Kỹ thuật đa Anten Lớp Cao học Kỹ thuật điện tử KỸ THUẬT ĐA ANTEN Đa anten tên chung cho cho tập hợp kỹ thuật dựa việc sử dụng nhiều anten phía thu/phía phát, nhiều kết hợp với kỹ thuật xử lý tín hiệu, thường gọi MIMO Kỹ thuật đa anten sử dụng để nâng cao hiệu hệ thống, bao gồm làm tăng dung lượng hệ thống (số người dùng ô tăng) tăng vùng phủ (mở rộng ô) làm tăng khả cung cấp dịch vụ Cấu hình đa anten Một đặc tính quan trọng cấu hình đa anten khoảng cách phần tử anten quan hệ khoảng cách anten có mối quan hệ tương quan tương hỗ fading kênh vô tuyến anten khác (được xác định tín hiệu anten) Các anten đặt xa để độ tương quan fading thấp Ngược lại, anten đặt gần để độ tương quan fading cao, chất anten khác có fading tức thời tương tự Khoảng cách thực tế cần thiết anten để độ tương quan cao/ thấp phụ thuộc vào bước sóng, tương ứng tần số sóng mang sử dụng Tuy nhiên, phụ thuộc vào kịch triển khai Trường hợp anten trạm gốc, môi trường macro-cell (tức ô lớn vị trí anten trạm gốc phải cao), khoảng cách anten vào khoảng 10 bước sóng đảm bảo độ tương quan thấp, khoảng cách anten cho máy đầu cuối di động khoảng nửa bước sóng Lý khác trạm gốc với máy đầu cuối di động kịch macro, phản xạ đa đường gây fading chủ yếu xuất vùng gần xung quanh máy đầu cuối di động Do đó, nhìn từ vị trí máy đầu cuối ta thấy đường khác đến góc lớn, độ tương quan thấp với khoảng cách anten tương ứng nhỏ Cịn nhìn vị trí trạm gốc, đường khác đến góc nhỏ nhiều, nên khoảng cách anten phải đủ lớn để độ tương quan thấp Trong kịch triển khai khác, ví dụ triển khai kịch micro-cell với anten trạm gốc thấp nhà triển khai nhà Môi trường trạm gốc lúc giống với môi trường máy đầu cuối hơn, khoảng cách anten trạm gốc nhỏ đảm bảo độ tương quan thấp Các anten giả thiết có phân cực Một cách khác để đạt độ tương quan fading thấp áp dụng phân cực khác anten khác Khi anten đặt gần Lợi ích kỹ thuật đa anten Kỹ thuật đa anten mang lại lợi ích khác phụ thuộc vào mục đích khác nhau: Nhóm học viên: Ngô Thanh Tuấn – Cao Hữu Vinh Trang Kỹ thuật đa Anten Lớp Cao học Kỹ thuật điện tử Nhiều anten phát/ thu sử dụng để phân tập, chống lại fading kênh vô tuyến Trong trường hợp này, kênh khác anten khác có độ tương quan thấp Để đạt điều khoảng cách anten phải đủ lớn (phân tập không gian) sử dụng anten có phân cực khác (phân tập phân cực) Nhiều anten phát/thu sử dụng để ‘định hình’ cho búp sóng anten tổng (búp sóng phía phát búp sóng phía thu) theo cách Ví dụ, tối đa hóa độ lợi anten theo hướng thu/phát định để triệt nhiễu lấn át tín hiệu Kỹ thuật tạo búp sóng dựa độ tương quan cao thấp anten Độ khả dụng đa anten phát thu sử dụng để tạo nhiều kênh truyền song song thông qua giao diên vô tuyến Điều mang lại khả tận dụng băng thông mà không cần giảm thông tin với công suất Nói cách khác khả cho tốc độ liệu cao với băng tần hạn chế mà không cần thu hẹp vùng phủ Ta gọi kỹ thuật ghép kênh khơng gian Mơ hình MIMO tổng qt Mơ hình kênh MIMO tổng qt gồm Nt anten phát Nr anten thu minh họa hình Hình Mơ hình kênh MIMO với Nt anten phát Nr anten thu Ma trận kênh H cho mô hình MIMO biểu diễn sau: Nhóm học viên: Ngô Thanh Tuấn – Cao Hữu Vinh Trang Kỹ thuật đa Anten Lớp Cao học Kỹ thuật điện tử  h11   h 21 H    h1N r   h12 h 22  h 2N r hN  t   hN  t     hN N  t r (1) Trong : hnm độ lợi kênh anten phát thứ n anten thu thứ m  Giả sử: x  x1 ,   T x ,  , x N  số liệu phát t  y   y1 , y ,  , y N   r  η  η1 , η ,   T số liệu thu T  ηN tạp âm Gaus trắng phức Nr máy thu r  T ký hiệu phép tốn chuyển vị Khi đó, quan hệ tín hiệu đầu vào x với tín hiệu đầu y xác định biểu thức sau:  y1   h11  y  h    21        y N r  h N  r h12  hN t hN   x1   η1      h 22    x   η2  t                h N  h N N  x N  η N  t  r r t r  (2) Có thể viết lại quan hệ vào kênh ma trận NrxNt phương trình (2) sau: y= Hx+ (3) Kênh SVD MIMO 3.1 Mơ hình kênh SVD MIMO Xét hệ thống truyền dẫn vô tuyến bao gồm Nt anten phát Nr anten thu hình Để tiện phân tích ta viết lại phương trình (3) y= Hx+ Nhóm học viên: Ngơ Thanh Tuấn – Cao Hữu Vinh (3) Trang Kỹ thuật đa Anten Lớp Cao học Kỹ thuật điện tử Trong  vector AWGN phức có phân bố Ν c (0,  ) E ηηH   σ I N ;   r 2  N0 ; N0 mật độ phổ công suất tạp âm H ma trận kênh Nr x Nt Khi khoảng cách anten lớn nửa bước sóng mơi trường nhiều tán xạ, ta coi H có hàng cột độc lập với Khi này, phân chia giá trị đơn SVD cho ta: H=UDVH (4) Với U V ma trận phân có kích thước Nr xNr Nt xNt Toán tử (.)H chuyển vị Hermitian Đối với ma trận phân, ta có :UUH=INr VVH=INt D ma trận có kích thước Nr x Nt, gồm NA giá trị đơn không âm ký hiệu 11 / , , λ1N/ đường chéo Trong NA=min (Nt, Nr), i với A i=1,2, ,N giá trị eigen ma trận HHH Các giá trị eigen ma trận HHH xác định sau: det (HHH - I )=0 (5) hay: det(Q- I )=0 (6) Trong Q ma trận Wirshart xác định sau: HH H , N  N r t Q H  H H, N r  N t (7) Các cột ma trận U vector eigen HHH cột ma trận V vector eigen HHH Số giá trị eigen khác khơng HH H hạng ma trận Nếu Nt= Nr D ma trận đường chéo Nếu Nt >Nr D gồm ma trận đường chéo Nr x Nr sau Nt –Nr cột khơng Trong trường hợp số anten phát lớn số anten thu, D tạo từ ma trận vuông bậc Nr tiếp sau Nt- Nr cột sau: Nhóm học viên: Ngơ Thanh Tuấn – Cao Hữu Vinh Trang Kỹ thuật đa Anten  λ1/2   D     Lớp Cao học Kỹ thuật điện tử  λ1/2     0     λ1/2 N  r 0  0   0  (8) Trong trường hợp ma trận V có Nr hàng sử dụng được, cịn Nt- Nr hàng cịn lại khơng sử dụng Khi Nr phần tử đầu ma trận x sử dụng Nt- Nr phần tử lại đặt vào khơng Trường hợp đặc biệt có Nt anten phát có anten thu (Nr = 1) Khi ma trận U có kích thước 1x1 sử dụng hàng ma trận V Trường hợp thứ hai tương ứng với số anten thu nhiều số anten phát (Nt