ang ten ứng dụng viễn thông
Đồ án tốt nghiệp Đại học
Ănten thông minh và ứng
dụng trong WCDMA
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
BER
Bit Error Rate
Tỷ lệ lỗi bit
BPSK
Binary Phase Shift Keying
Khoá dịch pha nhị phân
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
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
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
Frequency Division
MultiAccess
Đa truy cập phân chia theo
tần số
B
C
D
E
F
FDMA
Đinh Thị Thái Mai , D01VT
iii
Đồ án tốt nghiệp Đại học
FDD
Thuật ngữ và các từ viết tắt
Frequency Division Duplex
Ghép song công theo tần số
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
Global Position System
Hệ thống vị trí toàn cầu
Hybrid Combining
Kết hợp lai ghép
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
LCFCM
Loosely Correlated Fading
Channel Model
Mô hình kênh pha đinh
tương quan không chặt
LOS
Line Of Sight
đường truyền thẳng
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
NLMS
Normalized Least Mean
Square
Bình phương trung bình tối
thiểu chuẩn hoá
NT-GSC
Normalized Threshold
Kết hợp lựa chọn tổng quát
G
GPP
GPS
H
HC
I
L
M
N
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
Quadrature Phase Shift
Keying
Khoá dịch pha toàn phương
RF
Radio Frequency
Tần số vô tuyến
RLS
Recurstive Least Square
Bình phương tối thiểu đệ
quy
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 Tỷ số tín hiệu trên tạp âm
Noise Ratio
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
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
Q
QPSK
R
S
T
Đinh Thị Thái Mai , D01VT
v
Đồ án tốt nghiệp Đại học
TIA
Thuật ngữ và các từ viết tắt
Telecommunication Industry Hội công nghiệp viễn thông
Association
U
UC
Unit Controll
Đơn vị điều khiển
UCFCM
Uncorrelated Fading
Channel Model
Mô hình kênh pha đinh
không tương quan
Wireless Local Area
Network
Mạng vô tuyến nội hạt
W
WLAN
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
Đồ án tốt nghiệp Đại học
Danh mục các hình
Hình 2.15: Sơ đồ khối của bộ thu dàn ănten 8x8 phần tử và hệ thống định chuẩn vốn có của Passman
và Wixforth cho thấy các cổng phân cực phương ngang và phương thẳng đứng................................48
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
Hình 3.1: Hệ thống ănten kép cho HDR..............................................................................................52
Hình 3.2 : Bộ cầm tay ănten thông minh cho hệ thống DECT............................................................53
Hình 3.3: Hệ thống ănten thông minh so với hệ thống một ănten.......................................................54
3.2 Hệ thống truyền thông vô tuyến thế hệ 3.........................................................54
3.2.1 Hệ thống 3GPP.............................................................................................55
Hình 3.4: Sơ đồ khối bộ phát đường xuống của hệ thống 3GPP.........................................................56
3.2.2 Hệ thống cdma2000....................................................................................57
Hình 3.5 : Đường xuống của cdma2000..............................................................................................58
3.2 Các lược đồ kết hợp............................................................................................58
3.2.1 Kết hợp phân tập..........................................................................................58
Hình 3.6: Kết hợp phân tập..................................................................................................................59
3.3.2 Kết hợp tương thích.....................................................................................59
Hình 3.7: Kết hợp tương thích.............................................................................................................60
3.3.3 Kết hợp lai ghép..........................................................................................61
Hình 3.8: Bộ kết hợp lai ghép của hệ thống ănten kép........................................................................62
3.4 Mô hình kênh.......................................................................................................62
3.4.1 Giới thiệu chung về mô hình kênh................................................................62
Hình 3.9: Biến thiên mức tín hiệu thu..................................................................................................63
Hình 3.10: Sự khác pha trong dàn ănten tuyến tính.............................................................................64
3.4.2 Tương quan đường bao................................................................................64
Hình 3.11: Tương quan đường bao đối với khoảng cách ănt...............................................................65
3.4.3 Mô hình kênh pha đinh tương quan không gian và mô hình kênh pha đinh
tương quan không chặt..........................................................................................65
Hình 3.12: Hai mô hình kênh...............................................................................................................66
3.4.4 Mô hình kênh pha đinh tương quan đường bao............................................66
Hình 3.13: Mô hình kênh phađinh tương quan đường bao..................................................................67
Hình 3.14: Hai tín hiệu pha đinh Rayleigh trong ECFCM..................................................................68
3.4.5 Thủ tục lấy profile kênh sử dụng GBSB......................................................68
3.4.5.1 Mô hình GBSB.........................................................................................68
Hình 3.15: Hình học của mô hình GBSB đường tròn..........................................................................69
Hình 3.16: Hình học của mô hình GBSB elip......................................................................................70
3.4.5.2 Thủ tục lấy profile kênh sử dụng GBSB..................................................70
Hình 3.17: Dạng kênh của mô hình elip và đường tròn GBSB...........................................................71
3.4.6 Mô hình kênh có phađinh logarit chuẩn.......................................................71
Hình 3.18: Mô hình kênh pha đinh không tương quan........................................................................72
Đinh Thị Thái Mai , D01VT
ix
Đồ án tốt nghiệp Đại học
Danh mục các hình
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
Hình 4.1: Bộ thu ănten thông minh kép với bộ kết hợp phân tập........................................................74
4.1.2 Các kết quả mô phỏng trong mô hình kênh đường tròn GBSB.....................75
Hình 4.2: BER với các lược đồ phân tập và hai mô hình kênh............................................................77
Hình 4.3: BER với các khoảng cách ănten khác nhau.........................................................................77
Hình 4.4 : BER với các độ trễ lớn nhất khác nhau...............................................................................78
Hình 4.5: BER với số lượng người sử dụng khác nhau.......................................................................79
Hình 4.6: BER với số lượng đa đường khác nhau...............................................................................80
4.1.3 Các kết quả mô phỏng trong mô hình kênh elip GBSB ..............................80
Hình 4.7: BER với ba lược đồ kết hợp và hai mô hình kênh...............................................................82
Hình 4.8: BER với số lượng người sử dụng khác nhau.......................................................................83
Hình 4.9: BER với các vận tốc di chuyển khác nhau...........................................................................83
Hình 4.10: BER với số lượng đa đường khác nhau.............................................................................84
Hình 4.11: So sánh BER trong mô hình elip và đường tròn GBSB.....................................................85
Bảng 4.1: So sánh hiệu năng của EGC và MRC.............................................................................86
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
Hình 4.12: BER trong mô hình đường tròn và elip GBSB..................................................................88
Hình 4.13: BER với các vận tốc khác nhau.........................................................................................89
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
Hình 4.14: Hiệu năng của DC và AC với các khoảng cách ănten khác nhau......................................91
Hình 4.15: Hiệu năng của DC và AC với các vận tốc di chuyển khác nhau.......................................92
Hình 4.16: Hiệu năng của DC và AC với các tương quan đường bao khác nhau................................93
4.3.3 Hiệu năng của HC đối với mô hình GBSB...................................................94
Hình 4.17 : Hiệu năng của HC với các vận tốc khác nhau..................................................................96
4.4 Tổng kết...............................................................................................................96
KẾT LUẬN....................................................................................................................97
TÀI LIỆU THAM KH¶O.............................................................................................99
Đinh Thị Thái Mai , D01VT
x
Đồ án tốt nghiệp Đại học
Danh mục các bảng
DANH MỤC CÁC BẢNG
xĐinh Thị Thái Mai , D01VT
x
Đồ án tốt nghiệp Đại học
Lời nói đầu
LỜI NÓI ĐẦU
Thông tin di động ra đời vào cuối những năm 1940. Khi đó phương thức thông tin
mới này chỉ là những hệ thống thông tin di động điều vận. Đến nay thông tin di động đã
tr λ thành hệ thống toàn cầu và trải qua nhiều thế hệ . Thế kỷ 21 của chúng ta đã và đang
chứng kiến sự phát triển mạnh mẽ không ngừng của ngành công nghiệp viễn thông và
trong đó không thể thiếu thông tin di động. Con người càng vươn tới những đỉnh cao
trong cuộc sống, trong khoa học thì nhu cầu trao đổi thông tin ngày càng nhiều và chính
vì thế mà nhu cầu thông tin di động ngày một cấp thiết. Với lượng dân số thế giới là trên
6 tỷ người, thì việc trao đổi thông tin không chỉ đơn thuần là đối thoại thông thường với
băng thông hẹp, tốc độ thấp mà con người ngày nay còn đòi hỏi phải được truy cập dữ
liệu, âm thanh, hình ảnh với tốc độ cao băng thông rộng.
Làm thế nào để nâng cao dung lượng của hệ thống nhưng không làm tăng băng tần
của vô tuyến? Làm thế nào để hệ thống đảm bảo cung cấp dịch vụ với giá thành rẻ, chất
lượng và tốc độ truyền dữ liệu cao, đồng thời phải giảm thiểu năng lượng truyền tín
hiệu từ thuê bao nhằm tăng tuổi thọ của pin, làm cho cấu trúc của máy di động ngày
càng gọn nhẹ? Việc đi tìm lời giải cho các câu hỏi này quả là một thách thức lớn cho các
nhà quản lý và khai thác mạng viễn thông cũng như các nhà thiết kế hệ thống vì dường
như các yêu cầu này không có tính dung hoà với nhau. Đã có rất nhiều giải pháp đưa ra
nhằm giải quyết những vướng mắc này. Trong hệ thống những giải pháp đó, ănten
thông minh với những ưu điểm vượt trội đã tr λ thành một giải pháp quan trọng được
chú ý và lựa chọn. Ănten thông minh bắt đầu được nghiên cứu từ những năm 90 và
ngày nay đang được triển khai rộng rãi nhiều nơi trên thế giới.
Ănten thông minh giúp giải quyết vấn đề xuyên nhiễu giữa các máy di động ảnh hư
λng lên nhau và tạp âm của môi trường truyền dẫn vô tuyến bằng cách tăng SINR.
Ănten thông minh còn cải thiện tín hiệu đầu thu, tăng dung lượng hệ thống, m λ rộng
vùng phủ sóng, tăng chất lượng tín hiệu, làm giảm chi phí lắp đặt các trạm BTS, kéo dài
thời gian sử dụng pin của máy cầm tay, cho phép truy cập dữ liệu tốc độ cao. Công nghệ
ănten áp dụng kỹ thuật đa truy cập phân chia theo không gian SDMA, bên cạnh đó còn
kết hợp các kỹ thuật đa truy cập khác như CDMA, TDMA và FDMA và gần đây nhất là
sự ra đời của hệ thống thông tin di động sử dụng kỹ thuật WCDMA để đạt được hiệu
quả tối ưu nhất. Ngày nay, ănten thông minh không chỉ được áp dụng tại trạm gốc mà
còn được tích hợp trong các thiết bị đầu cuối nhằm cải thiện hơn nữa các chỉ tiêu chất
lượng và dung lượng của hệ thống. Và mặc dù đã được nghiên cứu nhiều năm nhưng
cho đến nay, ănten thông minh luôn là một vấn đề thu hút sự quan tâm của nhiều người.
Đinh Thị Thái Mai , D01VT
xii
Đồ án tốt nghiệp Đại học
Lời nói đầu
Xuất phát từ những vấn đề trên, em đã lựa chọn đề tài nghiên cứu của mình là
“Ănten thông minh và ứng dụng trong WCDMA”. Đề tài đã đi vào nghiên cứu từ những
kiến thức cơ bản nhất cho đến những ứng dụng mới mẻ của ănten thông tại máy cầm tay
trong hệ thống WCDMA. Theo đó, đề tài tiến hành nghiên cứu các nội dung chính theo
bố cục gồm bốn chương.
Chương I: Trình bày một cách tổng quan về ănten thông minh bao gồm : Khái
niệm, nguyên lý hoạt động, cấu trúc và các tham số dàn ănten, mô hình tín hiệu và
những lợi ích khi sử dụng ănten thông minh trong hệ thống thông tin di động.
Chương II: Trình bày các thuật toán được áp dụng trong ănten thông minh bao
gồm: kết hợp phân tập và kết hợp tương thích. Ngoài việc giới thiệu các thuật toán được
sử dụng trong ănten thông minh, chương còn đưa ra những phân tích, đánh giá và so
sánh các thuật toán này với nhau.
Chương III: Đi vào nghiên cứu ứng dụng của ănten thông minh tại máy cầm tay
trong hệ thống WCDMA, gồm hệ thống 3GPP và cdma2000. Chương đã giới thiệu một
số các cấu trúc của hệ thống ănten thông minh kép được tích hợp trong các đầu cuối di
động. Theo đó, chương cũng đưa ra những cấu trúc của ănten thông minh trong các môi
trường truyền lan khác nhau cũng như ănten thông minh sử dụng các thuật toán khác
nhau trong thực tế.
Chương IV: Đánh giá hiệu năng của việc sử dụng ănten thông minh tại máy cầm
tay khi sử dụng các lược đồ kết hợp phân tập, tương thích hay lai ghép cho hệ thống 3
GPP. Đồng thời trong chương cũng đã có những phép so sánh giữa ba loại lược đồ kết
hợp này.
Phần kết luận làm toát lên những kết quả mà đồ án đã đạt được cũng như m λ ra
những hướng phát triển mới để hoàn thiện hơn nữa đề tài này trong thời gian tới.
Do giới hạn về thời gian và phạm vi của đồ án tốt nghiệp nên đồ án chỉ đi vào
nghiên cứu một phần rất nhỏ trong pham vi rộng lớn của lĩnh vực thông tin di động nói
chung và ănten thông minh nói riêng. Mặc dù người thực hiện đã có nhiều cố gắng
nhưng chắc chắn đồ án sẽ không tránh khỏi những thiếu sót nhất định. Rất mong được
sự chỉ dẫn của các thầy cô giáo cũng như ý kiến đóng góp của các bạn bè.
Em xin chân thành cảm ơn TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng đã tận tình hướng dẫn em
trong suốt thời gian làm đồ án để em có được kết quả ngày hôm nay.
Đinh Thị Thái Mai , D01VT
xiii
Đồ án tốt nghiệp Đại học
Lời nói đầu
Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong bộ môn vô tuyến cũng như các
thầy cô giáo trong khoa viễn thông đã có những ý kiến đóng góp và tạo điều kiện cho
em được hoàn thành tốt đồ án tốt nghiệp của mình.
Xin chân thành cảm ơn bạn bè đã giúp đỡ tôi trong thời gian vừa qua.
Xin chân thành cảm ơn !
Hà Nội, ngày 25 tháng 10 năm 2005
Sinh viên:
Đinh Thị Thái Mai
Đinh Thị Thái Mai , D01VT
xiv
Đồ án tốt nghiệp Đại học
Chương I. Tổng quan về ănten thông minh
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĂNTEN THÔNG MINH
1.1 M λ đầu
Những năm gần đây, cùng với sự phát triển không ngừng của thông tin di động,
công nghệ ănten trong hệ thống thông tin di động đang rất được quan tâm và đã có
nhiều công trình nghiên cứu nhằm đáp ứng nhu cầu về chất lượng phục vụ cho mạng di
động.
Hệ thống ănten thông minh là một trong những thành tựu quan trọng trong công
nghệ ănten với nhiều ưu điểm đã cải thiện đáng kể chất lượng, dung lượng mạng thông
tin di động.
Trong chương này, chúng ta sẽ đi tìm hiểu những nội dung cơ bản nhất của ănten
thông minh và các vấn đề liên quan.
1.2 Hệ thống ănten thông minh
1.2.1 Khái niệm
Ănten thông minh là một hệ thống dàn ănten gồm nhiều phần tử ănten có độ lợi thấp
được bố trí trong không gian theo một trật tự nhất định và kết nối với nhau thông qua
một mạch kết nối. Ănten thông minh có khả năng thay đổi đồ thị bức xạ thu hay phát
(hay nói cách khác là các búp sóng) một cách linh hoạt sao cho thích hợp với môi
trường tín hiệu trong cell di động.
Chức năng của các phần tử ănten là giám sát tín hiệu theo không gian và thời gian.
Khác với ănten thu đơn là chỉ thu cố định tín hiệu λ một vị trí không gian, ănten thông
minh có khả năng thích ứng với các chuyển động cơ học của các thiết bị vô tuyến.
Thường 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 “ănten” có ý nghĩa m λ rộng hơn: nó bao gồm một
mạng phân chia hoặc kết hợp và một đơn vị điều khiển (UC- Unit Control). Đơn vị điều
khiển thể hiện sự thông minh của ănten, nó dùng các thuật toán phức tạp để điều khiển
ănten. Thông thường UC là một bộ xử lý tín hiệu số DSP điều chỉnh các tham số của
ănten dựa vào nhiều đầu vào, để tối ưu đường truyền thông tin. Như vậy, ănten thông
minh tốt hơn nhiều so với ănten thông thường nhưng đồng thời nó cũng phức tạp hơn
rất nhiều.
Đinh Thị Thái Mai , D01VT
15
Đồ án tốt nghiệp Đại học
Chương I. Tổng quan về ănten thông minh
z
θ
y
φ
x
MÆt pha sãng ph¼ng
®Õn phÇn tö 0
Híng truyÒn sãng
ph¼ng
φ
u 0 (t )
PhÇn tö 0
u1 (t )
PhÇn tö 1
MÆt pha sãng ph¼ng
®Õn phÇn tö l
∆d =
∆ xcos
φ θ sin
ul (t )
φ
PhÇn tö l
u L −1t( )
PhÇn tö L-1
∆x
W0
T¨ng Ých biÕn
®æi vµ bé dÞch
pha
Wl
W1
WL −1
M¹ch kÕt hîp
∑
Bé thu
Hình 1.1: Dàn ănten thông minh
1.2.2 Nguyên lý hoạt động của ănten thông minh
Lúc đầu ănten chỉ đơn giản là bức xạ và nhận năng lượng như nhau theo mọi hướng.
Để truyền tín hiệu đến thuê bao, nó phát sóng đẳng hướng theo phương ngang, Khi
truyền tín hiệu như vậy thì nó không có ý thức nào về vùng lân cận thuê bao, năng
lượng tín hiệu truyền đi một cách phân tán, phần năng lượng tín hiệu truyền đến thuê
bao chỉ là một phần rất bé so với năng lượng mà ănten truyền ra môi trường xung
quanh.Do hạn chế này mà công suất tín hiệu phát phải lớn hơn đầu thu mới nhận đủ một
năng lượng tín hiệu cần thiết (SNR tại nơi thu đủ lớn). Trong trường hợp có nhiều thuê
bao đồng kênh, khi nâng công suất truyền, phần năng lượng không đến được thuê bao
mong muốn lại tr λ thành nguồn nhiễu đồng kênh cho các thuê bao khác.
ý tư λng của hệ thống ănten thông minh là đồ thị bức xạ năng lượng tại các cell
không cố định nữa mà là rất linh hoạt. Hệ thống ănten thông minh chỉ tập trung năng
lượng về phía thuê bao mong muốn mà nó đang phục vụ. Mỗi thuê bao được phục vụ b
Đinh Thị Thái Mai , D01VT
16
Đồ án tốt nghiệp Đại học
Chương I. Tổng quan về ănten thông minh
λi một đồ thị bức xạ của riêng nó. Trước đây, chỉ có trạm gốc mới có khả năng tích hợp
ănten thông minh, các thuê bao vẫn phát và nhận năng lượng một cách đẳng hướng.
Nhưng với những nghiên cứu mới đây, ănten thông minh đã được đưa vào sử dụng tại
máy cầm tay. Và đây cũng chính là một trong những nội dung mà đồ án đi vào nghiên
cứu.
1.2.3 Cấu trúc sắp xếp của các phần tử ănten
Vị trí của các phần tử ănten luôn đóng một vai trò quan trọng trong việc tạo ra chất
lượng của đồ thị bức xạ. Một đồ thị bức xạ đạt chất lượng cao trong ănten thông minh là
búp sóng chính lớn hơn rất nhiều so với các búp phụ khác và hướng về phía thuê bao
mong muốn, các nút sóng chỉ về phía các thuê bao nhiễu đồng kênh trong cell đó.
∆φ
y
∆x
y
x
(a) Giµn ®êng th¼ng
(b) Giµn h×nh trßn
x
∆y
y
∆x
x
∆z
∆y
∆x
(c) Giµn h×nh ch÷ nhËt
y
(d) Giµn h×nh lËp ph¬ng
z
x
Hình 1.2: Các loại cấu trúc ănten thông minh
Cấu trúc dàn đường thẳng : Đây là cấu trúc thông dụng nhất vì nó đơn giản, được sử
dụng khi BS được chia thành nhiều vùng phủ sóng hình quạt. Trong cấu trúc này,
khoảng cách giữa các phần tử là ∆ x. Búp sóng chính của hệ thống có thể phủ sóng
trong một hình quạt.
Cấu trúc dàn hình tròn: Các phần tử ănten tạo với tâm hệ thống một góc
∆ Φ =2π /N . Búp sóng chính của đồ thị bức xạ phủ toàn vùng ngang.
Cấu trúc dàn chữ nhật và cấu trúc dàn lập phương: Điều khiển búp sóng theo cả hai
phương dọc và ngang. Hai cấu trúc này cần thiết cho môi trường truyền sóng phức tạp
(đô thị đông đúc). Về mặt lý thuyết nếu hệ thống có L phần tử ănten, có thể tạo L-1 nút
sóng hướng về phía các thuê bao nhiễu đồng kênh trong cell.Tuy nhiên trong môi trường
đa đường thì con số này có thể nhỏ hơn.
Đinh Thị Thái Mai , D01VT
17
Đồ án tốt nghiệp Đại học
Chương I. Tổng quan về ănten thông minh
1.2.4 Các tham số dàn ănten
Dưới đây là một số các định nghĩa được sử dụng để mô tả hệ thống ănten:
Mẫu bức xạ: Mẫu bức xạ của một ănten là sự phân phối tương đối công suất bức xạ
như một hàm hướng trong không gian. Mẫu bức xạ của một ănten là kết quả của một
mẫu phần tử và hệ số dàn, hai cái này được định nghĩa bên dưới. Nếu f (θ , φ ) là mẫu
bức xạ của mỗi phần tử ănten và F (θ , φ) là hệ số dàn thì mẫu bức xạ của dàn, G (θ , φ ) ,
được gọi là mẫu búp sóng được cho b λi phương trình dưới đây:
G (θ, φ) = f (θ, φ) F (θ, φ)
(1.1)
Hình 1.3 là một ví dụ của đáp ứng phần tử ănten đã được cách điệu hoá, một hệ số
dàn của dàn ănten tuyến tính 8 phần tử với một khoảng cách giữa các ănten phần tử là
λ / 2 hướng tại 00 và mẫu bức xạ, kết quả của việc kết hợp hai thành phần trên.
Hệ số dàn: Hệ số dàn, F (θ , φ ) , là mẫu bức xạ trường xa của dàn ănten gồm các phần
tử bức xạ đẳng hướng, trong đó θ là góc phương vị và φ là góc ngẩng.
Búp sóng chính: Búp sóng chính của một mẫu bức xạ ănten là búp sóng chứa hướng
của công suất bức xạ lớn nhất.
Búp sóng phụ: Búp sóng phụ là các búp sóng không tạo thành búp sóng chính.
Chúng cho phép các tín hiệu được nhận theo các hướng khác hướng của búp sóng chính
do đó, các búp sóng này là không mong muốn nhưng không thể tránh khỏi.
Độ rộng búp sóng: Độ rộng búp sóng của một ănten là độ rộng góc của búp sóng
chính. Độ rộng búp sóng 3 dB là độ rộng góc giữa các điểm trên búp sóng chính đạt giá
trị 3 dB bên dưới đỉnh của búp sóng chính. Độ rộng búp sóng nhỏ hơn là kết quả của
một dàn có kích thước rộng hơn nghĩa là khoảng cách giữa hai phần tử xa nhất của dàn.
Hiệu suất ănten: Hiệu suất ănten là tỉ số của tổng công suất bức xạ của ănten trên
tổng công suất đầu vào ănten.
Búp sóng nhiễu xạ: Khi khoảng cách giữa các phần tử dàn ănten d > λ 2 thì xảy ra hiện
tượng lấy mẫu không gian của sóng mang tần số vô tuyến nhận được, gây ra hiện tượng
tối đa thứ cấp, được gọi là các búp sóng nhiễu xạ, xuất hiện trong mẫu bức xạ, chúng ta
có thể thấy trong hình 1.4. Hiện tượng lấy mẫu không gian dẫn đến sự không rõ ràng
trong hướng của các tín hiệu đến, điều này có nghĩa là xuất hiện những bản sao của búp
sóng chính trong những hướng không mong muốn. Hiện tượng búp sóng nhiễu xạ trong
lấy mẫu không gian tương tự với hiệu ứng gán biệt danh trong lấy mẫu thời gian. Do đó
khoảng cách d giữa các phần tử trong dàn phải được chọn nhỏ hơn hoặc bằng λ / 2 , để
tránh các búp sóng nhiễu xạ . Tuy nhiên, khoảng cách không gian giữa các phần tử lớn
Đinh Thị Thái Mai , D01VT
18
- Xem thêm -