MỤC LỤC Đồ án tốt nghiệp Đại học Mục lục MỤC LỤC THUẬT NGỮ VÀ TỪ VIẾT TẮT iv DANH MỤC CÁC HÌNH viii DANH MỤC CÁC BẢNG xi LỜI NÓI ĐẦU xii CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ ĂNTEN THÔNG MINH 1 1 1 M λ đầu 1 1 2 Hệ t[.]
TỔNG QUAN VỀ ĂNTEN THÔNG MINH
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- UnitControl) Đơn vị điều khiển thể hiện sự thông minh của ănten, nó dùng các thuật
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.
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
Phần tử 1 Phần tử l Phần tử L-1
Mặt pha sóng phẳng đến phần tử 0
Mặt pha sóng phẳng đến phần tử l
T¨ng Ých biÕn đổi và bộ dịch pha x
Mạch kết hợp 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 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
Hình 1.2: Các loại cấu trúc ănten thông minh
(a) Giàn đ ờng thẳng (b) Giàn hình tròn
(c) Giàn hình chữ nhật (d) Giàn hình lập ph ơng
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
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.
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 là mẫu bức xạ của mỗi phần tử ănten và là hệ số dàn thì mẫu bức xạ của dàn, , được gọi là mẫu búp sóng được cho b λi phương trình dưới đây:
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 hướng tại 0 0 và mẫu bức xạ, kết quả của việc kết hợp hai thành phần trên.
Hệ số dàn: Hệ số dàn, , là mẫu bức xạ trường xa của dàn ănten gồm các phần tử bức xạ đẳng hướng, trong đó là góc phương vị và 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 > 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 , để tránh các búp sóng nhiễu xạ Tuy nhiên, khoảng cách không gian giữa các phần tử lớn hơn sẽ cải thiện giải pháp không gian cho dàn ănten, tức là giảm độ rộng búp sóng 3dB như trong hình 1.4, và giảm tính tương quan giữa các tín hiệu đến tại các phần tử ănten.
Hình 1.3: Hệ số dàn của dàn ănten tuyến tính với khoảng cách ănten là được định hướng tại
0 0 , đáp ứng của mỗi phần tử dàn ănten và mẫu bức xạ do kết hợp cả hai điều kiện trên.
Mô hình tín hiệu
Xét một dàn ănten gồm L thành phần ănten vô hướng đặt tại vùng xa của một nguồn điểm hình sin như λ hình 1.5 Giả thiết khoảng cách các phần tử dàn là d và mặt sóng phẳng m λ rộng trên dàn tại góc đối với pháp tuyến dàn, mặt sóng đến phần tử thứ l+1 trước khi đi đến phần tử thứ l Khi đó, khoảng cách mà mặt sóng phải đi từ phần tử thứ l+1 đến phần tử thứ l là Tuy nhiên, đối với một dàn gồm L phần tử tuỳ ý, giả thiết điểm có độ trễ bằng không, thì các độ trễ tương ứng là :
Trong đó, c là tốc độ truyền sóng, tức là tốc độ của ánh sáng, và là toạ độ x và y của phần tử thứ l đối với điểm gốc có toạ độ (0,0) Thuật ngữ cosin phụ do độ lệch y có thể có từ toạ độ x của các phần tử dàn bằng 0, và do đó bị loại bỏ, như trong hình 1.5 Tín hiệu, , được tạo ra trong phần tử thứ l do nguồn thứ i có thể được biễu diễn như sau:
Hệ số dàn Mẫu phần tử,
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
Với chỉ hàm điều chế phức Phương trình này dựa trên giả thiết băng tần hẹp đối với xử lý tín hiệu dàn, cái này giả thiết rằng băng tần của tín hiệu tương đối nhỏ, để hệ số trọng số duy trì một biến pha hằng xuyên qua tất cả các phần tử dàn ănten.
Giả thiết có M nguồn có hướng và tạp âm nền đẳng hướng, tín hiệu tổng tại phần tử thứ l là:
Khoảng cách phần tử = Khoảng cách phần tử =
Hình 1.5: Sơ đồ thu tín hiệu của dàn ănten tuyến tính không gian
Trong đó là thành phần tạp âm ngẫu nhiên trên phần tử ănten thứ l, gồm có tạp âm nền và tạp âm điện Giả thiết tạp âm trắng có bình phương trung bình bằng 0 và phương sai
Hệ số dàn được tính toán như sau:
(1.5) Trong đó là trọng số phức được áp dụng cho phần tử thứ l để điều khiển búp sóng ănten trong hướng của Giá trị lớn nhất của đạt được khi
Hình 1.6: Bộ tạo búp sóng cộng các tín hiệu phần tử ănten gán trọng số, thu được tín hiệu y(t) =
Xét sóng λ băng tần hẹp, như thấy λ hình 1.6, trong đó tín hiệu từ mỗi phần tử được nhân lên b λi một trọng số phức, , l = 1,2, , L và tính tổng để tạo nên đầu ra của dàn Đầu ra dàn, λ hình 1.6 tại thời điểm có công thức:
, (1.6) Trong đó * chỉ liên hợp phức, là tín hiệu đến từ phần tử thứ l của dàn, và là trọng số được áp dụng cho thành phần thứ l Các trọng số của bộ tạo búp sóng biễu diễn như sau:
Và các tín hiệu thực hiện trong tất cả các thành phần là:
(1.8) Đầu ra của bộ thu tạo búp sóng λ hình 1.6 tr λ thành:
Với T và H, tương ứng xác định ma trận chuyển vị và ma trận chuyển vị liên hợp phức của một vectơ hay một ma trận.
Cho R xác định ma trận tương quan L L của tín hiệu thu b λi L phần tử:
Trong đó H xác định chuyển vị Hermitian (tức là chuyển vị kết hợp với liên hợp phức).
Ma trận tương quan R có thể biễu diễn λ dạng m λ rộng như sau:
Phần tử r(0) trên đường chéo chính luôn có giá trị thực Đối với dữ liệu giá trị phức, các phần tử còn lại của R được giả thiết là có giá trị phức Ma trận tương quan của quá trình ngẫu nhiên rời rạc tĩnh là Hermitian, tức là R H = R Kết quả là r(-k)
= r * (k), với r(k) là hàm tự tương quan của quá trình ngẫu nhiên đối với độ trễ của l
Do đó, phương trình (1.11) được viết lại như sau:
Các phần tử của ma trận , R, xác định mối tương quan giữa tín hiệu đầu ra của các phần tử ănten khác nhau trong hình 1.6 Ví dụ, xác định mối tương quan
R ij hướng hay nguồn thứ i có thể được mô tả vectơ phức L hướng s i :
Trong đó, L là số phần tử của dàn ănten, và t i là trễ thời gian gây ra do sóng phẳng đến từ nguồn thứ i, đặt tại hướng , và được đo từ phần tử ban đầu, khi đó ma trận tương quan, R, của các tín hiệu đầu ra tại các phần tử dàn trong hình 1.6 có thể được biễu diễn như sau:
Trong đó, p i là công suất của nguồn thứ i, là công suất tạp âm và I là ma trận đơn vị.
Sử dụng ký hiệu ma trận, ma trận tương quan , R, có thể được biễu diễn λ dạng sau:
, (1.15) Với là ma trận hiệp biến của các đầu ra của các phần tử dàn trong hình 1.6, là ma trận L M của các vectơ diều khiển Hơn nữa, ma trận chéo được tạo thành b λi các giá trị riêng thực của R, trong khi đó U gồm các vectơ riêng chuẩn đơn vị của R.
Ưu điểm của ănten thông minh trong thông tin di động
1.4.1 Giảm trải trễ và pha đinh đa đường
Trải trễ do đường truyền đa đường gây ra, trong đó một tín hiệu đến từ các hướng khác nhau sẽ bị trễ do đi theo các khoảng cách khác nhau λ phía phát, một ănten thông minh có thể tập trung năng lượng theo hướng yêu cầu, hỗ trợ trong việc giảm phản xạ đa đường và do đó giảm trải trễ λ phía thu, dàn ănten có thể thực hiện kết hợp tối ưu sau khi bù trễ cho các tín hiệu đa đường tới dàn Những tín hiệu mà trễ không thể bù đắp có thể bị xoá bỏ do hình thành các nút sóng trong hướng của chúng.
Trạng thái hướng của một dàn ănten cũng dẫn đến hiện tượng trải phổ nhỏ hơn của các tần số Doppler tại máy di động Đối với một ănten vô hướng tại cả trạm gốc và tại máy di động, hướng góc đến λ máy di động được phân bố giống nhau Do đó phổ Doppler được cho b λi mô hình Clarke như sau:
Trong đó, là công suất trung bình được phát và là độ dịch Doppler lớn nhất, với là vận tốc của máy di động và là độ dài bước sóng mang Tuy nhiên, nếu một ănten có hướng được sử dụng tại trạm gốc thì mật độ phổ công suất được tính theo công thức:
Trong đó là hướng di chuyển của máy di động so với đường thẳng nối trạm gốc đến máy di động và là PDF của DOA các thành phần đa đường tại máy di
H ình 1.7:Minh hoạ thành phần truyền thẳng từ trạm gốc đến trạm di động cho thấy hướng di chuyển của trạm di động,
Hơn nữa, là độ rộng búp sóng của ănten có hướng gọi là ‘flat- top’ lý tư λng, có độ lợi bằng 0, ngoại trừ trải góc , trong khi đó độ lợi là 1, R là bán kính của khu vực tròn bao gồm tất cả các bộ tán xạ và D là khoảng cách riêng biệt giữa trạm gốc và máy di động Cuối cùng, và là các hằng số được sử dụng để tính toán:
Hình 1.8 đưa ra những ví dụ của phổ Doppler cho độ rộng búp sóng là 2, 10, 20 độ đối với máy di động di chuyển tại góc 0, 45, 90 so với thành phần LOS, trong đó khoảng cách trạm gốc đến máy di động là 3 km, nơi mà các bộ tán xạ được đặt
H íng di chuyÓn của trạm di động thành phần truyền thẳng
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 =
Dàn ănten cho phép sử dụng phương pháp lọc không gian, phương pháp này được áp dụng cho cả bên thu cũng như bên phát để giảm nhiễu đồng kênh Khi phát, ănten được sử dụng để tập trung năng lượng phát xạ nhằm tạo ra một búp sóng có hướng trong vùng có bộ thu Điều này có nghĩa là có ít nhiễu hơn trong các hướng khác mà búp sóng không hướng đến Nhiễu đồng kênh bên phát có thể giảm bằng cách hình thành những nút sóng trong hướng của các bộ thu khác Lược đồ này mục đích là giảm năng lượng phát trong hướng của các bộ thu đồng kênh và do đó cần những thông tin về quyền ưu tiên vị trí của chúng.
1.4.3 Tăng dung lượng hệ thống và cải thiện hiệu suất phổ
Hiệu suất phổ của một mạng liên quan đến lưu lượng mà một hệ thống cho trước
TÇn sè Doppler(Hz) TÇn sè Doppler(Hz)
(a) H íng di chuyÓn, v 0 0 (b) H íng di chuyÓn, v 45 0
(c) H íng di chuyÓn, v 90 0 TÇn sè Doppler(Hz) suất phổ Dung lượng kênh liên quan đến tốc độ dữ liệu lớn nhất mà một kênh có một độ rộng băng tần cho trước có thể duy trì được Dung lượng kênh được cải tiến sẽ dẫn đến khả năng phục vụ nhiều người sử dụng hơn với một tốc độ dữ liệu xác định, có nghĩa là hiệu suất phổ tốt hơn Chất lượng của dịch vụ, khi sử dụng ănten thông minh để giảm nhiễu đồng kênh và pha đinh đa đường, có thể bị thay đổi theo sự gia tăng số lượng của người sử dụng.
1.4.4 Tăng hiệu suất truyền dẫn
Một dàn ănten có hướng trong tự nhiên, có độ khuyếch đại cao trong hướng mà búp sóng hướng đến Tính năng này có thể được tận dụng để m λ rộng dải tần của trạm gốc, làm kích thước của cell lớn hơn hay có thể được sử dụng để giảm công suất phát của các máy di động Việc sử dụng ănten có hướng cho phép trạm gốc nhận một tín hiệu yếu hơn so với ănten vô hướng Điều này có nghĩa là máy di động có thể phát công suất thấp hơn và tuổi thọ của pin sẽ dài hơn, hay nó có thể sử dụng pin nhỏ hơn, do đó sẽ có trọng lượng và kích thước nhỏ hơn, điều này có ý nghĩa rất quan trọng đối với máy di động điều khiển bằng tay Khi đó, trạm gốc cũng giảm công suất phát và cho phép sử dụng các thành phần điện tử có chỉ tiêu công suất thấp hơn nên chi phí cũng sẽ thấp hơn.
Khi lưu lượng trong một cell tăng vượt quá dung lượng của cell đó thì việc phân tách cell thường được sử dụng để tạo ra những cell mới, mỗi một cell sẽ có một trạm gốc và một tần số cố định Việc giảm kích thước cell dẫn đến tăng số lượng chuyển giao được thực hiện Bằng cách sử dụng ănten thông minh để tăng dung lượng của cell, số lượng chuyển giao cần thiết có thể được giảm Vì mỗi búp sóng chỉ hướng đến một thuê bao, chuyển giao là không cần thiết trừ khi các búp sóng sử dụng cùng tần số giao nhau.
Tầm sóng được định nghĩa là khoảng cách lớn nhất mà người sử dụng vẫn có thể năng mà ănten thông minh có thể m λ rộng được tầm sóng là do tăng được tỷ lệ tín hiệu thu trên nhiễu Giả sử, chúng ta có L phần tử ănten và nhiễu chính giới hạn, tín hiệu kết hợp chồng pha đơn giản, đến L phần tử ănten thì sẽ thu được công suất tín hiệu tăng lên L 2 lần trong khi công suất nhiễu tăng lên chỉ có L lần
Gọi là SNR thu thấp nhất, được xác định:
Trong đó P min (d 1 ) là công suất tín hiệu thu yêu cầu so với bộ thu một phần tử tương ứng khi thu phát riêng biệt λ khoảng cách d1 và N0 là công suất nhiễu Để phân tích ưu điểm của ănten thông minh, thì trước hết biết rằng công suất tín hiệu thu là hàm của khoảng cách.
P o là công suất tại khoảng cách đa tiêu chuẩn, d là khoảng cách thu phát, n là hệ số mũ suy hao đường truyền Khi một ănten L phần tử thì SNR tối thiểu là:
Hình 1.9 : Hệ số tầm sóng theo số phần tử của ănten
Từ 1.22 và 1.24 ta lại có:
Pmin(d1)/Pmin(dL) = (d1/dL) n = L (1.25) Giải dL được:
Trên hình 1.9 thể hiện hệ số cải thiện của tầm sóng ănten bằng hàm của số phần tử ănten đối với nhiều hệ số mũ suy hao đường truyền Kết quả này cho thấy tầm sóng được m λ rộng nhiều hơn đối với môi trường có suy hao đường truyền thấp
1.4.7 Tăng diện tích vùng phủ sóng
Tổng kết
Chương này đã trình bày một cách tổng quan nhất những vấn đề cơ bản nhất về ănten thông minh bao gồm khái niệm, nguyên lý hoạt động, cấu trúc sắp xếp cũng như các tham số của dàn ănten.
Bên cạnh đó, chương cũng đã đưa ra một mô hình tín hiệu của dàn ănten gồm có
L phần tử vô hướng, từ mô hình tín hiệu này, để có thể rút ra được ma trận tương quan của một dàn ănten Ma trận này có ý nghĩa rất quan trọng trong việc xác định các trọng số dàn ănten.
Cuối cùng, chương đã đề cập đến những ưu điểm khi sử dụng dàn ănten thông minh trong thông tin di động so với khi sử dụng ănten đơn phần tử vô hướng Cụ thể những ưu điểm đó là: giảm trải trễ và phađinh đa đường, giảm nhiễu đồng kênh, tăng dung lượng hệ thống và cải thiện hiệu suất phổ, tăng hiệu suất truyền dẫn, giảm chuyển giao, m λ rộng tầm sóng, tăng diện tích vùng phủ sóng, giảm công suất phát trạm di động, cải thiện chất lượng tín hiệu, tăng tốc độ dữ liệu.
CHƯƠNG II: CÁC KỸ THUẬT TRONG ĂNTEN THÔNG MINH
Có hai lược đồ thuật toán được sử dụng để tính toán các trọng số ănten và kết hợp các tín hiệu Lược đồ thứ nhất là kết hợp phân tập, trong đó các tín hiệu ănten được kết hợp để tối đa SNR đầu ra Lược đồ thứ hai là kết hợp tương thích hay còn gọi là tạo búp sóng, trong đó các trọng số dàn ănten được điều chỉnh một cách linh động để tăng cường tín hiệu mong muốn đồng thời loại bỏ các tín hiệu nhiễu để làm tối đa tỷ số tín hiệu trên tạp âm cộng nhiễu (SINR)
Sau đây chúng ta sẽ đi nghiên cứu cụ thể từng lược đồ.
Kết hợp phân tập có mục đích chính là giảm pha đinh đa đường Tín hiệu đa đường truyền trong môi trường có pha ngẫu nhiên, do đó nhiễu tín hiệu có thể kết hợp lại và triệt tiêu nhau Khi tín hiệu kết hợp bị triệt tiêu thì công suất tín hiệu thu được rất thấp, có nghĩa là tín hiệu bị suy giảm điểm khác nhau và λ các phần tử ănten khác nhau Do đó, để thu được tín hiệu tốt thì cần giảm số phần tử ănten, và vì vậy mà tín hiệu đầu ra và nhiễu đầu vào kết hợp sẽ cho SNR tốt nhất.
Có bốn lược đồ cơ bản trong kỹ thuật kết hợp phân tập : phân tập lựa chọn, phân tập chuyển mạch, kết hợp độ lợi cân bằng và kết hợp tỷ lệ tối đa Ngoài ra còn có lược đồ kết hợp lựa chọn tổng quát hoá.
Lược đồ phân tập đơn giản nhất và được sử dụng nhiều nhất là phân tập chuyển mạch Trong lược đồ này, hệ thống sẽ chuyển mạch giữa các ănten, tức là chỉ một ănten được sử dụng trong bất cứ một khoảng thời gian nào như thấy λ hình 3.1. Tiêu chuẩn chuyển mạch dựa vào sự mất mát mức tín hiệu thu được tại ănten đang sử dụng Chuyển mạch có thể được thiết lập tại tầng tần số vô tuyến, không cần một bộ chuyển đổi đường xuống đối với mỗi ănten.
Hình 2.1 : Kết hợp phân tập chuyển mạch
2.1.2 Phân tập lựa chọn (SD)
Phân tập lựa chọn là một cải tiến của phân tập chuyển mạch, khi đó hệ thống có thể đồng thời điều khiển mức tín hiệu trên tất cả các ănten, và lựa chọn nhánh có SNR lớn nhất tại bất cứ thời điểm nào cho trước, nên cần một đầu vào RF cho mỗi một ănten trong hệ thống, như thấy λ hình 2.2.
Hình 2.2 : Kết hợp phân tập lựa chọn
Trong môi trường pha đinh Rayleigh, pha đinh tại mỗi nhánh được giả thiết là độc lập để các nhánh cách nhau một khoảng hợp lý Nếu mỗi nhánh có một SNR tức thời , thì hàm mật độ xác suất của là:
(2.1) Với là SNR trung bình tại mỗi nhánh Xác suất mà một nhánh đơn lẽ có SNR bé hơn ngưỡng nào đó là:
Do đó, xác suất mà tất cả các nhánh không có SNR lớn hơn là:
Từ điều này, hàm mật độ xác suất của cường độ pha đinh trong mối liên hệ với phân tập lựa chọn có thể đạt được :
Dẫn đến SNR trung bình, , của phân tập lựa chọn hỗ trợ các kênh phađinh Rayleigh là:
2.1.3 Phân tập kết hợp tỷ lệ tối đa (MRC)
Trong kết hợp tỷ lệ tối đa, tín hiệu của mỗi một ănten được đo b λi SNR tức thời của nó Các tín hiệu đo được sẽ kết hợp với nhau để tạo một tín hiệu đầu ra, như trong hình 2.3 Người ta cũng chỉ ra rằng kỹ thuật kết hợp tỷ lệ tối đa là tối ưu nếu các tín hiệu nhánh phân tập không tương quan với nhau và theo phân phối Rayleigh, nghĩa là tạp âm có phân bố Gausian và trung bình bằng không Nếu mỗi nhánh có một độ khuyếch đại, , đầu ra của bộ kết hợp là:
Và nếu mỗi nhánh có công suất tạp âm, , tổng công suất tạp âm tại đầu ra của bộ kết hợp là:
Do đó, SNR tại đầu ra của bộ kết hợp là :
Có thể thấy rằng lớn nhất, khi Do đó, phương trình 2.8 được viết lại là :
(2.9) Khi có phân bố chi-squared ,hàm mật độ phổ xác suất của là:
(2.10) Xác suất bé hơn ngưỡng là:
Kỳ vọng của phương trình 2.11, , là SNR trung bình tại đầu ra của bộ kết hợp:
Với là SNR trung bình tại mỗi nhánh.
Kết hợp tối ưu xử lý các tín hiệu nhận được từ một dàn ănten để giảm việc phân phối từ các tài nguyên đồng kênh không mong muốn, trong khi đó lại tăng cường sự phân phối của tín hiệu mong muốn Một trạm gốc sử dụng dàn ănten kết hợp tỷ lệ tối đa có thể điều chỉnh trọng số dàn trong suốt chu kỳ nhận, nhằm tăng cường tín hiệu đến từ một máy di động mong muốn Một hệ thống sử dụng cùng một tần số để thu và phát các tín hiệu trong các khe thời gian khác nhau, ví dụ như trong hệ thống điện thoại không dây Châu Âu số (DECT) song công phân chia theo thời gian (TDD) có thể sử dụng liên hợp phức của các trọng số này trong chu kỳ phát để xử lý lại tín hiệu phát và tín hiệu thu tại máy di động mong muốn, trong khi đó triệt tiêu
sóng trong hướng các máy di động đồng kênh Từ đó, bằng cách sử dụng liên hợp phức của các trọng số này trong suốt chu kỳ phát, mẫu ănten giống nhau có thể được tạo ra, dẫn đến không có năng lượng nào được phát hướng đến các máy di động đồng kênh.
MRC đạt được hiệu năng cao nhưng rất khó để tính toán chính xác SNR của mỗi một tín hiệu ănten.
Hình 2.3 : Kết hợp tỷ kệ tối đa.
2.1.4 Kết hợp độ lợi cân bằng (EGC)
Lược đồ kết hợp độ lợi cân bằng đơn giản là gán mỗi tín hiệu ănten một trọng số có giá trị bằng nhau Ví dụ, mỗi một tín hiệu ănten được gán trọng số là 1/L với dàn ănten có L phần tử
2.1.5 Kết hợp lựa chọn tổng quát hoá GSC (Generalized Selection Combining)
Bên cạnh các kỹ thuật kết hợp phân tập cổ điển, người ta đã đưa ra một kỹ thuật kết hợp phân tập mới, đó là kết hợp lựa chọn tổng quát hoá Thay thế cho việc chọn tất cả các nhánh như trong trường hợp kết hợp tỷ lệ tối ưu, kỹ thuật kết hợp lựa chọn tổng quát hoá (GSC) chọn m nhánh tốt nhất trong L nhánh dựa trên SNR hay độ mạnh của tín hiệu và kết hợp chúng lại với nhau GSC còn được gọi là SC/MRC lai ghép Số lượng nhánh được lựa chọn m được quyết định b λi quyền ưu tiên của GSC ban đầu, trong khi GSC thay đổi rất linh hoạt Đối với lần áp dụng sau cùng,
Tách sóng ® êng bao Đồng pha Đồng pha Đồng pha
Giải điều chế lựa chọn các nhánh có SNR lớn hơn một ngưỡng cho trước, thì được gọi là GSC ngưỡng tuyệt đối (Absolute Threshold GSC – AT-GSC) Thay vào đó, nếu việc lựa chọn các nhánh có SNR tương đối trên SNR lớn nhất trong tất cả các nhánh,
, lớn hơn một ngưỡng cho trước, thì phương pháp này được gọi là GSC ngưỡng chuẩn hoá (Normalized Threshold GSC – NT-GSC).
Chúng ta sẽ xem xét các đặc tính của ba phương pháp GSC này, GSC ban đầu,
AT-GSC, NT-GSC Giả thiết đã biết SNR tức thời của nhánh i và đối với bộ thu Rake có L phần tử.
Tạo búp sóng
Một dàn ănten sử dụng một dãy các ănten đơn, như các ănten đơn hướng, và kết hợp các tín hiệu liên quan đến các ănten này để tạo ra đầu ra của búp sóng Mỗi một ănten là một phần của dàn được gọi là các phần tử dàn Hướng có độ lợi lớn nhất điều khiển bằng cách dịch pha giữa các phần tử ănten khác nhau Pha và độ khuyếch đại của tín hiệu tạo ra trong mỗi phần tử dàn được dịch chuyển sao cho các tín hiệu từ hướng có độ lợi lớn nhất cộng pha Một dàn ănten tương thích điều chỉnh pha và độ khuyếch đại, hay gọi là các trọng số, để đạt được đầu ra mong muốn khi kết hợp các đầu ra từ các phần tử ănten Các đặc tính của dàn ănten có thể thay đổi theo thời gian để tối ưu hiệu năng của hệ thống đối với các tiêu chuẩn tối ưu hoá khác nhau Tiêu chuẩn này có thể bao gồm công suất lớn nhất, SNR lớn nhất, nhiễu nhỏ nhất và SINR lớn nhất Tuỳ vào môi trường vận hành mà ănten thay đổi thuật toán điều khiển và chỉ số hiệu năng, để cung cấp dịch vụ tốt nhất cho người sử dụng trong mạng Ví dụ, phân tập hay tạo búp sóng thông thường có thể được sử dụng để đưa ra công suất tín hiệu nhận được, trong khi đó một thuật toán điều khiển nút sóng sẽ dẫn đến nhiễu nhỏ nhất Cuối cùng, tối đa SINR tương ứng với việc kết hợp phân tập khuông gian tối ưu Đưa ra những ví dụ này và các tiêu chuẩn tối ưu hoá cơ bản để tối đa luồng thông tin tin cậy cho người sử dụng mà yêu cầu về sử dụng tài nguyên nhỏ nhất như công suất và băng tần, có thể thấy rằng việc sử dụng nhiều lược đồ khác nhau là cần thiết.
2.2.1 Ví dụ về tạo búp sóng
Xét dàn ănten như thấy λ hình 2.5, gồm hai phần tử ănten đơn hướng có khoảng cách là Tín hiệu mang không điều chế, 2 đến từ góc (rad) Tín
hiệu này có cùng tần số f Tín hiệu đến từ mỗi phần tử dàn ănten được nhân với một trọng số phức có thể thay đổi được, và các tín hiệu có trọng số này sẽ được cộng để tạo thành đầu ra của dàn Đầu ra dàn do tín hiệu mong muốn là:
Hình 2.5: Bộ thu tạo búp sóng 2 phần tử có tín hiệu mong muốn tại góc 0 0 và tín hiệu nhiễu tại 30 0 , khoảng cách giữa các phần tử là Để đầu ra y(t) là tín hiệu mong muốn s(t), phương trình sau phải thõa mãn:
Tín hiệu nhiễu đến tại phần tử dàn ănten thứ hai với độ lệch pha là so với phần tử thứ nhất, vì khoảng cách giữa chúng là và góc tới là 30 0 Do vậy đầu ra dàn do tín hiệu nhiễu là:
(2.16) Để phương trình trên bằng 0 chúng ta cần:
(2.17) Giải đồng thời phương trình 2.15 và 2.17, ta có :
Mẫu búp sóng đạt được sử dụng những trọng số này được cho λ hình 2.6 Tín hiệu mong muốn tại 0 0 bị suy giảm khoảng 3 dB Ví dụ này đã cho thấy có thể tạo búp sóng và xoá bỏ những nhiễu không mong muốn
2.2.2 Các loại tạo búp sóng
2.2.2.1 Tạo búp sóng tương tự
Một dàn ănten có một số lượng các phần tử ănten, thông qua một mạng điều khiển pha và biên độ, tín hiệu đầu ra của nó được kết hợp để hình thành búp sóng ănten mong muốn Có thể tạo búp sóng tương tự tại tầng RF, sử dụng bộ dịch pha và bộ khuyếch đại, tuy nhiên, sẽ tốn nhiều chi phí Một giải pháp thay thế đó là chuyển đổi tín hiệu RF thành tín hiệu trung tần và thực hiện tạo búp sóng tại tầng
IF Bất lợi của kỹ thuật này là mỗi ănten phải có một bộ thu biến đổi RF thành IF. Nhiều bộ tạo búp sóng phải được sử dụng để hình thành đa búp sóng, làm năng lượng tín hiệu bị phân phối dọc theo các búp sóng được tạo thành Nên SNR đầu ra giảm, khi năng lượng tín hiệu của búp sóng nhỏ hơn kết hợp với tạp âm tăng do số lượng các tầng IF và RF tăng.
Nguyên lý của tạo búp sóng số tương tự với nguyên lý của tạo búp sóng tương tự, trong đó cả hai cách này đều dịch pha và biên độ của tín hiệu đến từ mỗi phần tử ănten, nhưng chúng sử dụng các kỹ thuật khác nhau để đạt được cùng một mục
2 0.5 j0.5 thông tin cao hơn Tín hiệu RF nhận được tại mỗi phần tử hoặc được số hoá tại RF hoặc chuyển đổi thành tín hiệu IF rồi mới số hoá sử dụng bộ chuyển đổi tương tự – số(ADC) Các tín hiệu số băng tần gốc biễu diễn pha và biên độ của các tín hiệu nhận được tại mỗi phần tử của dàn Việc xử lý tạo búp sóng sẽ tiến hành đo trọng số các tín hiệu số này, sau đó điều chỉnh pha và biên độ của chúng để khi cộng lại sẽ hình thành búp sóng mong muốn Các bộ thu được sử dụng trong hệ thống tạo búp sóng số không cần phải tương thích một cách chặt chẽ về pha và biên độ như trong hệ thống tương tự, vì tiến trình định cỡ có thể thực hiện bằng phần mềm điều khiển, và bất cứ một sự khác biệt nào cũng có thể loại bỏ bằng cách điều chỉnh trọng số một cách thích hợp.
2.2.2.3 Tạo búp sóng không gian phần tử
Quá trình tạo búp sóng được gọi là tạo búp sóng phần tử không gian, trong đó các tín hiệu dữ liệu số hoá, x l , l = 1,…, L, thu được từ các phần tử dàn được nhân trực tiếp b λi một tập các trọng số, , l = 1, …, L, để tạo búp sóng tại góc mong muốn, Bằng cách nhân các tín hiệu dữ liệu nhận được, x 1 ,…,x L , với các tập trọng số khác nhau, , trong đó l = 1, …, L,và k = 1, …, K, thì có thể tạo các búp sóng có thể điều khiển theo bất cứ hướng nào, , trong đó k = 1, …, K Rõ ràng hơn, bằng cách nhân tín hiệu nhận được tại mỗi phần tử ănten với một trọng số cho trước có giá trị phức, trọng số này có thể khác nhau đối với mỗi phần tử ănten, thì tín hiệu mong muốn có thể khôi phục lại Mỗi một bộ tạo búp sóng sẽ tạo ra một búp sóng độc lập, tại một góc, , để nhận một tín hiệu di động
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 0.5 j0.5 Tín hiệu mong muốn tại 0 0 , nhiễu tại 30 0 , trong khi đó SNR = 9.0 dB và INR = 9.0 dB tuỳ ý, bằng cách áp dụng những trọng số độc lập, , l = 1, …, L, k= 1,…., K, cho các tín hiệu dàn, ta có:
(2.19) Trong đó là đầu ra của bộ tạo búp sóng trong hướng của nguồn k, k = 1,
…., K, được đặt tại góc , x l (t) là tín hiệu mẫu từ phần tử ănten dàn thứ l, và , l
= 1, …., L biễu diễn các trọng số để định dạng một búp sóng tại góc Phương trình này tương tự với phương trình 1.6, ngoại trừ việc bổ sung thêm mũ k, k = 1,
…, K, xác định búp sóng thứ k.
Hình 2.7 biễu diễn một bộ tạo búp sóng phần tử không gian với L phần tử ănten, có khả năng tạo ra K búp sóng độc lập để nhận K tín hiệu di động Mỗi một búp
k song strong K búp sóng này có thể loại bỏ các nguồn nhiễu một cách độc lập và trong khi đó nhận được tín hiệu mong muốn.
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
2.2.2.4 Tạo búp sóng không gian – búp sóng
Ngược với phương pháp tạo búp sóng không gian - phần tử, trong đó tín hiệu đến từ mỗi một thành phần trong L phần tử được gán trọng số và cộng để tạo ra đầu ra mong muốn, kỹ thuật không gian búp sóng tạo ra các búp sóng cố định, sử dụng một mạng tạo búp sóng cố định trực giao không gian Khi đó, đầu ra của mỗi một búp sóng có trọng số và các tín hiệu tổng hợp được kết hợp để tạo ra tín hiệu đầu ra mong muốn Tín hiệu từ các búp sóng không có đáp ứng mong muốn, có thể được sử dụng để loại bỏ các nhiễu không xác định.
Giả thiết các đầu ra từ mỗi một phần tử ănten là có trọng số ngang nhau và có một độ trễ pha đồng nhất, đáp ứng của dàn, hệ số dàn trong phương trình
1.5, được tạo ra b λi một mặt sóng phẳng đến dàn ănten từ hướng ,so với pháp tuyến dàn ănten, được cho b λi :
Trong đó L = (2N+1) là số phần tử trong dàn, là góc điện, d là khoảng cách giữa các phần tử và là hằng số được gọi là hệ số pha đồng nhất. Thay vào phương trình 2.20 ta có:
Với và c là vận tốc lan truyền của tín hiệu thu Phương trình này tương ứng với phương trình 1.5.
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
Khi , chúng ta có Cộng các chuỗi số nhân trong phương trình 2.20 sẽ có:
Tổng kết
Như vậy trong chương này, chúng ta đi sâu vào phân tích các thuật toán được ứng dụng trong ănten thông minh, bao gồm kết hợp phân tập và kết hợp tương thích
Trong kết hợp phân tập, chương đã đi vào nghiên cứu các thuật toán đặc trưng nhất đó là phân tập chuyển mạch, phân tập lựa chọn, phân tập kết hợp tỷ lệ tối đa, kết hợp độ lợi cân bằng, kết hợp lựa chọn tổng quát hoá, đồng thời cũng đã đưa ra sự so sánh mang tính chất tổng quan nhất giữa các thuật toán này.
Trong kết hợp tương thích hay còn gọi là tạo búp sóng tương thích, chương đã đưa ra một ví dụ nhằm giúp người đọc ban đầu có thể hiểu được tạo búp sóng có nghĩa là gì và cách tiến hành như thế nào, cũng như phân loại cách tạo búp sóng. Quan trọng hơn cả là các thuật toán tạo búp sóng tương thích tham chiếu theo thời
0 ) (n y nhất, bình phương trung bình nhỏ nhất chuẩn hóa, nghịch đảo ma trận mẫu, bình phương tối thiểu đệ quy Kỹ thuật than chiếu không gian được trình bày trong phương diện định cỡ ănten Cuối cùng là thuật toán khối hằng được giới thiệu với những ưu điểm hơn hẳn so với kỹ thuật tham chiếu thời gian và không gian. Đây là những cơ s λ để chúng ta có thể tiếp tục nghiên cứu trong những chương sắp tới.
ỨNG DỤNG ĂNTEN THÔNG MINH TẠI MÁY CẦM TAY
Ănten thông minh tại máy cầm tay
Do tính phức tạp của hệ thống cao và tiêu thụ công suất lớn, nên cho đến nay kỹ thuật ănten chủ yếu được xét λ trạm gốc Tuy nhiên gần đây ănten đã và đang được áp dụng cho các đầu cuối di động.
Hệ thống tốc độ dữ liệu cao (HDR) (được sử dụng trong IS-856 và được gọi là 1xEV DO) được QUALCOM phát triển sử dụng ănten kép tại trạm di động Mỗi một tín hiệu ănten được đưa đến các bộ thu Rake của nó để kết hợp các tín hiệu từ các đường truyền khác nhau như thấy trong hình 3.1 Khi đó, kết hợp phân tập tỷ lệ lớn nhất được sử dụng để kết hợp hai tín hiệu của bộ thu Rake Lưu lượng trung bình cho người sử dụng cố định outdoor khoảng 750 kbps với một ănten và 1.05 Mbps với ănten kép Lưu lượng trung bình cho người sử dụng di động khoảng 500 kbps với một ănten và khoảng 900 kbps với ănten kép.
Hình 3.1: Hệ thống ănten kép cho HDR
Hệ thống ănten kép cho các máy cầm tay cũng được áp dụng cho hệ thống điện thoại không dây số của Châu Âu (DECT) đối với kênh vô tuyến indoor Hình 3.2
Rake finger §Çu ra MRC kết quả của sự kết hợp cân bằng của tín hiệu đến từ ănten và tín hiệu được dịch pha đến từ ănten còn lại Người ta đã chứng minh rằng công suất phát của hệ thống ănten kép được giảm xuống 9 dB tại độ phủ 99% cho tốc độ đi bộ thông thường (khoảng 5 km/h) khi so sánh với hệ thống ănten đơn.
Wong và Cox đã giới thiệu một hệ thống ănten kép có thể được áp dụng cho các thiết bị cầm tay cũng như trạm gốc Cộng các tín hiệu từ hai ănten với các trọng số thích hợp λ dạng số phức sẽ loại bỏ nhiễu trội và do đó tăng SINR Để tính toán các trọng số ănten, một kỹ thuật tối ưu hoá SIR được đưa ra Không giống với hai phương
Hình 3.2 : Bộ cầm tay ănten thông minh cho hệ thống DECT pháp λ trên, việc cộng và đo trọng số tín hiệu được thực hiện tại tần số vô tuyến thay cho mức tín hiệu băng tần cơ s λ Vì vậy, giảm độ phức tạp của bộ kết hợp phân tập do chỉ cần một bộ xử lý băng tần cơ s λ Các kết quả mô phỏng máy tính cho thấy phương pháp này đã cải thiện SIR nhiều hơn 3.8 dB khi so sánh với hệ thống phân tập lựa chọn hai ănten truyền thống.
Bộ dịch pha biến đổi EGC Bộ thu
Bộ dịch pha EGC biến đổi §Çu ra
Một đặc điểm chủ yếu của hệ thống tổ ong 3G là tốc độ dữ liệu cao Đối với tốc độ dữ liệu cao, cần một hệ số trải phổ nhỏ hơn và BER thấp hơn Do đó, cần một công suất phát cao hơn tại trạm gốc, điều này làm tăng nhiễu đối với cell Bằng cách sử dụng kỹ thuật ănten thông minh đối với máy cầm tay, SINR thu được tại máy cầm tay có thể được cải thiện Do đó, trạm gốc phát công suất bé hơn đối với máy cầm tay ănten thông minh so với máy cầm tay có một ănten.
Hình 3.3 cho thấy hiệu năng BER của hệ thống một ănten và một hệ thống ănten thông minh Như thấy λ trên hình, ưu điểm của một hệ thống ănten thông minh so với hệ thống ănten đơn có thể được tận dụng theo hai cách: giảm SINR hay tăng BER Ưu điểm này làm tăng dung lượng và vùng phủ sóng khi BER hay chất lượng của dịch vụ (QoS) là cố định Trong khi đó ưu điểm này cải thiện QoS khi dung lượng được duy trì Ănten thông minh tại máy cầm tay có thể được áp dụng cho bất cứ một hệ thống thông tin cá nhân vô tuyến nào như hệ thống đa truy cập phân chia theo mã (FDMA), đa truy cập phân chia theo thời gian (TDMA), và đa truy cập phân chia theo mã (CDMA) Hệ thống FDMA hay TDMA có thể tăng dung lượng chỉ khi tất cả các máy cầm tay trong cell được trang bị b λi một ănten thông minh.
Lý do là nhân tố gây giới hạn dung lượng đối với hệ thống TDMA và FDMA là hệ số tái sử dụng tần số Ngược lại, việc sử dụng một phần máy cầm tay có ănten thông minh vẫn có thể làm tăng dung lượng của hệ thống đối với hệ thống CDMA, vìCDMA là một hệ thống giới hạn nhiễu Trong trường hợp này, độ lợi tăng dung lượng phụ thuộc vào phần trăm các máy cầm tay sử dụng ănten thông minh.
Hình 3.3: Hệ thống ănten thông minh so với hệ thống một ănten.
Hệ thống truyền thông vô tuyến thế hệ 3
Công nghệ CDMA sẽ phát triển mạnh mẽ trong hệ thống truyền thông vô tuyến cá nhân Có hai hệ thống CDMA băng rộng được đưa ra theo các chuẩn thế hệ thứ 3 (3G), các chuẩn này đáp ứng các yêu cầu của Viễn thông di động quốc tế (IMT)-
2000 Liên đoàn viễn thông quốc tế (ITU) Chuẩn thứ nhất là hệ thống CDMA băng rộng (WCDMA), thường gọi là Đề án hiệp hội thế hệ 3 (3GPP), được sử dụng tại Châu Âu và Nhật Hệ thống 3GPP được thiết kế để tương thích với hệ thống toàn cầu cho hệ thống thông tin di động (GSM), GSM là chuẩn TDMA thế hệ hai được sử dụng λ Châu Âu Chuẩn thứ hai là hệ thống cdma2000 do Hội công nghiệp Viễn Thông đề xuất (TIA) Hệ thống cdma2000 phát triển từ IS-95, là chuẩn CDMA thế hệ hai được sử dụng λ Nam Mỹ và Hàn Quốc Đối với hệ thống 3GPP, có hai phương pháp trong công nghệ truy cập vô tuyến: phương pháp ghép song công theo thời gian (TDD) và ghép song công theo tần số (FDD) Hệ thống 3GPP với phương pháp FDD là một hệ thống CDMA, nhưng hệ thống 3GPP với phương pháp TDD là hệ thống kết hợp giữa CDMA và TDMA Trong đồ án này,chúng ta chỉ xét hệ thống 3GPP với phương pháp FDD.
Hệ thống ănten thông minh
Cả hai hệ thống 3GPP và cdma2000 đều dựa trên CDMA Tuy nhiên, chúng khác nhau về tốc độ chip, mã trải phổ, sữa lỗi đường xuống và một số các yếu tố khác Điểm khác nhau nổi bật nhất của 3GPP và cdma 2000 là sự đồng bộ hoá đối với cdma2000, tất cả các trạm gốc đều được đồng bộ hoá, tức là đồng hồ hệ thống của trạm gốc phải đồng bộ với đồng hồ hệ thống λ vị trí toàn cầu (GPS) Vì vậy, cdma2000 được gọi là hệ thống đồng bộ Trong khi đó, các đồng hồ hệ thống sử dụng trong các trạm gốc 3GPP không nhất thiết phải đồng bộ Do đó, 3GPP được gọi là hệ thống không đồng bộ Cả cdma2000 và 3GPP đều có một tín hiệu hoa tiêu chung cho đường xuống từ trạm gốc đến trạm di động Tín hiệu hoa tiêu được sử dụng để ước tính điều kiện kênh, bao gồm độ mạnh của tín hiệu và pha Thông tin này được sử dụng để kết hợp các tín hiệu đa đường.
Sơ đồ khối bộ phát đường xuống của hệ thống 3GPP được thể hiện trong hình 3.4 Mỗi một bit của các kênh vật lý (PCH) được điều chế theo phương pháp khóa dịch pha toàn phương (QPSK) Các bit Q(toàn phương) và các bit I (pha) được phân kênh bằng cách nhân với các mã hệ số trải phổ biến đổi trực giao tại tốc độ chip là 3.84 Mcps Tất cả các tín hiệu được phân kênh đầu tiên sẽ kết hợp với nhau và sau đó được ngẫu nhiên hoá b λi một mã dài phức, mã này được tạo ra từ tập mã Gold. Tín hiệu được ngẫu nhiên hoá và không ngẫu nhiên hoá của kênh đồng bộ được kết hợp với nhau Tín hiệu kết hợp có dạng dạng xung khi qua bộ lọc FIR cosin root – raise với hệ số tương tác là ỏ = 0.22 Tín hiệu sau khi được sửa dạng xung sẽ được phát qua kênh vô tuyến
Thực hay vô h ớng Phức hay vectơ
Trong đó , và là các tham số biễu diễn độ mạnh tín hiệu, dữ liệu người sử dụng và mã OVSF của người sử dụng thứ k ( k = 1,2,…,K) S dl (t) là mã ngẫu nhiên của tín hiệu s(t) Chú ý rằng, phần tử đầu tiên trong (3.1) là cho kênh hoa tiêu chung, trong đó d 0 (t) biễu diễn cho ký tự hoa tiêu cố định (1+i) trong định dạng QPSK( i xác định khối ảo).
Tín hiệu thu được r(t) tại bộ thu trạm di động được biễu diễn như sau:
(3.2) Trong đó M là số lượng đa đường, S m là công suất tín hiệu nhận được trung bình của đường thứ m, là độ lợi kênh phức của thành phần đa đường thứ m với trễ thời gian là , I(t) là nhiễu từ các cell lân cận, và n(t) là nhiễu nền Bộ thu Rake giải trải phổ tín hiệu đa đường và kết các tín hiệu này lại Việc kết hợp các tín hiệu đa đường đòi hỏi mỗi một tín hiệu đa đường phải được nhân với hệ số kênh được ước tính từ tín hiệu CPICH giải trải phổ.
Tín hiệu hoa tiêu (k = 0) đối với đa đường thứ m được giải trải phổ như sau:
Với Tp là thời gian ký hiệu hoa tiêu, n là chỉ số ký tự, và * là liên hợp phức Tín hiệu người sử dụng thứ k (k = 1,2, ,K) của tín hiệu đa đường thứ m được giải trải phổ theo cách giống như trong 3.3 và được biễu diễn như sau:
Trong đó, Tk là thời gian ký tự dữ liệu của người sử dụng thứ k.
Khi đó, tín hiệu của người sử dụng từ các đường khác nhau được kết hợp coherent để tạo ra một tín hiệu đầu ra như sau:
Trong đó L là số các rake finger ( bằng hoặc nhỏ hơn số lượng đa đường M). Cần chú ý rằng nếu hệ số trải phổ của tín hiệu người sử dụng thứ k là SFk nhỏ hơn hệ số trải phổ của tín hiệu hoa tiêu SFk, thì tín hiệu hoa tiêu y 0,m (n) được sử dụng để đạt được đầu ra tín hiệu người sử dụng liên tiếp
Hình 3.5 biễu diễn một sơ đồ khối của đường xuống điển hình của hệ thống cdma2000 Một khung bit dữ liệu người sử dụng được tạo ra ngẫu nhiên với tốc độ dữ liệu lưu lượng là một trong các giá trị sau: 9600bps, 4800 bps, 2700 bps, hoặc
1500 bps Các bit dữ liệu tạo ra được gán với CRC và các bit đuôi Các bit dữ liệu được mã hoá xoắn với tốc độ 1/4 và độ dài giới hạn là 9 và đan xen khối Do đó, các bit dữ liệu được song song với điều chế QPSK, và mỗi một bit song song được trải phổ bằng mã Walsh với hệ số trải phổ là 64 và tốc độ chip là 1.2288 Mcps Các tín hiệu dữ liệu kết quả được cộng với tín hiệu hoa tiêu, tín hiệu dò tìm, tín hiệu đồng bộ và tất cả các tín hiệu của người sử dụng khác Tín hiệu sau khi được cộng sẽ được điều chế toàn phương b λi hai chuỗi PN ngắn và lấy mẫu b λi 8, sau đó được đưa đến các bộ lọc dạng xung Tín hiệu sau khi đã điều chỉnh dạng xung được phát trên kênh.
Tín hiệu thu được sẽ được định dạng lại xung và lấy mẫu xuống b λi 8 Một bộ thu rake có 4 phần tử giải trải phổ các tín hiệu đa đường và kết hợp các tín hiệu đã được giải trải phổ đó Tín hiệu được giải trải phổ và kết hợp được đưa đến bộ giải
Hình 3.5 : Đường xuống của cdma2000
Các lược đồ kết hợp
Chúng ta giới thiệu một hệ thống ăntenkép được tích hợp vào máy cầm tay được sử dụng trong hệ thống truyền thông cá nhân vô tuyến trong đó khoảng cách giữa hai ănten là 1/4 bước sóng (3.5 cm) Để nghiên cứu các kết quả hiệu năng của việc sử dụng máy cầm tay có hai ănten, các lược đồ phân tập khác nhau được sử dụng
Một bộ kết hợp phân tập kết hợp các tín hiệu ănten sử dụng lược đồ phân tập kết hợp λ đây chúng ta xét ba lược đồ kết hợp phân tập : phân tập lựa chọn (SD), kết hợp độ lợi cân bằng (EGC), và kết hợp tỷ lệ lớn nhất (MRC) Lược đồ SD lựa chọn tín hiệu có công suất cao hơn EGC chỉ cộng hai tín hiệu có trọng số bằng nhau và bằng 0.5 Lược đồ MRC đo các mức tín hiệu và cộng chúng lại theo công thức
, trong đó a và b là đầu ra của hai bộ thu rake hoặc đầu ra của hai rake finger.
Tạo dữ liệu M hoá kênh ã ngẫu Trải phổ tín hiệu hoa tiêu, tìm gọi, đồng bộ và các tín hiệu l u l ợng khác §iÒu chÕ
Bé thu Rake Giải m kênh ã ngẫu §iÒu chÕ
Tạo khung dữ liệu cơ sở
- CRC và các bit đuôi
- Chuyển đổi, mã ngẫu hãa (R= 1/4,K=9 )
- Điều chế dữ liệu QPSK
- Điều chế trải phổ toàn ph ơng
- Hai mã ngẫu PN ngắn
- CRC và các bit đuôi
- Kết hợp tỷ lệ tối đa
- TÇn sè sãng mang : 2.0 GHz
- Có 6 tín hiệu đa đ ờng a a b b Để xử lý các tín hiệu ănten kép, có hai mức lược đồ kết hợp được xem xét Mức lược đồ thứ nhất là kết hợp phân tập mức Rake trong đó bộ kết hợp phân tập kết hợp các tín hiệu đầu ra của máy thu rake Mức thứ hai là kết hợp phân tập mức rake finger trong đó bộ kết hợp kết hợp các đầu ra của từng rake finger Hai lược đồ này được biễu diễn trong hình 3.6 Để đơn giản, chỉ có ba phần tử được mô tả trong hình Cần chú ý là tất cả các tín hiệu bộ phận đều đã được gán trọng số trước đó (theo thông tin về pha và cường độ của tín hiệu hao tiêu) trước khi bộ kết hợp phân tập kết hợp các tín hiệu đầu ra bộ phận.
(a) kết hợp phân tập mức Rake
(b) Kết hợp phân tập mức bộ phận Hình 3.6: Kết hợp phân tập
Bộ kết hợp ph©n tËp
Tín hiệu ®Çu ra r (t) 2 r (t) 1 r (t) 2 r (t) 1 Tín hiệu ®Çu ra
MRC Để kết hợp mỗi một tín hiệu đa đường từ hai ănten, một lược đồ kết hợp tương thích dựa trên thuật toán N-LMS như giới thiệu trong chương 2 được sử dụng, trong đó các trọng số ănten đạt được theo đệ quy để làm tối thiểu lỗi bình phương trung bình Hệ thống ănten kép với bộ kết hợp tương thích (AC) được biễu diễn trong hình 3.7
Hình 3.7: Kết hợp tương thích
Thủ tục để đạt được các trọng số ănten được giải thích bên dưới Một trọng số ănten mới của tín hiệu đa đường thứ m trên ănten thứ j được tính toán như sau:
Trong đó, là trọng số ănten hiện tại, là tín hiệu hoa tiêu giải trải phổ của đa đường thứ m trên ănten thứ j, μ là kích thước bậc trong khoảng 0 < μ 60 km/h) Đây lại là một lý do nữa để chúng ta đi đến HC.
Hình 4.15: Hiệu năng của DC và AC với các vận tốc di chuyển khác nhau Để nghiên cứu sự thay đổi hiệu năng do tương quan đường bao, chúng ta mô phongt các tương quan đường bao khác nhau, các kết quả mô phỏng được giới thiệu trong 4.16, với các vận tốc di chuyển cố định là 60 km/h Tương quan đường bao thay đổi với một lượng là 0.3 từ 0.05 đến 0.95 Trong hình, đồ thị trên cùng là BER cảu hệ thống ăten đơn, và các đường còn lại là BER của hệ thống ănten kép với các động tốt hơn khi tương quan đường bao thấp Tuy nhiên, thật thú vị khi biết rằng
AC hoạt động tốt hơn với tương quan đường bao lớn hơn Hiệu tượng này càng rõ ràng khi SINR cao.
Hình 4.16: Hiệu năng của DC và AC với các tương quan đường bao khác nhau.
Hiệu năng của DC và AC với các tương quan đường bao khác nhau chủ yếu giống nhau như trong hình 4.17(b), trong đó tương quan đường bao là 0.5 sự khác nhau duy nhất λ đây đó là điểm giao nhau (tại điểm này AC và DC có cùng BER) giữa DC và AC dịch sang phải / trái khi tương quan đường bao tăng hau giảm. trong mô phỏng Để điều tra ảnh hư λng của số các tín hiệu gây nhiễu từ một trạm gốc lân cận, chúng ta thya đổi số lượng các tín hiệu nhiễu từ hai lên bốn và sáu trong mô phỏng của chúng ta Tổng công suất nhiễu vẫn được giữ nghuên trong thí nghiệm, điều này sẽ cho SINR như nhau với tất cả các đầu ra của Rake Chúng ta quan sát xu hướng giống nhau trong hiệu năng (tương tự như trong hình 4.17 (b)). Tuy nhiên, có thể thấy là khi tăng số lượng tín hiệu gây nhiễu thì hiệu năng của mỗi một lược đồ giảm một cách đáng kể.
Cuối cùng, chúng ta nghiên cứu các dạng kênh đạt được từ mô hình đường tròn GBSB Các kết quả mô phỏng với mô hình đường tròn GBSb giống như các kết quả mô phỏng trong môhình elip GBSB chỉ có một điểm khác biệt đó là SINR của đầu ra Rake (Nằm trên trục x của hình) trong mô hình đường tròn GBSB thấp hơn, đặc biệt khi có thêm một số lượng nhỏ nhiễu từ một cell lân cận.
4.3.3 Hiệu năng của HC đối với mô hình GBSB
Như có thể thấy trong phần trước, DC và AC có những điểm ngược nhau về SINR, vận tốc di chuyển và tương quan đường bao Do đó, HC có mục đích là tận dụng những ưu điểm của hai lược đồ kết hợp này.