Đang tải... (xem toàn văn)
Đề tài về anten là một đề tài rộng và cần nhiều kiến thức chuyên sâu, đặc biệt là anten thông minh. Các lĩnh vực liên quan tới nó là rất nhiều, bao gồm 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. Trong phạm vi đồ án, do thời gian có hạn cũng như kiến thức bản than còn hạn chế nên em chỉ dừng lại ở mức độ lý thuyết về anten thông minh và các vấn đề cơ bản về anten (chương 2) đồng thời mô phỏng các giải thuật ước lượng hướng góc tới (chương 4). Qua đó có thể ứng dụng vào việc ước lượng hướng góc tới (chương 3), nhằm đưa ra các giải pháp phát triển anten thông minh để từ đó áp dụng vào các hệ thống thực tế làm tăng độ phủ sóng và tăng dung lượng của mạng 3G hoặc ứng dụng vào các trạm di động để tăng tốc độ downlink thõa mãn nhu cầu thị trường di động, hoặc xa hơn nữa là ứng dụng anten thông minh trong các hệ thống MIMO.Một số hướng phát triển để tài như dùng anten thông minh làm điểm tựa để có thể phát triển để nghiên cứu hoặc xây dựng hệ thống MIMO, ứng dụng vào WCDMA, xây dựng hệ thống 3G.
CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu chương Chương gồm mục giới thiệu anten sở anten, nhằm lý giải lợi ích lớn việc phát triển nhanh chóng lĩnh vực anten thông minh Để thiết kế phân tích anten thông minh đòi hỏi kiến thức thực hành nhiều lĩnh vực khác liên quan đến kiến thức nhiều môn học bao gồm kiến thức trình ngẫu nhiên, điện từ, truyền sóng, phương pháp ước lượng phổ, kỹ thuật thích nghi…Đặc biệt việc thiết kế anten thông minh dựa lý thuyết anten, đó, chương trình bày số vấn đề anten độ rộng búp sóng, độ định hướng, góc khối anten, độ lợi, diện tích hiệu dụng, công suất xạ đẳng hướng tương đương 1.2 Giới thiệu anten 1.2.1 Giới thiệu chung Anten Năng lượng điện từ truyền theo hai cách: - Dùng hệ truyền dẫn, nghĩa hệ dẫn sóng điện từ đường dây song hành, đường truyền đồng trục, ống dẫn sóng kim loại điện môi v.v Sóng điện từ truyền lan hệ thống thuộc loại sóng điện từ ràng buộc - Bức xạ sóng không gian, sóng truyền dạng sóng điện từ tự Thiết bị dùng để xạ sóng điện từ thu nhận sóng từ không gian bên gọi anten Anten có chức chuyển đổi lượng điện từ từ môi trường (từ không gian) thành tín hiệu điện môi trường khác (dây dẫn, cáp đồng trục ống dẫn sóng…) ngược lại Các thiết kế vật lý anten thay đổi tùy vào loại anten Anten ứng dụng hệ thống thông tin vô tuyến, vô tuyến truyền thanh, truyền hình, vô tuyến đạo hàng, vô tuyến thiên văn, vô tuyến điều khiển từ xa v.v…Trong thông tin mặt đất vũ trụ, đa, vô tuyến điều khiển yêu cầu anten xạ với hướng tính cao, nghĩa sóng xạ tập trung vào góc hẹp không gian Ngày nay, phát triển kỹ thuật lĩnh vực thông tin, đa điều khiển v.v… đòi hỏi anten không đơn làm nhiệm vụ xạ hay thu sóng điện từ mà tham gia vào gia công tín hiệu Trong trường hợp tổng quát, anten tổ hợp gồm nhiều hệ thống, chủ yếu hệ thống xạ, cảm thụ sóng bao gồm phần tử anten (dùng để thu phát), hệ thống cung cấp tín hiệu đảm bảo việc phân phối lượng cho phần tử xạ với yêu cầu khác (trường hợp anten phát), hệ thống gia công tín hiệu (trường hợp anten thu) 1.2.1.1 Anten vô hướng Trang i Hình 1.1 Anten vô hướng vùng phủ sóng Anten vô hướng phát thu hướng Phương pháp tán xạ tín hiệu, tới đối tượng sử dụng lượng tín hiệu phần nhỏ tổng lượng phát xạ vào môi trường Kỹ thuật anten vô hướng loại bỏ tín hiệu gây nhiễu khả định hướng đa đường không gian 1.2.1.2 Anten định hướng Anten định hướng xây dựng để có hướng phát thu ưu tiên cố định Ngày nay, nhiều tháp anten thông thường phân chia thành tế bào hình quạt Một vùng 360 thường phân chia thành vùng nhỏ 120 Các anten quạt cho độ tăng ích cao vùng hạn chế góc phương vị so sánh với anten vô hướng Side View Top View Hình 1.2 Anten định hướng vùng phủ sóng 1.2.2 Anten thông minh gì? Thuật ngữ “anten thông minh” nói chung để anten mảng nào, nối đến xử lý tín hiệu phức tạp, xử lý hiệu chỉnh hay làm thích nghi đồ thị búp sóng để làm bật tín hiệu có ích tối thiểu tín hiệu nhiễu Trang ii Anten thông minh thường bao gồm hai hệ thống thích nghi chuyển búp định dạng búp Các hệ thống chuyển búp chứa vài mẫu búp sóng cố định đó, qua đó, búp sóng tới chọn muốn truy cập thời điểm cho trước nào, tùy thuộc vào yêu cầu hệ thống Các hệ thống thích nghi định dạng búp cho phép anten lái búp tới hướng có ích đồng thời làm triệt tín hiệu nhiễu Khái niệm anten thông minh trái ngược với búp cố định “anten đổ”, không làm thích nghi đồ thị xạ tới môi trường trường điện từ thường xuyên thay đổi Trong năm trước, anten thông minh gọi anten mảng thích nghi anten mảng định dạng búp sóng số Thuật ngữ phản ánh kỹ thuật “thông minh” ngày cách rõ ràng anten mảng thích nghi điều khiển trình xử lý tín hiệu tinh vi 1.2.3 Các lợi ích anten thông minh Anten thông minh có nhiều lợi ích quan trọng ứng dụng không dây cảm biến rađa Trong giới ứng dụng không dây di động, anten thông minh làm tăng dung lượng hệ thống cách hướng tia hẹo đến thuê bao có ích, triệt thuê bao ích lại Việc tạo tỉ số tín hiệu nhiễu cao hơn, mức công suất thấp hơn, tái sử dụng tần số nhiều hơnn cell Khái niệu gọi đa truy cập phân chia theo không gian (SDMA) Tại Hoa Kỳ, hầu hết trạm gốc sectơ hóa cell với góc 120o Điều làm tăng dung lượng hệ thống lên gấp lần cell thuê bao sectơ chia nguồn tài nguyên phổ với Hầu hết trạm gốc điều chỉnh để trang bị anten thông minh sectơ Do đó, sectơ 120o chia nhỏ hình Việc chia nhỏ giúp sử dụng mức công suất thấp hơn, làm tăng dung lượng hệ thống băng thông Một lợi ích khác anten thông minh làm giảm ảnh hưởng có hại hiệu ứng đa đường Một thuật toán số module để điều khiển anten thông minh hoàn thành để triệt tín hiệu đa đường Việc làm giảm pha đinh cách đột ngột tín hiệu thu Tốc độ liệu cao anten thông minh đồng thời vừa giảm can nhiễu kênh vừa giảm hiệu ứng pha đinh đa đường Việc giảm đa đường không đem lại lợi ích cho thông tin di động mà cho nhiều ứng dụng hệ thống rađa khác Anten thông minh dùng để nâng cao kỹ thuật tìm phương (DF) kỹ thuật xác kỹ thuật tìm góc tới (AOA) Việc tích hợp mảng lớn kỹ thuật ước lượng phổ làm cô lập AOA thuật toán hiệu chỉnh góc, thuật toán khuếch đại độ phân giải mảng ướng lượng phổ lên Việc ước lượng xác góc tới (AOA) hữu dụng đặc biệt hệ thống rađa vấn đề giải tượng vật ảnh vật di chuyển Khả tìm phương (DF) anten thông minh làm mở rộng phạm vi cung cấp dịch vụ hệ thống không dây làm tăng khả xác định vị trí thuê bao di động đặc biệt Ngoài ra, anten thông minh chí hướng dãy búp sóng phía tín hiệu có ích tín hiệu tham chiếu chuỗi huấn luyện cho trước Khả gọi định dạng búp sóng mù Anten thông minh phần hệ thống thông tin MIMO hệ thống rađa MIMO đa dạng sóng Vì dạng sóng khác phát từ phần tử dãy anten phát kết hợp lại dãy anten thu, anten thông minh có vai trò việc xác định mẫu xạ để làm tối ưu khả nhận diện tín hiệu đa đường Đối với hệ thống rađa MIMO, anten thông minh khai thác tính độc lập Trang iii tín hiệu khác dãy phần tử nhằm sử dụng phương pháp mục tiêu nhấp nháy tín hiệu có chất lượng tăng, để tăng độ phân giải, để làm giảm tín hiệu dội 1.3 Cơ sở anten 1.3.1 Mật độ công suất Các trường xạ anten mang lượng bị ngăn chặn khoảng cách xa anten thu Một ví dụ đơn giản, giả sử trình lan truyền trường pha (phasor field) phát điểm nguồn anten đẳng hướng (isotropic antenna), thể tọa độ cầu : Eθ s = E0 − jkr ˆ e θ V/m r Hφ s = (1.1) E0 − jkr ˆ e φ A/m ηr (1.2) Với η trở kháng sóng (trở kháng đặc trưng) môi trường Nếu chất môi trường không tổn hao, trường thay đổi tức thời theo thời gian dễ dàng suy từ biểu thức (1.1) (1.2) : E j ωt −kr ) ˆ E0 E ( r , t ) = Re e ( θ = cos ( ωt − kr ) θˆ r r (1.3) E E H ( r , t ) = Re e j ( ωt − kr ) φˆ = cos ( ωt − kr ) φˆ η r ηr (1.4) Cường độ trường điện biểu thức (1.3) xem xạ theo hướng dương r phân cực theo hướng dương θˆ Cường độ từ trường biểu thức (1.4) xem xạ theo hướng dương r phân cực theo hướng dương øˆ Hình 1.1 cho thấy vectơ trường hệ tọa độ cầu Trang iv Hình 1.1 Trường điện từ xạ từ nguồn điểm Các trường xa (far-field) trực giao với tiếp xúc với hình cầu bán kính r Vectơ Poynting tích có hướng (cross product) vectơ cường độ điện trường vectơ cường độ từ trường (vectơ Poynting : John Henry Poynting tìm ra): P = E × H W/m (1.5) Tích có hướng (cross product) theo chiều kim đồng hồ theo hướng lan truyền mật độ công suất (power density) Vectơ Poynting thước đo mật độ công suất tức thời chảy từ nguồn Bằng cách thay biểu thức (1.3) (1.4) vào (1.5) dùng phép đơn giản hàm lượng giác ta có : E02 1 + cos ( 2ωt − 2kr ) rˆ P ( r, t ) = 2η r (1.6) Thành phần thứ biểu thức (1.6) mật độ công suất trung bình theo thời gian xạ từ anten, thành phần thứ hai tăng giảm tức thời mật độ công suất Chúng ta có mật độ công suất trung bình (average power density) cách lấy trung bình theo thời gian biểu thức (1.6) : T Wr = E02 P r , t dt = rˆ W/m2 ( ) ∫ T 2η r (1.7) Cách tính mật độ công suất trung bình theo thời gian giống việc tính toán không gian pha (phasor space) W ( r ,θ ,φ ) = 1 Re Es × H s* = Es 2η ( ) (1.8) Hình 1.2 Mật độ công suất từ nguồn điểm đẳng hướng Biểu thức (1.8) tương ứng với mật độ công suất trung bình xạ từ anten đẳng hướng biểu thức không hàm θ ø Trong anten thực tế, mật độ công suất luôn hàm theo r tọa độ góc (angular coordinate) Nhìn chung, mật độ công suất trình bày dòng chảy công suất qua mặt cầu bán kính r hình 1.2 Tổng công suất xạ anten tính tích phân mặt kín mật độ công suất biên mặt cầu anten Điều tương đương với việc áp dụng định lý phân kỳ (divergence theorem) cho mật độ công suất Tổng công suất tính : Trang v Ptot = ∫∫ Wds = ∫ 2π =∫ 2π ∫ π ∫ π Wr ( r ,θ , φ ) r sin θ dθ dφ Wr ( r , θ , φ ) r d Ω W (1.9) Với d Ω = sin θ dθ d φ =góc khối phần tử sai lệch góc khối Trong trường hợp đẳng hướng, mật độ công suất hàm theo θ hay ø, công thức (1.9) đơn giản sau : Ptot = ∫ 2π ∫ π Wr ( r ) r sin θ dθ d φ = 4π r 2Wr ( r ) (1.10) Hoặc : Wr ( r ) = Ptot 4π r (1.11) Đối với anten đẳng hướng, mật độ công suất trải nhau, tổng công suất xạ bề mặt hình cầu bán kính r Mật độ công suất tỉ lệ nghịch với r Cần ý rằng, mật độ công suất hàm công suất thực (Ptot) phát anten đầu cuối Công suất phản kháng không tính vào trường xạ Hình 1.3 Đồ thị hình vẽ hai vùng r1 r2 1.3.2 Cường độ xạ Cường độ xạ (radiation intensity) xem mật độ công suất chuẩn hóa theo khoảng cách Mật độ công suất công thức (1.8) tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giảm nhanh chóng xa anten Điều có ích cho việc xác định mức công suất lại lợi việc biểu thị đồ thị khoảng cách anten Cường độ xạ bỏ thành phần phụ thuộc vào 1/r2 , đồ thị trường xa vẽ theo khoảng cách Cường độ xạ định nghĩa sau: U ( θ , φ ) = r W ( r ,θ , φ ) = r 2Wr ( r , θ , φ ) (1.12) Trang vi Dễ dàng thấy công thức (1.12) biểu diễn sau: U ( θ ,φ ) = r2 ηr Es ( r , θ , φ ) = H s ( r ,θ , φ ) 2η 2 (1.13) Nhờ định nghĩa làm đơn giản hóa cách tính tổng công suất xạ anten Viết lại công thức (1.9) thay cường độ xạ: Ptot = ∫ 2π ∫ π Wr ( r , θ , φ ) r sin θ dθ dφ = ∫ 2π π ∫ U ( θ ,φ )d Ω W (1.14) Cường độ xạ dạng tổng quát cho thấy đồ thị xạ anten dạng 3-D Tất anten không đẳng hướng (anten có hướng) có cường độ xạ không đẳng hướng tạo đồ thị xạ không đẳng hướng Hình 1.4 ví dụ đồ thị 3-D hệ tọa độ cầu Đồ thị anten hay đồ thị búp sóng (beam pattern) cho thấy hướng tín hiệu bị xạ Hình 1.4 Đồ thị 3-D kiểu xạ anten Trong hình 1.4 hướng xạ cực đại hướng θ = dọc theo trục z 1.3.3 Các thuật ngữ anten 1.3.3.1 Độ rộng búp sóng Độ rộng búp đo điểm -3dB đồ thị xạ Hình 1.5 mặt cắt 2-D hình 1.4 Độ rộng búp góc điểm -3dB Vì vậy, điểm -3dB gọi điểm nửa tia công suất Trang vii Hình 1.5 Độ rộng tia nửa công suất Trong trường hợp đồ thị trường thay đồ thị công suất, điểm -3dB chuẩn hóa biên độ = = 0.707 1.3.3.2 Độ định hướng Độ định hướng số đo cho anten độc lập tương đương với anten đẳng hướng xạ công suất tổng Mặt khác, độ định hướng tỉ số mật độ công suất anten không đẳng hướng (anten có hướng) với anten đẳng hướng xạ công suất tổng Di đó, độ định hướng cho sau: W ( θ , φ ) 4π U ( θ , φ ) = Ptot Ptot 4π r D ( θ ,φ ) = (1.15) Độ định hướng rõ ràng ta thay công thức (1.14) vào (1.15) : D ( θ ,φ ) = 2π π 0 4π U ( θ , φ ) ∫ ∫ U ( θ , φ ) sin θ dθ dφ (1.16) Độ định hướng cực đại số giá trị cực đại công thức (1.16) thường ký hiệu D0 Độ định hướng cực đại tìm thay đổi nhỏ công thức (1.16) : D ( θ ,φ ) = 2π π 0 4π U max ∫ ∫ U ( θ ,φ ) sin θ dθ dφ (1.17) Độ định hướng nguồn đẳng hướng luôn nguồn đẳng hướng xạ theo hướng 1.3.3.3 Góc khối anten Góc khối anten Ω A góc mà tất công suất xạ qua, cường độ xạ với cường độ xạ anten Góc khối anten cho công thức sau : D0 = 4π 4π = 2π π U ( θ , φ ) ΩA ∫0 ∫0 U max sin θ dθ dφ (1.18) Với ΩA = ∫ 2π π U ( θ ,φ ) U max ∫ sin θ dθ dφ (1.19) Trang viii Góc khối anten có đơn vị đơn vị góc khối (steradian) với đơn vị góc khối định nghĩa giá trị tính diện tích mặt cầu giới hạn hình chóp nón chia cho bình phương bán kính mặt cầu r Do có 4π đơn vị góc khối mặt cầu Góc khối anten dạng không gian tạp nhiễu băng thông tương đương (noise equivalent bandwidth) viễn thông 1.3.3.4 Độ tăng ích (độ lợi) Độ định hướng anten cho thấy tính định hướng anten Anten có khả hướng lượng tốt Tính định hướng giả sử suy hao anten, suy hao vật dẫn, suy hao cách điện, đường dây truyền sóng phối hợp Độ tăng ích anten sửa đổi độ định hướng bao gồm hiệu ứng lợi anten Độ lợi phản ánh nhiều đặc tính thực tế anten Công thức độ lợi anten : G ( θ , φ ) = eD ( θ , φ ) (1.20) e hiệu suất anten bao gồm ảnh hưởng suy hao phối hợp Đồ thị tạo độ tăng ích anten giống đồ thị tạo độ định hướng ngoại trừ hệ số tỉ lệ hiệu suất (efficiency scale factor) e 1.3.3.5 Diện tích hiệu dụng Một anten xạ công suât theo nhiều hướng ưu tiên khác thu nhận công suất từ hướng ưu tiên giống Đây gọi nguyên lí thuận nghịch Hình 1.6 anten phát anten thu Anten phát phát công suất P (Watts) xạ mật độ xạ W1 (Watts/m2) Trang ix Hình 1.6 Anten phát anten thu Anten thu chặn phần mật độ công suất tới W cách đưa công suất P2 đến tải Anten thu xem diện tích hiệu dụng diện tích A e2 bắt lấy phần công suất khả dụng Dùng công thức (1.15) (1.20) ta viết công suất thu sau : P2 = Ae 2W1 = Ae Pe 1 D1 ( θ1 , φ1 ) 4π r12 W (1.21) Với r1 , θ1 , φ1 hệ tọa độ cầu cục cho anten Nếu anten hình 1.6 làm ngược lại anten thu phát anten phát thu, ta : P1 = Ae1W2 = Ae1 P2e2 D2 ( θ , φ2 ) 4π r22 W (1.22) Với r2 , θ , φ2 hệ tọa độ cầu cục cho anten 1.3.3.6 Công suất xạ đẳng hướng tương đương (EIRP) Là tổng công suất mà xạ anten vô hướng, cường độ xạ với cường độ xạ anten xét Bởi vì, anten vô hướng công suất xạ tổng 4π lần cường độ xạ : EIRP = 4π U max (1.23) Tất trạm FM TV gắn EIRP tối đa để chúng bao trùm xấp xỉ toàn vùng, EIRP trạm thông thường tăng theo tần số, ví dụ tất kênh FM có EIRP 100kw tất kênh VHF EIRP cao đến 5000kw 1.4 Kết luận chương Một số vấn đề anten trình bày cụ thể chương Trong giới ứng dụng thông tin di động, lợi ích to lớn anten thông minh áp dụng nhiều lĩnh vực tăng độ phủ sóng dung lượng mạng 3G, áp dụng trạm di động, thống MIMO Cụ thể trình bày chương Trang x Hình 4.11 Lưu đồ giải thuật ước lượng hướng góc tới Bartlett Capon Nhập thông số Tính ma trận vector lái Ước lượng ma trận tương quan Tính phổ theo công thức Capon End Trang lxxx Hình 4.12 Lưu đồ giải thuật ước lượng hướng góc tới Capon Trang lxxxi Linear prediction Nhập thông số Tính ma trận vector lái Ước lượng ma trận tương quan Chọn anten quy chiếu Tính phổ theo công thức Linear prediction End Hình 4.13 Lưu đồ giải thuật ước lượng hướng góc tới dự đoán tuyến tính (Linear Prediction) Trang lxxxii Maximum entropy Nhập thông số Tính ma trận vector lái Ước lượng ma trận tương quan Chọn cột ma trận tương quan Tính phổ theo công thức Maximum entropy End Hình 4.14 Lưu đồ giải thuật ước lượng hướng góc tới Entropy cực đại Trang lxxxiii Pisarenko Nhập thông số Tính ma trận vector lái Ước lượng ma trận tương quan Tìm trị riêng ma trận tương quan Sắp xếp trị riêng từ nhỏ đến lớn Tính ma trận không gian nhiễu Tính phổ theo công thức Pisarenko End Trang lxxxiv Hình 4.15 Lưu đồ giải thuật ước lượng hướng góc tới phân tích hài Pisarenko Min-Norm Nhập thông số Tính ma trận vector lái Ước lượng ma trận tương quan Tìm trị riêng ma trận tương quan Sắp xếp trị riêng từ nhỏ đến lớn Tính ma trận không gian nhiễu Tính phổ theo công thức MinNorm End Trang lxxxv Hình 4.16 Lưu đồ giải thuật ước lượng hướng góc tới Min-Norm MUSIC Nhập thông số Tính ma trận vector lái Ước lượng ma trận tương quan Tìm trị riêng ma trận tương quan Sắp xếp trị riêng từ nhỏ đến lớn Tính ma trận không gian nhiễu Tính phổ theo công thức MUSIC End Trang lxxxvi Hình 4.17 Lưu đồ giải thuật ước lượng hướng góc tới MUSIC Root-MUSIC Nhập thông số Tính ma trận vector lái Ước lượng ma trận tương quan Tìm trị riêng ma trận tương quan Sắp xếp trị riêng từ nhỏ đến lớn Tính ma trận không gian nhiễu Tính ma trận không gian tín hiệu Tính phổ theo công thức RootMUSIC Trang lxxxvii End Hình 4.18 Lưu đồ giải thuật ước lượng hướng góc tới Root-MUSIC TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Constantine A Balanis, “ Antenna Theory: analysis and design ”, John Wiley & Sons, INC, 1997 [2] Rabideau, D., and P Parker, “Ubiquitous MIMO Multifunction Digital Array Radar ”, IEEE Signals, Systems, and Computers, 37th Asilomar Conference, 2003 [3] Derryberry, R T., et al., “Transmit Diversity in 3G CDMA Systems”, IEEE Communications Magazine, 2002 Giới thiệu chung : Ngày nay, đứng trước phát triển mạnh mẽ không ngừng ngành công nghiệp viễn thông Trong đó, không kể đến thông tin di động phát triển đạt nhiều thành tựu đáng kể, thông tin di động ngày không ngừng nghiên cứu để cải tiến dịch vụ chất lượng nhằm đáp ứng nhu cầu ngày cao người dùng Nhắc đến thông tin di động không nhắc đến thành phần quan trọng bậc lĩnh vực thông tin di dộng anten Trong thông tin di động, anten hệ thống cho phép truyền nhận lượng trường điện từ Anten xem thiết bị dùng để truyền lượng trường điện từ máy phát máy thu mà không cần phương tiện truyền dẫn tập trung nào: cáp đồng, cáp quang hay ống dẫn sóng Chính quan trọng anten viễn thông nói chung thông tin di động nói riêng, em chọn đề tài “ Nghiên cứu hệ thống anten thông minh thông tin di động” Nội dung đề tài giới hạn sau: Các lợi ích anten thông minh Thuật ngữ “anten thông minh” nói chung để anten mảng nào, nối đến xử lý tín hiệu phức tạp, xử lý hiệu chỉnh hay làm thích nghi đồ thị búp sóng để làm bật tín hiệu có ích tối thiểu tín hiệu nhiễu Anten thông minh có nhiều lợi ích quan trọng ứng dụng không dây cảm biến rađa Trong giới ứng dụng không dây di động, anten thông minh làm tăng dung lượng hệ thống cách hướng tia hẹo đến thuê bao có ích, triệt thuê bao ích lại Việc tạo tỉ số tín hiệu nhiễu cao hơn, mức công suất thấp hơn, tái sử dụng tần số nhiều hơnn cell Khái niệm gọi đa truy cập phân chia theo không gian (SDMA) Hầu hết trạm gốc sectơ hóa cell với góc 120o Điều làm tăng dung lượng hệ thống lên gấp lần cell thuê bao sectơ chia nguồn tài nguyên phổ với Hầu hết trạm gốc điều chỉnh để trang bị anten thông minh sectơ Do đó, Trang lxxxviii sectơ 120o chia nhỏ Việc chia nhỏ giúp sử dụng mức công suất thấp hơn, làm tăng dung lượng hệ thống băng thông Một lợi ích khác anten thông minh làm giảm ảnh hưởng có hại hiệu ứng đa đường Một thuật toán số module để điều khiển anten thông minh hoàn thành để triệt tín hiệu đa đường Việc làm giảm pha đinh cách đột ngột tín hiệu thu Tốc độ liệu cao anten thông minh đồng thời vừa giảm can nhiễu kênh vừa giảm hiệu ứng pha đinh đa đường Việc giảm đa đường không đem lại lợi ích cho thông tin di động mà cho nhiều ứng dụng hệ thống rađa khác Anten thông minh dùng để nâng cao kỹ thuật tìm phương (DF) kỹ thuật xác kỹ thuật tìm góc tới (AOA) Việc tích hợp mảng lớn kỹ thuật ước lượng phổ làm cô lập AOA thuật toán hiệu chỉnh góc, thuật toán khuếch đại độ phân giải mảng ướng lượng phổ lên Việc ước lượng xác góc tới (AOA) hữu dụng đặc biệt hệ thống rađa vấn đề giải tượng vật ảnh vật di chuyển Khả tìm phương (DF) anten thông minh làm mở rộng phạm vi cung cấp dịch vụ hệ thống không dây làm tăng khả xác định vị trí thuê bao di động đặc biệt Ngoài ra, anten thông minh chí hướng dãy búp sóng phía tín hiệu có ích tín hiệu tham chiếu chuỗi huấn luyện cho trước Khả gọi định dạng búp sóng mù Anten thông minh phần hệ thống thông tin MIMO hệ thống rađa MIMO đa dạng sóng Vì dạng sóng khác phát từ phần tử dãy anten phát kết hợp lại dãy anten thu, anten thông minh có vai trò việc xác định mẫu xạ để làm tối ưu khả nhận diện tín hiệu đa đường Đối với hệ thống rađa MIMO, anten thông minh khai thác tính độc lập tín hiệu khác dãy phần tử nhằm sử dụng phương pháp mục tiêu nhấp nháy tín hiệu có chất lượng tăng, để tăng độ phân giải, để làm giảm tín hiệu dội Tăng độ phủ sóng tăng dung lượng mạng 3G 2.1 Tác động anten thông minh đến độ phủ sóng dung lượng đường uplink Vì độ phủ sóng đường uplink bị giới hạn, ngoại trừ liệu có tốc độ cao dung lượng PA thấp (VD: microcell), nên ta tập trung vào vấn đề làm tăng độ phủ sóng cách dùng anten mảng trạm gốc Mật độ thu BS xác định hệ số nhiễu, tốc độ symbol tối đa thu được, mức nhiễu môi trường RF, điểm khởi tạo Nếu ta giảm độ nhạy yêu cầu làm tăng dung lượng và/hoặc làm giảmcông suất phát di động Có số phương pháp dùng để làm tăng chất lượng tác động anten thông minh Từ việc mở rộng tuyến mô mức hệ thống đến kỹ thuật phân tích khả không sử dụng trình phân tích dung lượng thống kê Một cách khác để làm tăng tác động anten thông minh lên đường uplink thông qua chương dùng quỹ đường truyền biểu thức tải Dùng anten thông minh đường uplink có hai điều lợi, thứ giảm tỉ số cần thiết, thứ hai độ lợi khoảng cách, hai làm tăng độ phủ sóng Ta thấy hệ số tải đường uplink hàm theo tốc độ liệu, bao Do đó, việc giảm , số lượng thuê làm giảm hệ số tải cho lượng thuê bao thông lượng sector cho trước Việc giảm tải đường uplink cho thông lương hệ thống cho trước làm Trang lxxxix tăng độ phủ sóng dung lượng kênh Độ phủ sóng tăng hệ số tải thấp tổn hao đường tối đa cho phép (MAPL) cao hơn.Dung lượng tăng số thuê bao thông lượng sector tăng đến hệ số tải đạt đến mức tải tiêu 2.2 Tác động anten thông minh đến dung lượng đường downlink Ở đường uplink, anten mảng trạm gốc kích hoạt chức tự điều hệ thống để làm tối ưu tín hiệu thu Kết mức tín hiệu thu cải thiện hệ số M (số phần tử anten); thời điểm, can nhiễu giảm đáng kể Độ lợi tương ứng xảy dùng anten thông minh đường downlink Khi hệ thống điểu chỉnh để đạt mức công suất truyền tín hiệu tối ưu theo hệ số M thông qua việc phát công suất anten đơn trạm gốc Cùng lúc đó, can nhiễu thấp trải rộng đường downlink Can nhiễu giảm tăng số thuê bao hệ thống chất lượng tín hiệu, điều thông lượng liệu cao Lợi ích việc giảm can nhiễu cho mạng rộng là, hai trường hợp, làm tăng hiệu phổ Lợi ích anten thông minh không giới hạn việc cung cấp độ lợi khoảng cách, mà làm tăng tỉ số , đồng nghĩa với việc tăng độ phủ sóng dung lượng Mọi hệ thống vô tuyến chịu số tác động hiệu ứng pha-đing Do mội trường thay đổi, hiệu ứng pha-đing thay đổi theo thời gian Và khó khăn cho người thiết kế hệ thống vô truyền hệ thống phải mạnh để trái trường hợp kết nối xảy margin độ ngột, phải thiết kế cho tránh tượng pha-đing, làm giảm độ phủ sóng Pha-đing thực chất giảm nhẹ dùng nhiều anten Khi anten bị biến chất anten mảng, cần đến anten lại Do đó, ngõ anten mảng tốt theo thời gian Do đó, có yếu tố làm giảm margin để chống lại hiệu ứng pha-đing, gọi “độ lợi phân tập” độ lợi khoảng cách Độ lợi tùy thuộc vào khả kết nối, mức xử lý hiệu ứng pha-đing cần thiết, số lượng anten Đơn giản là, hệ thống anten thông minh làm tăng độ phủ sóng hiệu phổ hệ thống không dây, có số mối liên hệ chi phí, độ phủ sóng, dung lượng lại hệ thống vô tuyến Anten thông minh trạm di động Một vài phương pháp kết hợp áp dụng vào MS 3.1 Phân tập lựa chọn Kỹ thuật kết hợp phân tập thường dùng anten Đối với thuật toán thực tế, việc chất lượng bị giảm tùy thuộc vào phần đầu hệ thống chuyển mạch 3.2 Kết hợp tỉ số tối đa (MRT) Trong hệ thống MRT, anten nối để làm tối đa độ nhạy giả sử nhiễu can nhiễu mà anten thu có tương quan chéo thấp Những trọng số áp ngõ vào anten hàm theo SNR thu Anten thông minh hệ thống MIMO Nếu ta dùng anten để truyền, tốc độ liệu bị giới hạn chất lượng anten Một cách để khôi phục yếu kênh dùng đa anten đầu cuối thu để đảo tất phần ảnh hưởng kênh truyền Trong trường hợp anten phát phải có hình dạng cổ chai theo hướng Tuy nhiên, chất lượng thường tốt so với Trang xc dùng anten đầu cuối Có cách khác thể đạt hiệu dùng nhiều anten đầu cuối máy phát không chỉnh sửa máy thu (chẳng hạn điện thoại di động) nhằm tạo nhiều điều kiện tín hiệu cho đến máy thu giống gần giống với điều kiện tín hiệu (đã tích hợp nhiều anten) để dùng góc rỗi khác cách đó, phân tập cao chẳng hạn Chất lượng thu giống với trường hợp dùng số lượng anten Mặt khác, hệ thống MIMO, liệu truyền thông qua kênh ma trận tạo M T anten phát MR anten tốt kênh vector, tạo loại độ lợi việc có lợi ích độ lợi anten mảng lợi ích việc phân tập Các phương pháp ước lượng hướng góc tới Ta thấy nguồn tin có nhiều đường truyền dẫn nhiều góc tới khác Nếu nhiều máy phát hoạt động lúc, nguồn tín hiệu tạo thành phần đa đường thu Do đó, cần phải ước lượng hướng góc tới để giải mã xem phát diện vị trí góc khả dụng chúng vị trí Có thể dùng kiện để ước lượng liên kết tín hiệu lại nhằm tăng độ tin cậy, loại bỏ nhiễu, hai Mức độ phát triển kỹ thuật ước lượng hướng góc tới ngày tạo nhiều tảng cho kỹ thuật phân tích chuỗi, phân tích phổ, đồ thị hàm số, phương pháp cấu trúc riêng, phương pháp tham số, phương pháp dự báo tuyến tính, định dạng búp sóng, xử lý mảng, phương pháp thích nghi mảng - Ước lượng AOA Bartlett: ưu điểm phương pháp ổn định thuật toán đơn giản Tuy nhiên, qua đồ thị ta thấy, hai nguồn tín hiệu cách khoảng 20 trở lên giải phương pháp Bartlett Do đó, hạn chế phương pháp số tín hiệu ước lượng không xác thuê bao di chuyển gần - Ước lượng AOA Capon: có độ phân giải lớn ước lượng AOA Barlett Độ ổn định tương đối vao không phương pháp Bartlett, trường hợp nguồn tin cạnh có tính tương quan cao, độ phân giải Capon thật trở nên tệ - Ước lượng AOA dự báo tuyến tính: cho hiệu cao ước lượng Bartlett Capon Tính hiệu phụ thuộc vào phần tử anten mảng chọn không gian vector un Nếu ta chọn tín hiệu đến có biên độ khác nhau, giá trị đỉnh phổ dự đoán tuyến tính tỉ lệ nghịch với cường độ tín hiệu đến Do đó, phương pháp dự đoán tuyến tính không cung cấp thông tin hướng góc đến mà có thông tin cường độ tín hiệu - Ước lượng AOA entropy cực đại - Ước lượng AOA phân tích hài Pisarenko: cho độ phân giải tốt nhất; nhiên, nhược điểm phương pháp độ ổn định thấp, cần độ hội tụ cao - Ước lượng AOA chuẩn bé (Min-norm): thích hợp cho anten mảng tuyến tính đồng dạng, độ ổn định phương pháp Min-Norm thấp - Ước lượng AOA MUSIC: thuật toán MUSIC cho độ phân giải cao độ ổn định lớn - Ước lượng AOA Root-MUSIC: áp dụng cho anten mảng mà không cần quan tâm đến vị trí phần tử Thuật toán Root-MUSIC ngụ ý thu hẹp lại thuật toán MUSIC để tìm gốc đa thức khác với việc đơn vẽ phổ giả tìm đỉnh phổ giả Trang xci Hình - Giao diện Hình - Giao diện phần mô phương chương trình mô Hình - Phổ giả phương pháp ước lượng AOA Bartlett pháp ước lượng hướng góc tới Hình - Phổ giả phương pháp ước lượng AOA Capon Trang xcii Hình - Phổ giả phương pháp ước lượng AOA dự báo tuyến tính Hình - Phổ giả phương pháp ước lượng AOA Pisarenko Hình - Phổ giả phương pháp ước lượng AOA MUSIC Hình - Phổ giả phương pháp ước lượng AOA entropy cực đại Hình - Phổ giả phương pháp ước lượng AOA Min-Norm Hình 10 - Phổ giả phương pháp ước lượng AOA Root-MUSIC Kết luận : Đề tài anten đề tài rộng cần nhiều kiến thức chuyên sâu, đặc biệt anten thông minh Các lĩnh vực liên quan tới nhiều, bao gồm trường điện từ, anten, lan truyền sóng, thông tin, xử lý ngẫu nhiên, lý thuyết thích nghi, ước lượng phổ, xử lý tín hiệu mảng Trong phạm vi đồ án, thời gian có hạn kiến thức than hạn chế nên em dừng lại mức độ lý thuyết anten thông minh vấn đề anten (chương 2) đồng thời mô giải thuật ước lượng hướng góc tới (chương 4) Qua ứng dụng vào việc ước Trang xciii lượng hướng góc tới (chương 3), nhằm đưa giải pháp phát triển anten thông minh để từ áp dụng vào hệ thống thực tế làm tăng độ phủ sóng tăng dung lượng mạng 3G ứng dụng vào trạm di động để tăng tốc độ downlink thõa mãn nhu cầu thị trường di động, xa ứng dụng anten thông minh hệ thống MIMO Một số hướng phát triển để tài dùng anten thông minh làm điểm tựa để phát triển để nghiên cứu xây dựng hệ thống MIMO, ứng dụng vào WCDMA, xây dựng hệ thống 3G Trang xciv [...]...CHƯƠNG 2 HỆ THỐNG ANTEN TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG 2.1 Giới thiệu chương Chương này sẽ trình bày vai trò của anten trong thông tin di động bao gồm: - Tăng độ phủ sóng và tăng dung lượng trong mạng 3G: tác động của anten thông minh đến dung lượng đường uplink và downlink - Anten thông minh trong các trạm di động - Anten thông minh trong hệ thống MIMO: các kỹ thuật đa anten này sẽ giải quyết... thiết, và số lượng anten Đơn giản là, các hệ thống anten thông minh làm tăng độ phủ sóng và hiệu quả về phổ của hệ thống không dây, mặc dù có một số mối liên hệ giữa chi phí, độ phủ sóng, và dung lượng còn lại trong hệ thống vô tuyến 2.3 Anten thông minh trong các trạm di động Với sự ra đời của các ứng dụng di động có tốc độ cao, người ta mong đợi rằng dung lượng đường downlink của hệ thống CDMA 3G càng... ánh xạ lên một trong số các anten phát, anten này có thể bao gồm quá trình tạo trọng số của các phần tử anten hoặc gán mã dự đoán anten theo không gian – thời gian Tại bộ thu, các tín hiệu này được thu bằng nhiều anten và được khôi phục lại sau khi giải điều chế và giải ánh xạ Đây có thể được xem như là sự mở rộng của ứng dụng anten thông minh thông thường Sự thông minh của hệ tống đa anten này là ở... tăng đáng kể trong hệ thống SIMO (bằng cách khai thác các kênh song song để tăng thông lượng tuyến thông tin) SNR cao → thông lương tăng theo bậc của tuyến thông tin Phân tập lớn sẽ làm tốc độ dữ liệu trên tuyến ít biến đổi Trang xxxv Hình 2.24 Tốc độ bound trên các phần tử anten cao hơn AS Hình 2.25 MIMO, định dạng búp sóng, và phân tập 2.5 Kết luận chương - Kỹ thuật anten thông minh trong mạng 3G,... của hệ thống MIMO là khả năng cung cấp các độ lợi về dung lượng rất lớn trong các điều kiện hiện tại khi so vớ các kỹ thuật theo không gian khác Trong các hệ thống SIMO/MISO, dung lượng của chúng tăng khoảng 1 bps/Hz khi gấp đôi SINR, trong khi trong hệ thống MIMO, việc gấp đôi tỉ số SNR sẽ tăng dung lượng lên khoảng Nbps/Hz, N = min (M T, MR) Thận lợi khác của hệ thống MIMO là có thể làm tăng tính tin. .. công suất 2.4 Anten thông minh trong hệ thống MIMO 2.4.1 Nguyên lý của hệ thống MIMO Bảng 2.1 so sánh tất cả kỹ thuật kết nối đa anten có thể có Nhìn chung, ta xác định số lượng anten phát MT và số lượng anten thu MR Ta có thể xem kênh vô tuyến như là kênh vector có miền MR x 1 hoặc MT x 1 Nếu ta chỉ dùng một anten để truyền, thì tốc độ dữ liệu sẽ luôn bị giới hạn do chất lượng của anten đó Một cách... các phần tử anten Khi độ tương quan thấp, hệ thống SIMO sẽ tạo ra một độ lợi phân tập để làm giảm ảnh hưởng của hiệu ứng pha đinh nếu được kết hợp phù hợp Khi các tín hiệu tới anten có độ tương quan cao (như trong trường hợp định dạng búp sóng), thì hệ thống sẽ tạo ra một độ lợi mảng để giảm hoặc triệt can nhiễu Trang xxviii Hình 2.19 Hệ thống SISO Hình 2.20 Hệ thống SIMO 2.4.1.3 MISO Trong trường... uplink, anten mảng tại trạm gốc sẽ kích hoạt chức năng tự điều chỉ hệ thống để làm tối ưu tín hiệu thu Kết quả là mức tín hiệu thu sẽ được cải thiện bằng một hệ số M (số phần tử anten) ; tại cùng một thời điểm, can nhiễu sẽ giảm đáng kể Độ lợi tương ứng cũng sẽ xảy ra khi dùng anten thông minh ở đường downlink Khi hệ thống được điểu chỉnh để đạt được mức công suất truyền tín hiệu tối ưu theo hệ số M thông. .. Tuy nhiên, trong trường hợp trên, nếu ta cho dung lượng tăng lên, tải hệ thống cũng sẽ tăng Trang xii Hình 2.1 Độ giảm công suất và độ lợi Hình 2.2 Độ tăng của dung lượng với độ lợi của mạng lưới khi công suất không giảm Để kiểm soát và duy trì cùng một tải hệ thống này, công thức làm tăng dung lượng hệ thống bên trên được sửa lại như sau Biểu di n biểu thức (2.7) ở hình 2.3 trong một hệ thống có 50%... thể làm tăng tính tin cậy của tuyến thông tin Khi sự phân tập tăng, xác suất mà một tốc độ dữ liệu cho trước không thể duy trì là Poutage = κ SINR − N (2.33) Với κ là một hằng số và N là bậc phân tập Trong một hệ thống SIMO hay MISO, N= MR & MT, một cách tương ứng, trong khi trong hệ thống MIMO N = MR* MT 2.4.5 Đặc tính truyền dẫn RF Các thuận lợi về chất lượng của hệ thống MIMO xảy ra khi kênh truyền