Đồ án tốt nghiệp Đại học Ănten thông minh và ứng dụng trong WCDMA tuthienbao.com 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 [...]... sóng phẳng đến phần tử 0 Hướng truyền sóng phẳng u0 ( ) t Phần tử 0 u1 ( ) t Phần tử 1 Mặt pha sóng phẳng đến phần tử l d = xcos sin ul ( ) t Phần tử l u L 1t ) ( Phần tử L-1 x W0 Tăng ích biến đổi và bộ dịch pha Wl W1 WL 1 Mạch kết hợp Bộ thu Hỡnh 1.1: Dn nten thụng minh 1.2.2 Nguyờn lý hot ng ca nten thụng minh Lỳc u nten ch n gin l bc x v nhn nng lng nh nhau theo mi hng truyn tớn hiu n thuờ . 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. Đồ án tốt nghiệp Đại học Ănten thông minh và ứng dụng trong WCDMA tuthienbao.com 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. 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