Tài liệu Ang ten ứng dụng viễn thông

  • Số trang: 115 |
  • Loại file: PDF |
  • Lượt xem: 214 |
  • Lượt tải: 0
tranvantruong

Đã đăng 3224 tài liệu

Mô tả:

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 -