Tìm hiểu về kỹ thuật phân tập không gian thời gian được ứng dụng trong hệ thống truyền tín hiệu thông tin di động.

84 827 3
Tìm hiểu về kỹ thuật phân tập không gian  thời gian được ứng dụng trong hệ thống truyền tín hiệu thông tin di động.

Đang tải... (xem toàn văn)

Tài liệu hạn chế xem trước, để xem đầy đủ mời bạn chọn Tải xuống

Thông tin tài liệu

DANH MỤC HÌNH ẢNH 4 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT 5 MỞ ĐẦU 7 CHƯƠNG 1 ANTEN MẢNG 9 1.1 Sự phát triển của kỹ thuật anten. 9 1.2 Anten 11 1.2.1 Phân loại Anten 11 1.2.2 Đặc tính của anten 13 1.2.2.1 Bức xạ 13 1.2.2.2 Mật độ công suất bức xạ 17 1.2.2.3 Cường độ bức xạ. 18 1.2.2.4 Hệ số định hướng 19 1.2.2.5 Độ lợi Gain (G) 20 1.2.2.6 Hiệu suất anten 22 1.2.2.7 Hiệu suất chùm tia 22 1.2.2.8 Băng thông 23 1.2.2.9 Phân cực 24 1.2.2.10 Trở kháng đầu vào 26 1.3 Anten mảng 28 1.3.1 Các khái niệm cơ bản 28 1.3.2 Mô hình tín hiệu mảng 30 1.3.3Mảng đồng nhất một chiều 32 1.3.4 Mảng đồng nhất hai chiều 37 1.3.5Mảng ký sinh. 39 1.4 Tổng kết chương 43 CHƯƠNG 2 PHÂN TẬP ANTEN 45 2.1 Tổng quan về phân tập. 45 2.2 Phân tâp thời gian. 45 2.3 Phân tập tần số 51 2.3.1 Kỹ thuật điều chế đa sóng mang 52 2.3.2 Kỹ thuật nhảy tần 56 2.4 Phân tập phân cực 58 2.5 Phân tập không gian 58 2.5.1 Đặc điểm phân tập không gian 58 2.5.2 Ưu, nhược điểm của kỹ thuật xử lý không gian thời gian. 59 2.5.2.1 Ưu điểm 59 2.5.2.2 Nhược điểm 60 2.5.3 Phân tập thu 60 2.5.3.1 Mô hình tín hiệu 60 2.5.3.2 Kỹ thuật phân tập thu kết hợp lựa chọn (Selection Combining – SC) 61 2.5.3.3 Kỹ thuật phân tập thu kết hợp theo tỷ số tối đa (Maximal Ratio Combining – MRC ) 63 2.5.3.4 Kỹ thuật phân tập thu kết hợp cùng độ lợi (Equal Gail Combining EGC) 65 2.5.4 Các kỹ thuật phân tập phát 67 2.5.4.1 Phân tập phát tỷ lệ tối đa 67 2.5.4.2 Phân tập phát giữ chậm 69 2.5.4.3 Phân tập phát không gian thời gian. 70 2.6 Tổng kết chương 75 CHƯƠNG 3 HIỆU QUẢ VỀ DUNG LƯỢNG CỦA ANTEN MẢNG ĐỐI VỚI HỆ THỐNG GSM 76 3.1 Hiệu quả về dung lượng khi sử dụng anten mảng chuyển búp sóng 76 3.2 Hiệu quả về dung lượng đối với hệ thống AMPS 79 3.3 Hiệu quả về dung lượng đối với hệ thống GSM 79 3.4 Ảnh hưởng của fading và che khuất tới việc tái sử dụng tần số 79 3.4.1 Ảnh hưởng của sự che khuất. 82 3.4.2 Các vùng nhiễu 83 3.4.3 Đánh giá ảnh hưởng của các nguồn nhiễu đồng kênh trong thực tế. 84 3.5 Hiệu quả về dung lượng của anten mảng với ảnh hưởng của che khuất và lỗi fading. 85 3.6 Tổng kết chương 87 HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 88 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 89

Mục lục GVHD: THS DƯƠNG THỊ HẰNG MẠNH SV: LA VĂN DANH MỤC HÌNH ẢNH 1.1 Sơ đồ hệ thống thu phát vô tuyến…………………………………… 11 1.2 Một số loại anten thông dụng………………………………………13,14 1.3 Mô hình xạ anten…………………………………… …15 1.4 Các dạng xạ anten…………………………………………… 15,16 1.5 Dạng búp sóng anten………………………………………………16 1.6 Mô hình trường xạ anten…………………………………… 17 1.7 Mô hình truyền sóng miền thời gian………………………… 25 1.8 Mô hình phân cực elip…………………….……………………………25 1.9 Một số cấu trúc anten mảng……………………………………… 29,30 1.10 Cấu hình anten mảng tuyến tính M phần tử……… … 30 1.11 Mô hình anten mảng thu gồm M phần tử……………………… 31 1.12 Mảng đồng chiều………………………………………….33 1.13 Mô hình kiểu xạ anten mảng……………………………34 1.14 Hệ số mảng kiểu xạ mảng………………… …………37 1.15 Mảng đồng chiều…………………………………………….38 1.16 Mảng ký sinh……………………………………………………… 41 1.17 Mảng Yagi - Uda…… …………………………………………… 43 2.1 Phân tập thời gian phương pháp ghép xen…………………….48 2.2 Cấu trúc từ mã truyền đi…………………………………51 2.3 Mô hình OFDM ……………………………………………………… 54 2.4 Kỹ thuật sử dụng kỹ thuật OFDM sóng mang…………………… 54 2.5 Mô hình điều chế truyền tín hiệu OFDM ………………… 56 2.6 Sóng không gian tín hiệu OFDM ……………………… 56 2.7 Kỹ thuật thu kết hợp lựa chọn……………………………………… 63 2.8 Kỹ thuật thu kết hợp theo tỷ số tối đa……………………………… 65 2.9 Mô hình MRT với N nhánh phân tập…………………………………69 2.10 Mô hình phương pháp phân tập phát thu giữ chậm……………… 71 2.11 Mô hình phương pháp SIMO……………………………………… 72 2.12 Mô hình kỹ thuật phân tập MIMO………………………………… 75 3.1 Mẫu tái sử dụng tần số thông tin di động …………………… 79 3.2 Có nhiễu không nhiễu …………………………………………… 83 3.3 Khu vực nhiễu có fading che khuất……………………………85 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT AM AMPS MMSE Amplitude Modulation Advanced Mobile Phone System Angle Of Arrival Bit Error Rate Binary Phase Shift Keying Code Division Multiple Access Direction Of Arrival Equal – Gail Combining Effected Radiated Power Frecency Division Multiple Access Forward Error Correction Frecency Modulation Gain Global System for Mobile Half Power Beam Width Institute of Electrical and Electronics Engineers Multi Access Interference Multi Input – Multi Output Multi Input – Single Output Maximum Likelihood Sequence Estimator Minimum Mean Square Error MRT SNR STBC Maximal Ratio Transmit Signal to Noise Ratio Space – Time Block Code AOA BER BPSK CDMA DOA EGC ERP FDMA FEC FM G GSM HPBW IEEE MAI MIMO MISO MLSE Điều chế sóng mang Hệ thống điện thoại di dộng tiên tiến Góc tới Tỷ số lỗi bit Điều chế pha bít tín hiệu Đa truy cập phân chia theo mã Hướng tới Kết hợp độ lợi Công suất xạ hiệu dụng Đa truy caaoj phân chia theo tần số Kỹ thuật sửa lỗi Điều chế tần số Độ lợi Hệ thống di động toàn cầu Độ rộng chùn tia nửa công suất Viện kỹ sư điện điện tử Nhiễu đa truy cập Nhiều đầu vào – Nhiều đầu Nhiều đầu vào, đầu Ước lượng chuối tối ưu Sai số bình phương trung bình tối thiểu Phát theo tỷ lệ tối đa Tỷ số tín hiệu tạp âm Mã hóa khối không gian thời gian MỞ ĐẦU Ngày nay, hệ thống thông tin di động phát triển bùng nổ toàn giới Việt Nam Để đáp ứng nhu cầu ngày cao người sử dụng chất lượng, dung lượng lưu trữ tính đa dạng dịch vụ đặc biệt dịch vụ truyền liệu tốc độ cao đa phương tiện, việc nghiên cứu, ứng dụng tiến khoa học công nghệ vào hệ thống thông tin điểu đòi hỏi cấp thiết Có nhiều phương pháp để nâng cao giá trị hệ thống thông tin Tuy nhiên, số kỹ thuật tập trung nghiên cứu kỹ thuật xử lý không gian – thời gian Kỹ thuật cho phép sử dụng tối đa phổ tần với hệ thống vô tuyến nói chung hệ thống thông tin di động tổ ong nói riêng Với việc kết hợp sử dụng nhiều anten cho trình thu phát, kỹ thuật cho phép tối ưu hóa trình thu trình phát xử lý tín hiệu theo hai chiều không gian thời gian Nếu việc xử lý tín hiệu không gian – thời gian thành công, mang lại giá trị vô to lớn dung lượng thực hóa khả truyền liệu tốc độ cao cho hệ thống thông tin di động GSM hay CDMA hệ thống thông tin di động công nghệ 4G, 5G Việc xử lý không gian – thời gian nhằm mục đích giảm thiểu fading nhiễu đa truy cập (MAI) cho tín hiệu truyền Có nhiều cách thức để thực sử dụng anten thông minh với kỹ thuật tạo búp sóng, phân tập chia séc-tơ; sử dụng kỹ thuật xử lý tín hiệu cao cấp; áp dụng cấu trúc máy thu cao cấp sử dụng phương pháp sửa lỗi trước Đồ án vào tìm hiểu kỹ thuật phân tập kết hợp không gian – thời gian, kỹ thuật nhằm tăng dung lượng kênh truyền áp dụng hệ thống thông tin di động tương lai Nội dung đồ án bao gồm chương Chương 1: Giới thiệu trình, lịch sử phát triển hệ thống thông tin di động anten; trình bày đặc tính, phân loại anten vào tìm hiểu, phân tích anten mảng Chương 2: Tìm hiểu kỹ thuật phân tập không gian - thời gian ứng dụng hệ thống truyền tín hiệu thông tin di động Chương 3: Tìm hiểu, phân tích kết đạt việc xử lý anten mảng theo phân tập không gian – thời gian đưa mặt tích cực, hạn chế phương pháp CHƯƠNG ANTEN MẢNG 1.1 Sự phát triển kỹ thuật anten Năm 1861, Maxell (Đại học Hoàng Gia Luân Đôn) đưa lý thuyết sóng điện từ, đặt móng cho trình nghiên cứu phát triển sóng vô tuyến Năm 1887, thực nghiệm với sóng đứng, Hetz (Đại học Karlsruhe) chứng tồn sóng Năm 1890, Branly (Paris) xây dựng “bộ quán” phát có mặt sóng điện từ chai thủy tinh chứa đầy kim loại Bộ quán sau tiếp tục phát triển Lodge (Anh) Mùa hè năm 1895, Marconi sử dụng máy phát Hetz, quán Lodge lắp thêm anten để tạo máy phát vô tuyến Ứng dụng kỹ thuật vô tuyến hệ thống điện thoại vô tuyến 2MHz vào năm 1921 ngành cảnh sát Những hệ thống phát triển sau FM (Armstrong - 1933); Hệ thống thông tin Bell tần số 150 MHz, hệ thống IMST sử dụng FM AT&T (1946) Khái niệm cellular (mạng di động tổ ong); hệ thống AMPS (1970); vào năm 1990s, hệ thống thông tin tổ ong GSM, IS -136 (TDMA), CDMA IS - 95, 3G… đời phát triển cách mạnh mẽ Kỹ thuật anten sử dụng thông tin vô tuyến có giá trị to lớn việc nghiên cứu phát triển mạng lưới hệ thống thông tin di động 4G, 5G IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) đưa định nghĩa: Anten “phần tử hệ thống truyền hay nhận thiết kế để xạ hay thu nhận sóng điện từ” Đó thiết bị dùng để truyền lượng máy phát máy thu mà không cần phương tiện truyền dẫn tập trung Anten phận thiếu hệ thống vô tuyến điện nào, hệ thống vô tuyến bắt buộc phải sử dụng sóng điện từ, có nghĩa phải có anten phát sóng điện từ anten thu sóng điện từ Một hệ thống vô tuyến thông thường gồm: máy phát, anten phát, máy thu, anten thu Giữa máy phát với anten phát máy thu với anten thu không kết nối trực tiếp với mà thông qua kênh truyền hữu tuyến gọi fide Trong hệ thống máy phát có nhiệm vụ tạo tín hiệu cao tần RF công suất lớn, tín hiệu thông qua fide truyền đến anten phát dạng sóng điện từ ràng buộc Anten phát có nhiệm vụ chuyển tín hiệu sóng điện từ ràng buộc thành xạ điện trường lan truyền không gian tự Anten thu có nhiệm vụ ngược lại với anten phát, tức cảm ứng sóng điện từ tự không gian thành sóng điện từ ràng buộc thông qua fide truyền tới máy thu Yêu cầu anten fide phải chuyển đổi lượng với hiệu suất cao mà không gây méo tín hiệu Anten sử dụng nhiều kỹ thuật vô tuyến vô tuyến truyền thanh, vô tuyến truyền hình, vô tuyến đạo hàng, vô tuyến thiên văn, điều khiển vô tuyến… Tùy vào mục đích sử dụng mà yêu cầu đặt với loại anten khác Hình 1 Sơ đồ hệ thống thu phát vô tuyến Trong hệ thống thông tin vô tuyến, anten có chức bản: chức để xạ tín hiệu RF từ máy phát dạng sóng vô tuyến để chuyển đổi sóng vô tuyến thành tín hiệu RF để xử lý phía bên thu; chức khác anten để hướng lượng xạ theo hay nhiều hướng mong muốn, cảm nhận tín hiệu thu từ hay nhiều hướng mong muốn, hướng lại thường bị khóa lại 1.2 Anten 1.2.1 Phân loại Anten Hiện nay, mạng lưới hệ thống thông tin di động, anten có loại sử dụng đẳng hướng (Ommi-directional) định hướng (Directional) Anten đẳng hướng truyền tín hiệu RF theo tất hướng theo trục ngang (song song mặt đất) bị giới hạn trục dọc (vuông góc với mặt đất) Anten thường dùng thiết bị tích hợp Wi-Fi thông dụng nay: ADSL, Boardband Router, access point Anten đẳng hướng có độ lợi khoảng 6dB, thường dùng tòa nhà cao tầng, bao trùm tòa nhà Loại anten thường sử dụng mô hình điểm – điểm hay điểm – đa điểm, hay nắp đặt xe Anten định hướng: có hướng phát sóng hẹp, thiết bị thu sóng cần nằm xác phạm vi phát sóng hẹp anten định hướng thu sóng phát từ anten Đồ thị xạ tương tự ánh sáng đèn pin, tức ta chiếu sáng gần chùm sáng rộng, chiếu sáng vật xa chùm sáng nhỏ, tia sáng Độ lợi anten cao búp sóng hẹp, giới hạn khu vực phủ sóng anten bị thu hẹp lại Anten định hướng có độ lợi lớn anten đẳng hướng, từ 12 dB lớn Việc thay đổi độ lợi tạo anten khác nhau, mục đích tạo búp sóng với góc phát khác nhau, góc phát theo chiều dọc hay theo chiều ngang nhỏ bước sóng hội tụ cự ly phát xa Các loại anten định hướng thường có góc phát theo chiều ngang khoảng 10 - 120 o nên có độ lợi nằm khoảng 18 – 20 dB Anten định hướng có nhiều kiểu dáng kích thước khác nhau, điển hình loại anten Yagi, Patch, Dish… Ngoài ra, dựa yếu tố kỹ thuật mà anten chia làm loại khác nhau: + Theo công dụng anten: anten phân loại thành anten phát, anten thu anten phát thu dùng chung Thông thường anten làm nhiệm vụ cho phát thu + Dải tần công tác anten: anten sóng dài, anten sóng trung, anten sóng ngắn anten sóng cực ngắn + Phương pháp cấp điện cho anten: anten đối xứng anten không đối xứng Một số loại anten tiêu biểu: Anten Dipole Dipole Hình nón Anten Khung Anten Lò xo Anten Loa Anten Parabol Anten Loga chu kỳ Alamouti Chúng ta có nhận xét rằng: hệ thống MIMO STBC 2xM có cấp độ phân tập với hệ thống SIMO MRC 1x2M Tuy nhiên hệ thống STBC bị suy hao 3dB BER điều kiện chuẩn hóa công suất phát Do phẩm chất hấp dẫn STBC, máy thu trạm gốc sử dụng anten để thu độ lợi phân tập cho hai kênh truyền lên xuống Vì vậy, mã khối không gian thời gian Alamouti khuyến nghị sử dụng hệ thống thông tin di động thứ ba Song song với kỹ thuật phân tập không gian - thời gian, kỹ thuật xử lý anten mảng phương pháp tạo búp sóng mang lại nhiều hiệu sử dụng phổ biến Cùng với phân tập, tạo búp sóng mở tương lai cho công nghệ viễn thông giới khả mở rộng băng tần tăng tốc độ truyền tin CHƯƠNG HIỆU QUẢ VỀ DUNG LƯỢNG CỦA ANTEN MẢNG ĐỐI VỚI HỆ THỐNG GSM 3.1 Hiệu dung lượng sử dụng anten mảng chuyển búp sóng Trong hệ thống thông tin di động tổ ong, tổng số kênh phân bổ cho nhà cung cấp dịch vụ Nt số kênh chia sử dụng cho ô cụm, cấu trúc gọi tái sử dụng (lặp lại) toàn hệ thống Nếu số ô cụm N số kênh ô là: Nc = Nt/N (3.1) Số kênh ô tăng lên kích cỡ cụm N giảm Khoảng cách d ô sử dụng kênh giống gọi khoảng cách tái sử dụng Các ô sử dụng tập kênh gọi ô kênh Trong hệ tổ ong, có vô số ô kênh Số ô gây nhiễu kênh lớp thứ (gần với ô bị nhiễu nhiều nhất) N i = Vì ô có hình lục giác, có giá tri hạn chế định kích cỡ cụm theo công thức N = + , số nguyên không âm Do đó, kích cỡ cho phép ô lục giác N = 1, 3, 4, 7, 9,13, Số nguồn nhiễu kênh vòng xa thứ n 6n Nếu R bán kính ô, hình dạng lục giác tạo liên quan kích cỡ ô khoảng cách tái sử dụng: D=R (3.2) Công thức tính diện tích hình lục giác theo bán kính: S = /2 (3.3) Trong mạng thông tin di động tổ ong, khoảng cách tái sử dụng tăng kích cỡ cụm tăng với bán kính ô không đổi Khoảng cách tái sử dụng lớn làm cho công suất nhiễu kênh nhỏ hơn, tín hiệu vô tuyến suy hao khoảng cách tăng Do công suất nhiễu giảm N tăng Hình 3.1 Mẫu tái sử dụng tần số thông tin di động Xét ô trung tâm ô mong muốn máy di động di chuyển ô giả thiết anten trạm gốc phát xạ công suất bị bao quanh vật cản nhau, công suất sóng mang nhiễu C/I nhận máy di động nằm rìa ô không mong muốn, nhiễu phát sinh từ nguồn nhiễu lớp gần là: = = (3.4) Trong K số phụ thuộc vào công suất phát xạ tham số anten, khoảng cách máy di động máy phát kênh thứ k Đại lượng n hệ số suy hao đường truyền mô tả tỉ lệ suy hao đường truyền môi trường định với khoảng cách d từ máy phát Trong không gian tự do, hệ số suy hao đường truyền 2, mặt đất phẳng giá trị xấp xỉ Với nguồn nhiễu lớp đầu tiên, kết xấp xỉ tốt cho khoảng cách dk = D, D+R, D-R, D+R/2, D-R/2 Với N ≥ 7, chênh lệch C/I tính theo hai cách nhỏ dB Với CIR (xác định ràng buộc khác hệ thống thông tin di động) n, Ni cho trước, phương trình viết lại thành: N= (3.5) Trong số đẳng hướng (omni) loại bỏ khỏi C/I Trong vùng mật độ dân số cao, giả thiết nguồn nhiễu phân bổ đồng không gian Nếu anten chuyển búp sóng có m búp sóng, búp sóng có độ rộng ∆ϕ radian, sử dụng trạm gốc thay cho anten đẳng hướng số nguồn nhiễu búp sóng giảm ∆ϕ/ 2π = 1/m Do CIR cho anten chuyển búp là: = (3.6) Công thức cho thấy CIR tăng tỉ lệ thuận với số búp sóng m Với n, m cho trước, phương trình biến đổi để xác định kích cỡ cụm hiệu dụng Ne Ne = [ = N (3.7) Phương trình cho thấy rằng, kích cỡ cụm giảm m tăng với CIR không đổi Nếu Nt tổng số kênh cụm Nc = Nt / N số kênh ô số kênh hiệu dụng ô Nce tính theo: = = = (3.8) Với sác xuất nghẽn p cho trước, mật độ lưu lượng E/ kênh biểu diễn theo số kênh có Với giá trị xác xuất nghẽn cụ thể 0.01, biểu diễn xấp xỉ sau: E/= 0.855 tanh(0.07) – 1,41.103Nk2e-0.07Nk (3.9) Nếu giả sử, lưu lượng tiêu biểu người sử dụng Eu, số người sử dụng K, hỗ trợ kênh (E/ Để tính lưu lượng anten chuyển búp sóng, số kênh tổng số kênh cần dùng số kênh hiệu dụng ô Nce Tổng số thuê bao ô Ksb = kNce Với hệ thống chuyển búp sóng có p = 0.01 ] (3.10) Trái lại, số người dùng anten đẳng hướng K omni số với anten sector m búp sóng Ksec, p = 0.01 là: Komni = ] ] (3.11) (3.12) Chú ý, số trung kế hệ thống m sector m số kênh tổng số kênh dùng Nce/m 3.2 Hiệu dung lượng hệ thống AMPS Hệ thống AMPS có tổng băng thông 12.5 MHz, kênh thoại chiếm 30 kHz có tổng số kênh 416 kênh Mẫu tái sử dụng (N) thông thường AMPS 7, với lưu lượng thuê bao 0.04 Erlag, tỷ lệ nghẽn p = 0.01, n = 4.5 N i = Kỹ thuật xử lý với anten mảng tạo cho AMPS dung lượng tăng đáng kể, số lượng thuê bao tăng lên Khi số búp sóng tăng, dung lượng mà anten thông minh chiếm lớn nhiều so với anten thông thường Khi xử dụng anten chuyển búp sóng, tỷ số CIR tăng nhà khai thác giảm hệ số tái sử dụng tần số Trong trường hợp nhà khai thác AMPS giảm hệ số tái sử dụng tần số xuống dung lượng hệ thống tăng nhiều 3.3 Hiệu dung lượng hệ thống GSM Tổng băng thông nhà khai thác di động Việt Nam MHz cho chiều lên xuống Với hệ thống GSM, kênh tần số cần băng thông 200 kHz mang kênh lưu lượng tổng số kênh lưu lượng Nt = MHz/200 kHz x = 320 Thực tế, số kênh phải dùng làm kênh điều khiển cho việc phân bố kênh, nhắn tin, thông báo… Với mẫu tái sử dụng N = CIR cho anten đẳng hướng 16.5 dB, kết cải thiện dung lượng anten chuyển búp sóng đạt khoảng 30% so với anten có vùng dẻ quạt Trong trường hợp nhà khai thác GSM có băng thông 12.5 MHz, Nt = 12.5 MHz/200 kHz x = 500, dung lượng hệ thống lớn nhiều so với hệ thống AMPS 3.4 Ảnh hưởng fading che khuất tới việc tái sử dụng tần số Xét máy di động có đường bao từ trạm gốc mong muốn - giả thiết đặt trung tâm ô có bán kính R Máy di động đồng thời thu tín hiệu từ trạm gốc khác gần sử dụng tần số (nguồn nhiễu đồng kênh) Trước hết, ta xét trường hợp có nguồn nhiễu đồng kênh Gọi D khoảng cách trạm gốc mong muốn trạm gây nhiễu Để kết nối máy di động trạm gốc mong muốn hoạt động được, đường bao rw phải lớn ri hệ số bảo vệ q > tức rw > qri Giá trị xác hệ số bảo vệ tuỳ thuộc vào phương pháp điều chế sử dụng Nhìn chung, hệ số bảo vệ thấp phương pháp điều chế băng rộng hơn, chẳng hạn điều chế FM có hệ số bảo vệ nhỏ so với phương pháp điều chế sở AM hay SSB Ví dụ, truyền dẫn thoại sử dụng điều chế FM 25 kHz đảm bảo chất lượng với giá trị CIR (hay q) = 18 dB Hiện tượng liên lạc xảy mức nhiễu cao hệ số bảo vệ không đảm bảo Xác suất liên lạc xác định xác suất mà rw < qri Khi fading che khuất, tín hiệu bị suy giảm suy hao đường truyền, mối quan hệ đường bao tín hiệu thu từ trạm gốc mong muốn trạm gốc gây nhiễu biểu diễn sau: (3.13) (3.14) Trong đó: n hệ số mũ suy hao đường truyền , tương ứng khoảng cách từ máy di động tới trạm gốc mong muốn trạm gốc gây nhiễu Giá trị hệ số bảo vệ tuỳ thuộc vào công suất phát, tăng ích anten, chiều cao Ht so với mặt đất Giả thiết thông số hai trạm gốc nhau, quỹ tích điểm thoả mãn r w = qri xác định phương trình sau: (không có fading che khuất) (3.15) Nếu anten trạm mong muốn có toạ độ (0,0,Ht) trạm gây nhiễu (D,0,Ht) mặt phẳng nằm ngang, quỹ tích đường tròn tâm (-D/(-1),0) với bán kính D/(-1) Nếu chịu ảnh hưởng fading che khuất có phân bố log-chuẩn, đường bao tín hiệu thu điều kiện không nhìn thẳng có dạng sau: r= (3.16) Trong đó: g phương sai đơn vị Gauss có trung bình không υ phương sai Rayleigh, với trị trung bình σd (dB) độ lệch chuẩn phân bố log-chuẩn Trong điều kiện có fading che khuất, quỹ tích tức thời điểm thỏa mãn dạng đường tròn nữa, mà xác định phương trình sau: (3.17) Trong đó: , , tương ứng phương sai phân bố Gauss, Rayleigh độ lệch chuẩn phân bố log - chuẩn tín hiệu gây nhiễu a) Không có fading b) có fading che khuất Hình 3.2 Có nhiễu không nhiễu Rõ ràng nhiễu xảy máy di động gần vị trí trạm gốc mong muốn Hàm mật độ xác suất đường bao tín hiệu thu có fading che khuất có dạng sau: p(r) = d (3.18) Trong đó: rd = 20logr đường bao trung bình cục bộ, tính dB trung bình đường bao trung bình cục bộ, tính dB Hiện tượng liên lạc xảy ri ≥ rw/q Xác suất xảy điều tính cách đặt rw = x, tìm xác suất để ri ≥ x/q: P( (3.19) Và sau tích hợp giá trị có x Hàm mật độ xác suất thỏa mãn có dạng công thức hàm mật độ xác suất bao tín hiệu Ta có xác suất liên lạc là: ) = )P()d = dt (3.20) Trong đó, kết cuối tính cách thay đường bao hàm mật độ xác suất sau rút gọn tích phân thu 3.4.1 Ảnh hưởng che khuất Trong trường hợp có ảnh hưởng hiệu ứng che khuất, đường bao tín hiệu có dạng: r= = +g (3.21) Thực phân tích tương tự, xác suất liên lạc fading là: ) = )P()d (3.22) = (3.23) = Q() (3.24) 3.4.2 Các vùng nhiễu Các vùng nhiễu không nhiễu môi trường fading che khuất hình 3.2 Khi có ảnh hưởng fading che khuất ranh giới vùng nhiễu không nhiễu không đường đơn giản nhiễu đồng kênh xảy cạnh máy phát cần thu Biên giới tạm thời biến đổi bất thường thay đổi tín hiệu cần thu tín hiệu gây nhiễu thay đổi Để nghiên cứu cách định lượng, ta xét vùng phủ sóng có xác suất Z = / đường giới hạn vùng nhiễu với xác suất cụ thể vẽ cách xác định Z tham chiếu theo khoảng cách công thức: (3.25) Quỹ tích điểm thảo mãn phương trình gọi đường giới hạn xác xuất yêu cầu, đường có dạng đường tròn tâm (-D/([qZ, bán kính D[qZ[qZ) Tất điểm đường tròn có xác suất nhiễu lớn điểm nằm đường tròn Hơn nữa, tâm đường tròn di chuyển gần tới trạm gốc mong muốn Như vậy, xác xuất nhiễu thấp xuất khu vực nhỏ xung quanh trạm gốc Trạng thái gây nhiễu xấu máy di động nằm mép ô Hình 3.3 Khu vực nhiễu có fading che khuất Hệ số tái xử dụng kênh (hoặc tần số) QD, định nghĩa tỷ số khoảng cách ô đồng kênh bán kính ô xét QD = = + = + (qZ (3.26) Trong dw = R ứng với trường hợp xấu Với mô hình ô lục giác, kích thước cụm N có quan hệ với hệ số tái sử dụng tần số theo biểu thức sau: N= = (3.27) Kích thước cụm thực phải nằm xung quanh giá trị xác định theo công thức trên, với lưới ô lục giác, kích thước tính + + số dư không âm Lỗi fading che khuất làm thay đổi mạnh mẽ hệ số tái sử dụng tần số kích thước cụm (mẫu tái sử dụng tần số) xuất trạm gây nhiễu, kích thước cụm lớn so với trường hợp không gian tự 3.4.3 Đánh giá ảnh hưởng nguồn nhiễu đồng kênh thực tế Ở phần trước, ta giả thiết có nguồn nhiễu đồng kênh Trong thực tế hệ thống thông tin tổ ong chia ô lục giác có vô số nguồn nhiễu Tuy nhiên, nguồn nhiễu quan trọng ô gần so với ô xét Lớp ô gây nhiễu gồm ô Trong mục ta quan tâm đến ô có khoảng cách D đến ô xét với giả sử tín hiệu đồng kênh độc lập có tầm quan trọng Trong trường hợp nhiễu đa đường, máy di động thu đường bao tín hiệu từ trạm gốc mong muốn đường bao , k = 1,2, N i = từ trạm gây nhiễu Đường bao tổng với i nguồn nhiễu là: = (3.28) Nhiễu đồng kênh xảy /q Do xác suất liên lạc với tổng nhiễu đồng kênh là: = (3.29) Trong đó: P xác suất có điều kiện nhiễu tạo i ô nhiễm gây hàm mật độ xác suất i 3.5 Hiệu dung lượng anten mảng với ảnh hưởng che khuất lỗi fading Khả tăng dung lượng sử dụng anten mảng điều kiện fading che khuất xem xét phần trước Trong phần tính toán mức tăng dung lượng hệ thống anten chuyển búp sóng xét tới ảnh hưởng fading che khuất Ta giả thiết máy phát đặt ô thuê bao phân bố ô Xét hệ thống tổ ong có Nc kênh ô xác suất nghẽn Nếu mật độ lưu lượng E Erlangs ô lưu lượng thực tế kênh là: ς= (3.30) Đại lượng gọi hệ số tải Như ta biết, hệ số tải nhỏ có khoảng thời gian kênh rỗi khác không Hệ thống anten chuyển búp sóng tạo m búp hẹp để bao phủ toàn mặt phẳng nằm ngang Tại thời điểm bất kỳ, có số m búp sóng tích cực tất kênh dùng búp sóng Xác suất để búp ô đồng kênh hướng tới máy di động ô xét 1/m Xác suất để có kênh tích cực ô đồng kênh tỉ số số kênh tích cực E(1 - pb) cấp cho búp sóng tổng số kênh khả dụng búp sóng (Nc) Tỉ số hệ số tải ς Giả sử máy di động ô xét đăng ký kênh xác suất pc để tìm thấy kênh ô đồng kênh có búp sóng hướng tới máy di động ô xét là: = (3.31) Như giả thiết trên, xác suất để i kênh đồng kênh trạng thái tích cực p(i) Nói cách khác p(i) xác suất i ô nhiễu đồng kênh sử dụng kênh hướng tới máy di động xét Nếu tổng số ô đồng kênh N i = chúng hoạt động độc lập với p(i) kết xác suất gieo xúc xắc sáu mặt mô tả phân bố binominal Do đó: p(i) = (1- (3.32) Tổng công suất liên lạc có nguồn nhiễu là: = (3.33) =(1- (3.34) Công thức áp dụng cho trường hợp anten đẳng hướng cách thay m = Có thể thấy với giá trị σd cố định, xác suất liên lạc giảm số búp tăng Với số búp sóng xác suất tăng σd tăng Với xác suất liên lạc P out hệ số tải ς cho trước, giá trị Zd yêu cầu xác định cho giá trị m Với giá trị Zd, hệ số suy hao đường truyền n hệ số bảo vệ q, kích thước cụm hiệu dụng tính từ: Ne = (3.35) Thực tế hiệu suất phổ ηs dùng để so sánh cấu trúc mạng khác thông tin vô tuyến Đó là số kênh/độ rộng băng (MHz)/km2 định nghĩa là: ηs = = Trong đó: Bt[MHz] độ rộng băng tần khả dụng cụm Bc(MHz) độ rộng kênh A(km2) diện tích ô (3.36) Tất thông số khác số, hiệu suất phổ tỉ lệ nghịch với Ne Do đó, quan hệ hiệu suất phổ hệ thống anten mảng với anten đẳng hướng là: = (3.37) Với anten nảng, độ tăng hiệu suất phổ môi trường có fading che khuất chí lớn không gian tự Vì cần xem xét việc sử dụng amten nhiều búp sóng có fading che khuất để tăng ích lớn Tất nhiên, số lượng người dùng hỗ trợ điều kiện có fading che khuất nhỏ không gian tự 3.6 Tổng kết chương Có thể nhận thấy khả tăng dung lượng cho hệ thống băng thông hẹp FDMA, TDMA anten thông minh chuyển búp sóng nói riêng anten thông minh nói chung đáng kể so với anten thường nhờ sử dụng trung kế cao lớn nhiều so với anten đẳng hướng Trong chương tìm hiễu ảnh hưởng môi trường che khuất fading đến việc tăng dung lượng băng tần Việc ứng dụng anten thông minh hệ thống thông tin di động GSM (N = 4) làm dung lượng hệ thống tăng lên 30% so với anten thường Việc sử dụng mẫu tái sử dụng tần số N = làm tăng dung lượng hệ thống lên thêm 30% Bên cạnh đó, hiệu suất phổ dùng anten mảng so với anten đẳng hướng môi trường fading có che khuất chứng minh lớn không gian tự Vì cần xem xét việc sử dụng anten mảng có fading che khuất để có tăng ích lớn Tất nhiên, số lượng tuyệt đối người sử dụng hỗ trợ điều kiện fading che khuất nhỏ không gian tự HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI Nhằm đáp ứng nhu cầu đòi hỏi công nghệ ngày cao đại đa số nhân loại, việc tăng tốc độ truy cập mạng thông tin di động cho phép tín hiệu truyền nhận đạt hiệu phương pháp làm giảm ảnh hưởng nhiễu fading nhiễu đa truy cập, nhiễu đường truyền điều cấp thiết Khi hệ thống thông tin di động 3G sử dụng môi trường tuyền không gian, thời gian tín hiệu cách triệt để việc kết hợp truyền tín hiệu thông qua anten mảng theo hai chiều không gian thời gian mẻ có tính hiệu cao Việc kết hợp truyền tín hiệu theo không gian thời gian làm cho hiệu suất truyền tin tín hiệu lớn nhiều so với truyền môi trường đơn Chính vậy, mạng thông tin di động tương lai, mạng viễn thông 4G, 5G nghiên cứu áp dụng triển khai việc phân tập Và hy vọng tương lai không xa, thu nhận từ hệ thống thông tin di động thật sống động Vì vấn đề thời gian kiến thức có hạn, đồ án vào nghiên cứu, tìm hiểu tổng quan việc phân tập không gian thời gian xử lý anten mảng áp dụng hệ thống thông tin di động Bài báo cáo sai xót sơ sài, mong nhận đóng góp, cho ý kiến từ phía thầy cô Xin chân thành cảm ơn! DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Phan Anh, Lý thuyết kỹ thuật anten, NXB KHKT, 2004 [2] Nguyễn Quang Hưng, Xử lý anten mảng theo không gian – thời gian thông tin di động, Đề tài Học Viện Công Nghệ BCVT, 12/2002 [3] Nguyễn Viết Minh, Bài giảng truyền sóng anten, Học viên Bưu Chính Viễn Thông, 2010 [4] Thái hồng Nhị, Trường điện từ truyền sóng anten, NXB KHKT [5] Nguyễn Văn Thao, Nghiên cứu kỹ thuật phân tập để nâng cao chất lượng hệ thống thông tin di động hệ thứ (4G/LTE), Đề tài Đại học Đã Nẵng, 2012 [5] https://en.wikipedia.org/wiki/MIMO [...]... công suất bức xạ Một hiệu quả chùm rất cao (giữa null hoặc tối thiểu), thường trong 90s, là cần thiết cho anten được sử dụng trong kĩ thuật truyền thanh, thiên văn học, radar, và các ứng dụng khác, nơi nhận được tín hiệu thông qua các thùy nhỏ phải được giảm thiểu 1.2.2.8 Băng thông Dải tần làm việc của anten là khoảng tần số trong đó các đặc tính kỹ thuật của anten chỉ biến động trong phạm vi cho phép... trường khi được quan sát dọc theo chiều truyền sóng nhất định nào đó Một mô tả điển hình như là một hàm của thời gian được cho bởi hình sau: Hình 1.7 Mô hình truyền sóng trong miền thời gian Khi cho z = 0 ta có phân cực elip như sau: Hình 1.8 Mô hình phân cực elip Sự phân cực của một làn sóng có thể được xác định trong giới hạn không gian của một làn sóng bức xạ truyền hoặc được nhận qua một anten trong. .. theo hướng xuyên tâm từ các anten Phân cực có thể phân loại như phân cực tuyến tính, phân cực tròn hay phân cực elip Phân cực tuyến tính: một sóng được gọi là phân cực tuyến tính phân cực tại một điểm cố định trong không gian nếu vector điện trường hoặc từ trường tại thời điểm đó luôn luôn là định hướng dọc theo đường thẳng như nhau tại mọi điểm không Phân cực này được thỏa mãn nếu các vector điện... mảng anten thu sóng điện từ với tín hiệu đến s(t) được giả sử có phương hợp với boardside của mảng một góc θ Góc θ được gọi là hướng tới (DOA - Direction Of Arrival) hoặc góc tới (AOA - Angle of Arrival) của tín hiệu thu Nếu tín hiệu tới s(t) được lan truyền từ một nguồn trường xa và lan truyền qua một môi trường không phân tán mà chỉ gây nên trễ truyền sóng thì tín hiệu sóng tới tại phần tử thứ (m+1)... e.D.Pant = D.Prad 1.2.2.6 Hiệu suất anten Hiệu suất sử dụng của một anten: e0 = er.ec.ed (1.23) Trong đó: e0 : hiệu suất tổng; er : hiệu suất phản xạ = (1-|Г|2); ec : hiệu suất dẫn; ed : hiệu suất điện môi Г : hệ số phản xạ điện áp tại đầu vào = với Zin là trở kháng đầu vào của anten; Z0 là trở kháng đặc tính của anten truyền tải Ta có công thức tính hệ số sóng ứng: SWR = (1.24) Thông thường thì ec và... 1.2 Một số loại anten thông dụng 1.2.2 Đặc tính của anten Để lựa chọn sử dụng một anten thích hợp, ta cần phải nắm rõ được các thông số khác nhau đặc trưng cho anten Trong đó một số thống số có liên quan đến nhau Các thông số sau đây được đưa ra theo chuẩn IEEE (IEEE xuất bản năm 1983) 1.2.2.1 Bức xạ Một mô hình bức xạ anten được định nghĩa bởi một hàm toán học trong tọa độ không gian Cụ thể, các xác... định nhưng có thể tính toán một cách gần đúng Thậm chí trong một số trường hợp người ta sẽ sử dụng các phép đo thực tế Và thường hiệu suất phản xạ được viết dưới dạng: e0 = er.ecd = ecd.( 1- |Г|2 ) (1.25) Trong đó ecd = ec * ed gọi là hiệu suất bức xạ của anten đặc trưng cho hệ số tăng ích và tính định hướng 1.2.2.7 Hiệu suất chùm tia Một trong những thông số thường xuyên được sử dụng để đánh giá chất... xa trong không gian vô tuyến từ điểm này đến điểm khác Dựa trên tính biến thiên năng lượng điện từ, người ta đã xây dựng khái niệm vector Poynting để đánh giá độ lớn và phương truyền của một sóng điện từ Vector Poynting công suất tức thời được xác định như sau: W=E.H (1.1) W: Vector Poynting tức thời (W/m2) E: Cường độ điện trường tức thời (V/m) H: Cường độ từ trường tức thời (A/m) Nếu vector Poynting... khi đó, tổng năng lượng điện trường cắt qua mặt cắt được tính bởi các vector Poynting đi xuyên qua di n tích đó Công suất đi qua toàn bộ bề mặt kín S: P =da (1.2) Trong đó: P: Tổng công suất tức thời (W) : Vectơ đơn vị trên bề mặt, là vector pháp tuyến của mặt phẳng đang xét da: di n tích vi phân bề mặt đang xét (m2) Nếu được biểu di n trong miền thời gian: E(x,y,z,t) = Re[E(x,y,z).ejwt] (1.3) H(x,y,z,t)... chúng là hai thành phần tuyến tính trực giao; + chúng có độ lớn tương tự; + có độ lệch pha là bội số lẻ của 900 Phân cực elip: Một sóng phẳng trong không gian theo thời gian được gọi là điều hòa nếu đỉnh của vector cường độ điện trường vẽ trong không gian theo một hình elip Nó là phân cực phải (theo chiều kim đồng hồ) nếu vector điện hoặc từ xoay theo chiều kim đồng hồ Nó là phân cực trái (ngược chiều

Ngày đăng: 18/05/2016, 21:56

Từ khóa liên quan

Mục lục

  • DANH MỤC HÌNH ẢNH

  • DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

  • MỞ ĐẦU

  • CHƯƠNG 1 ANTEN MẢNG

    • 1.1 Sự phát triển của kỹ thuật anten.

    • 1.2 Anten

      • 1.2.1 Phân loại Anten

      • 1.2.2 Đặc tính của anten

        • 1.2.2.1 Bức xạ

        • 1.2.2.2 Mật độ công suất bức xạ

        • 1.2.2.3 Cường độ bức xạ.

        • 1.2.2.4 Hệ số định hướng

        • 1.2.2.5 Độ lợi Gain (G)

        • 1.2.2.6 Hiệu suất anten

        • 1.2.2.7 Hiệu suất chùm tia

        • 1.2.2.8 Băng thông

        • 1.2.2.9 Phân cực

        • 1.2.2.10 Trở kháng đầu vào

        • 1.3 Anten mảng

          • 1.3.1 Các khái niệm cơ bản

          • 1.3.2 Mô hình tín hiệu mảng

          • 1.3.3 Mảng đồng nhất một chiều

          • 1.3.4 Mảng đồng nhất hai chiều

          • 1.3.5 Mảng ký sinh.

Tài liệu cùng người dùng

Tài liệu liên quan