ở chương 8. một thuật toán hằng số module để điều khiển anten thông minh có thể được hoàn thành để triệt đi các tín hiệu đa đường. Việc này sẽ làm giảm pha đinh một cách đột ngột ở tín hiệu thu. Tốc độ dữ liệu sẽ cao hơn vì anten thông minh có thể đồng thời vừa giảm can nhiễu cùng kênh vừa giảm hiệu ứng pha đinh đa đường. Việc giảm đa đường không chỉ đem lại lợi ích cho thông tin di động mà còn cho nhiều ứng dụng của hệ thống rađa khác. Hình 1.2 (a) Đã sectơ hóa (b) Anten thông minh Anten thông minh có thể được dùng để nâng cao các kỹ thuật tìm phương (DF) bằng kỹ thuật chính xác hơn đó là kỹ thuật tìm góc tới (AOA) [20]. Việc tích hợp một mảng rất lớn các kỹ thuật ước lượng phổ sẽ làm cô lập AOA bằng thuật toán hiệu chỉnh góc, thuật toán này sẽ khuếch đại độ phân giải của mảng ướng lượng phổ đó lên. Phần này sẽ được đề cập chi tiết hơn ở Chương 7. Việc ước lượng chính xác góc tới (AOA) thì rất hữu dụng đặc biệt là trong các hệ thống rađa trong vấn đề giải quyết hiện tượng vật ảnh hoặc vật di chuyển. Khả năng tìm phương (DF) của anten thông minh cũng có thể làm mở rộng phạm vi cung cấp dịch vụ trong hệ thống không dây vì nó có thể làm tăng khả năng xác định vị trí của một thuê bao di động đặc biệt. Ngoài ra, anten thông minh thậm chí có thể hướng dãy búp sóng chính về phía các tín hiệu có ích khi không có tín hiệu tham chiếu hoặc chuỗi huấn luyện cho trước. Khả năng này được gọi là định dạng búp sóng mù. Anten thông minh cũng là một phần trong hệ thống thông tin MIMO [18] và trong hệ thống rađa MIMO đa dạng sóng [21, 22]. Vì mỗi dạng sóng khác nhau được phát từ một phần tử trong dãy anten phát và được kết hợp lại tại dãy anten thu, khi đó anten thông minh sẽ có vai trò trong việc xác định các mẫu bức xạ để làm tối ưu khả năng nhận diện tín hiệu đa đường. Đối với hệ thống rađa MIMO, anten thông minh có thể khai thác tính độc lập giữa các tín hiệu khác nhau tại mỗi dãy phần tử nhằm sử dụng phương pháp mục tiêu nhấp nháy đối với các tín hiệu có chất lượng đã được tăng, để tăng độ phân giải, và để làm giảm tín hiệu dội [19]. Nhiều lợi ích của anten thông minh sẽ được trình bày chi tiết hơn ở Chương 7 và 8. Tóm lại, nhóm thực hiện sẽ liệt kê các lợi ích có thể có của anten thông minh như sau: Nghiên cứu khảo sát và ứng dụng anten trong thông tin vô tuyến Trang 5 Chương 1 Giới thiệu  Tăng dung lượng hệ thống  Băng thông cho phép sẽ cao hơn  Đa truy cập phân chia theo không gian  Tỉ số tín hiệu trên nhiễu cao hơn  Tăng khả năng tái sử dụng tần số  Triệt hoặc lái búp phụ sang hướng không  Giảm đang kể hiệu ứng đa đường  Khôi phục hằng số module thành tín hiệu điều pha  Thích nghi mù  Tăng khả năng ước lượng hướng góc tới và hướng tới  Đổi track ngay lập tức đối với nguồn di động  Giảm vết đốm trong hiện tượng ảnh rađa  Triệt tín hiệu dội  Tăng góc truy cập rỗi  Tăng độ phân giải của chuỗi anten  Tương thích MIMO ở cả thông tin và rađa 1.4. Anten thông minh bao gồm nhiều lĩnh vực Vấn đề chung của anten thông minh là sự hợp nhất cần thiết giữa các lĩnh vực liên quan như trường điện từ, anten, lan truyền sóng, thông tin, xử lý ngẫu nhiên, lý thuyết thích nghi, ước lượng phổ, và xử lý tín hiệu mảng. Hình 1.3 giải thích tính quan hệ giữa mỗi lĩnh vực. Hình 1.3 Biểu đồ Venn về mối quan hệ của các lĩnh vực liên quan đến anten thông minh. Nghiên cứu khảo sát và ứng dụng anten trong thông tin vô tuyến Trang 6 Chương 1 Giới thiệu Nhiều thực nghiệm trước đây đã được thực hiện để mô tả anten thông minh từ cái nền của một lĩnh vực đơn lẻ; tuy nhiên, cái nhìn thiển cận này chỉ lôi cuốn một thành phần nhỏ các kỹ sư thông tin và không mang lại sự đánh giá đầy đủ về chủ đề có giá trị này. Không một kỹ sư một lĩnh vực nào có thể đứng vững trong lĩnh vực đang phát triển cực nhanh này. Chủ đề của anten thông minh vượt xa các ứng dụng đặc trưng và do đó nó xứng đáng trở thành một vấn đề toàn cầu. Để hiểu về nền tảng của anten thông minh, cần phải có một người hội đủ các kiến thức về các lĩnh vực liên quan. Một người có thể hợp nhất một số lĩnh vực ở Hình 1.3 lại thành một danh sách nhỏ hơn. Tuy nhiên, đặc biệt hơn cả là từng lĩnh vực đặc trưng đó sẽ đóng góp một phần kiến thức của nó vào kho tàng kiến thức của anten thông minh. Do đó, đề tài này là một biểu mẫu để xem xét tất cả các lĩnh vực đó và gắn kết chúng vào một vấn đề chung. 1.5. Tổng quan về đề tài Như đã đề cập, đề tài này được thực hiện để làm cho người đọc hiểu nền tảng và tổng quát về vấn đề anten thông minh. Các kiến thức nền về những nguyên lý cơ bản có liên quan tới anten thông minh sẽ được trình bày ở mỗi lĩnh vực đã đề cập. Và các lĩnh vực khác nhau này sẽ được phát thảo thành từng chương trong đề tài này. Trường điện từ, anten, và mảng được trình bày ở Chương 2 và 4. Kiến thức nền sẽ có tính quyết định khi muốn hiểu tốt hơn về cấu trúc vật lý của anten thông minh. Các quá trình ngẫu nhiên cùng với các phân bố đặc trưng được trình bày ở Chương 5 sẽ giúp hiểu về nhiễu, kênh, trãi trể, trãi góc, và các đường bao kênh. Đặc tính kênh truyền dẫn được trình bày ở Chương 6 sẽ giúp hiểu về các tính cơ bản của hiệu ứng đa đường và pha đinh. Điều này sẽ chứng minh giá trị thực sự của việc hiểuu các giới hạn của chất lượng anten thông minh. Ước lượng AOA được trình bày ở Chương 7. Chương này sẽ khai thác các kỹ thuật khác nhau dùng để ước lượng AOA và đặt nền tảng cho việc hiểu các phương thức hình thành cấu trúc. Cuối củng, anten thông minh đuợc trình bày rõ ràng ở Chương 8 bao gồm lịch sử của sự phát triển anten thông minh. Nhiều thuật toán thích nghi được khai thác và giải thích. Dự kiến là các độc giả quan tâm có thể sử dụng các nguyên lý được trình bày trong đề tài này để nâng cao kiến thức về nền tảng anten thông minh của mình. Mặt khác, còn có nhiều ví dụ MATLAB được trình bày để người đọc có thể hiểu cặn kẽ về anten thông minh vì nó được trực quan hóa bằng phần mềm. Nhiều file tập lệnh MATLAB được cung cấp trong đĩa CD để sinh viên có thể hiểu cách lập trình các thuật toán khác nhau này và quan sát chất lượng của chúng. Hi vọng rằng, khi hiểu được nền tảng này, sinh viên có thể dùng nó như một điểm tựa để thuận lợi hơn trong công việc trong lĩnh vực tài chính. Nghiên cứu khảo sát và ứng dụng anten trong thông tin vô tuyến Trang 7 Chương 1 Giới thiệu Các chương được tổng quát như sau: Chương 1: Giới thiệu Chương 2: Các cơ sở về Trường Điện Từ Chương 3: Các cơ sở về Anten Chương 4: Các cơ sở về Mảng Chương 5: Khảo sát đặc tính một số anten trong thực tế và bằng phần mềm PCAAD Chương 6: Các nguyên lý của việc xử lý ngẫu nhiên và biến ngẫu nhiên Chương 7: Các đặc tính của kênh truyền dẫn Chương 8: Ước lượng hướng góc tới Chương 9: Anten thông minh Chương 10: Tăng độ phủ sóng và tăng dung lượng trong mạng 3G Chương 11: Anten thông minh trong các trạm di động Chương 12: Anten thông minh trong hệ thống MIMO