Đồ án tham khảo về anten mimo với băng thông siêu rộng

Tài liệu này sẽ cho bạn cái nhìn tổng quát về anten mimo băng thông siêu rông

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HÒA XÃ HÔI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

-NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ và tên sinh viên: ……….………….…… Số hiệu sinh viên: ………

Khoá:……….Khoa: Điện tử - Viễn thông Ngành: ………

1. Đầu đề đồ án: ………

………

………

2. Các số liệu và dữ liệu ban đầu: ……… ……… ……

………

……….… ………

…………

3. Nội dung các phần thuyết minh và tính toán: ………

……… …

………

……… …

………

………

Các bản vẽ, đồ thị ( ghi rõ các loại và kích thước bản vẽ ): ………

……… …

………

……… ……….………

4. Họ tên giảng viên hướng dẫn :……… …

5. Ngày giao nhiệm vụ đồ án: ……….………

6. Ngày hoàn thành đồ án: ……… …

Ngày tháng năm

Sinh viên đã hoàn thành và nộp đồ án tốt nghiệp ngày tháng năm

Cán bộ phản biện

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ và tên sinh viên: Số hiệu sinh viên:

Ngành: Khoá:

Giảng viên hướng dẫn:

Cán bộ phản biện: .

1. Nội dung thiết kế tốt nghiệp:

2. Nhận xét của cán bộ phản biện:

Ngày tháng năm

Cán bộ phản biện

( Ký, ghi rõ họ và tên )

Lời nói đầu

Trong truyền thông nói chung thì có hai vấn đề cần phải quan tâm đó là: tốc độ

dữ liệu và độ tin cậy truyền tin Với truyền thông không dây thì hai vấn đề này làquan trọng hơn cả và mọi thiết kế đều phải dựa trên hai thông số này làm sao chotốc độ dữ liệu ngày càng tăng và độ tin cậy ngày càng cao Trong truyền thôngkhông dây thì có hai hiện tượng gây trở ngại cho hệ thống của chúng ta đó là:Fading và giao thoa giữa các ký hiệu Do đó, để nâng cao tốc độ truyền dữ liệu thìcần phải có băng thông lớn nhưng điều này bị hạn chế vì dải tần số là một tàinguyên khan hiếm Đồng thời, muốn chất lượng tín hiệu được cải thiện và giảm ảnhhưởng của phading thì máy phát phải đạt được công suất đủ lớn hoặc tăng kíchthước anten để duy trì hiệu suất bức xạ; tuy nhiên, đối với những thiết bị di độngcầm tay như điện thoại di động, máy tính xách tay có kích thước nhỏ gọn thì khôngthể áp dụng phương pháp này được Hiện nay, hệ thống anten sử dụng nhiều phần

tử bức xạ ở cả phía phát và phía thu hay còn gọi là kĩ thuật đa đầu vào đa đầu ra(MIMO) đã được ứng dụng trong kĩ thuật anten Nó đem lại nhiều ưu thế về chấtlượng truyền tín hiệu cũng như tốc độ truyền tải dữ liệu Kĩ thuật MIMO ra đờinhằm mục đích khắc phục những nhược điểm trên trong hệ thống thông tin vôtuyến

Băng thông rộng không còn là một điều mới mẻ trong thông tin di động nữa,

mà nó trở thành một đặc điểm thiết yếu trong rất nhiều ứng dụng khác nhau, ví dụnhư: truyền hình chất lượng cao, truyền hình di động, Internet băng thông rộng,game trực tuyến, giải trí đa phương tiện hay giao tiếp giữa các thiết bị trong khoảngcách ngắn Một giải pháp được đưa ra là sử dụng các thiết bị hoạt động ở một dảitần siêu rộng từ 3.1Ghz đến 10.6Ghz, gọi là dải tần siêu rộng (UWB) Đây là dải tầnkhông phải đăng kí và đã có các tiêu chuẩn để xây dựng một hệ thống UWB hoànchỉnh Tuy nhiên nhu cầu con người không ngừng gia tăng và trong tương laikhông xa khi băng tần của hệ thống UWB không còn phù hợp nữa thì công nghệmới phải ra đời Khi đó, công nghệ Extremely Wide-band (EWB) sẽ là hướng đi

mới phù hợp với tiến trình phát triển của thời đại Công nghệ này với dải tần hoạtđộng cực kỳ rộng từ vài GHz đến vài chục GHz sẽ được áp dụng cho những thiết bịđầu cuối vô tuyến đa băng tần Với dải tần bao trùm toàn bộ băng tần của các hệthống như: WLAN, WiMAX, UWB… thì anten EWB hoàn toàn có thể được sửdụng để hoạt động trong nhiều băng tần với nhiều hệ thống khác nhau.

Cùng với đó việc thiết kế anten EWB cho hệ thống MIMO sẽ gặp nhiều tháchthức và trở ngại Vấn đề đầu tiên đặt ra là kích thước của anten phải nhỏ gọn đạtđược yêu cầu của các nhà sản xuất thiết bị di động khi tích hợp vào sản phẩm của

họ Hơn nữa, trong hệ thống nhiều phần tử bức xạ, ảnh hưởng tưỡng hỗ giữa chúng

là đáng kể, hiện tượng này cần phải được giảm thiểu để nâng cao độ ổn định và hiệusuất bức xạ của hệ thống Anten vi dải là một loại anten có nhiều ưu điểm thỏa mãnđược các yêu cầu đặt ra ở trên: nhỏ gọn, có thể tích hợp được trên nhiều bề mặtkhác nhau, dễ chế tạo, rẻ tiền Vì vậy, nhiệm vụ đặt ra là thiết kế anten vi dải ứngdụng trong hệ thống đa đầu vào đa đầu ra băng thông siêu rộng

Trong quá trình thực hiện đồ án, tôi đã nhận được rất nhiều các sự giúp đỡ từcác thầy cô trong viện Điện tử Viễn Thông, đặc biệt phải kể đến sự tận tâm, nhiệt

tình của Th S xxxx, Bộ môn Hệ Thống Viễn Thông, viện Điện Tử Viễn Thông, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, giảng viên trực tiếp chịu trách nhiệm hướng dẫn

đồ án tốt nghiệp Tôi xin gửi lời cảm ơn đến thầy và các thầy cô trong viện Điện tửViễn Thông

Qua đây, tôi xin cảm ơn thầy giáo PGS TS xxx, Bộ môn Hệ Thống Viễn

Thông, viện Điện Tử Viễn Thông, người đã giúp đỡ tôi trong việc định hướng vàcác cơ sở vật chất để hoàn thành đồ án Tôi cũng xin cảm ơn tất cả các bạn trongphòng thí nghiệm nghiên cứu và phát triển truyền thông CRD, tầng 6 thư viện TạQuang Bửu – Đại học Bách Khoa Hà Nội, đã góp ý và chia sẻ kinh nghiệm với tôitrong hơn một năm qua

Tóm tắt đồ án

Khi kĩ thuật đa đầu vào đa đầu ra (MIMO) được ứng dụng cho anten băngthông siêu rộng, nó đem lại cho hệ thống khả năng truyền tải một khối lượng dữliệu lớn hơn mặc dù không có sự mở rộng về băng thông Tuy nhiên, việc thiết kế

hệ thống này gặp phải nhiều khó khăn trong việc giảm ảnh hưởng tương hỗ giữa cácphần tử bức xạ mà tác động của nó tới chất lượng tín hiệu là đáng kể

Mục đích của đồ án này là nghiên cứu và thiết kế mô hình anten vi dải làm việc

ở dải tần siêu rộng từ xấp xỉ 2.7Ghz đến 20Ghz Đồng thời kết hợp với kĩ thuậtMIMO, tính toán, đánh giá và tìm cách giảm thiểu tác dụng tương hỗ giữa các anten

để từ đó có thể chế tạo thử nghiệm Trên thực tế, tôi đã tiến hành thiết kế thànhcông mô hình cho mức độ tương hỗ giữa các anten thành phần thỏa mãn yêu cầu đặt

ra, trong đó, các thông số truyền đạt, đồ thị bức xạ phương hướng và đặc biệt làkích thước hệ thống đã được tối ưu Trong mô hình tôi đề xuất, hệ hai anten nằmtrên cùng một đế bán dẫn và ở cũng một mặt Với hai phiến bức xạ kim loại đượccấu tạo bởi những đường gấp khúc hoạt động như một cấu trúc biến đổi đều có tácdụng làm tăng băng thông mà băng thông của anten MIMO hoạt động ở dải tần sốrất rộng từ 2,7 GHz đến 20 GHz Để giảm tác động tương hỗ giữa các phần tử antenđơn thì cấu trúc hai stub được thêm vào giữa hai phiến bức xạ Cuối cùng, nhờ vàokích thước nhỏ, anten được đề xuất có thể tích hợp vào các thiết bị di động cầmtay

The aim of this project is a method of designing and simulating an antennamodel which operates at the extremely wide band of frequency from 2.7 Ghz to 20Ghz after finishing the process In addition, by futher development with Multi inputMulti output, the antenna system with much higher effeciency will be offered Thecaculation, analysis, estimation of the system can be difficult because of the effect

of mutual coupling between antenna elements After reseaching deeper of antennafield, I did success of producing a model which has a low mutual coupling, lowreturn loss, omnidirectional radiation partern and the optimum dimensions of thesystem In the proposed system, MIMO model is constructed by placing two singleantennas side by side With the radiation patchs is structured by broken lines forproducing a gradually variant structure to increase bandwidth, the designed antennasatisfies the voltage standing wave ratio (VSWR) requirement of less than 2.0 in anextremely wide frequency band ranging from 2.7 GHz to 20 GHz To reduce mutualcoupling to be used in diversity antenna environment, two stubs are added betweentwo patches And then, this antenna can be intergrated in lots of handheld devicesbecause of its compact dimensions

Mục lục

Danh sách các hình vẽ

Danh sách các bảng biểu

Bảng danh sách các từ viết tắt và đối

chiếu thuật ngữ Anh Việt

CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mãCOFDM Coded OFDM OFDM mã hóa

DFT Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc

DSSS Direct Sequence Spreading

GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu

GSM Global System for Mobile

MB-UWB Multi Band-UWB UWB đa băng

NB Narrow Band Băng hẹp

OFDM Orthogonal Frequency Division

Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo tần

số trực giaoPSD Power Spectrum Density Mật độ phổ công suất

UWB Ultra Wide Band Băng thông siêu rộng

WLAN Wireless Local Area Network Mạng cục bộ không dây

WPAN Wireless Personnal Area Network Mạng không dây cá nhân

MIMO Multi-input multi-output Hệ thống nhiều đầu vào nhiều

đầu raSNR Signal to Noise Ratio Tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm

LOS Light of sight Tầm nhìn thẳng

CCI Co-channel interference Nhiễu đồng kênh

ISI Inter-Symbol Interference Nhiễu xuyên tín hiệu

TDMA Time division multiple access Đa truy nhập phân chia theo

thời gianFDMA Frequency division multiple

STC Space –time codes Mã không gian thời gian

STBC Space-time Block codes Mã khối không gian thời gianSTTC Space-time trellis codes Mã lưới không gian thời gianLSTC Layered Space- time codes Mã không gian thời gian theo

lớp

ML Maximum likelyhood Decoding Bộ giải mã giống nhau lớn nhất.MRC Maximum Ratio Combiner Bộ tố hợp tỷ số lớn nhất

PSK Phase shift keying Khóa dịch pha

BLAST Bell labs layered space – time Mã không gian theo lớp được

đề xuất của BellH-Blast Horizontal blast Mã blast ngang

V- Blast Vertical blast Mã Blast dọc

SC Scanning and Selection combiner Bộ tổ hợp quét và lựa chọnEGC Equal Gain Combiner Bộ tổ hợp cùng độ lợi

AOA Angles of Arival Góc đến

DOA Angles of Departure Góc tới

FDTC Finite Difference Time Domain Phương pháp miền thời gian vi

sai hữu hạnDFT Discrete Fourier Transform Biến đổi furie rời rạc

FFT Fast Fourier Transform Biến đổi Furie nhanhEBG Electromagnetic band gap

Phần mở đầu

Trong thập kỉ qua, chúng ta đã chứng kiến sự phát triển vượt bậc và khôngngừng tiến tới của công nghệ truyền thông Các thiết bị ngày càng được cải tiếnnâng cấp tiến dần tới sự hoàn thiện về thiết kế, tính năng cũng như tốc độ xử lý tínhiệu Do đó việc giao tiếp giữa các thiết bị là một điều kiện không thể thiếu trongmột hệ thống đòi hỏi tính ứng dụng cao và mềm dẻo trong nhiều hoàn cảnh khácnhau Hãy hình dung rằng chiếc máy tính để bàn của bạn hoàn toàn không dây, tất

cả các thành phần của nó liên lạc với nhau bằng công nghệ không giây tốc độ caohay bạn chỉ cần một vài giây để tải một bộ phim lên đến vài Gbs xuống thiết bị cầmtay như điện thoại di động…

Công nghệ UWB ra đời nhằm thỏa mãn những yêu cầu như vậy Thêm vào đó,với sự kết hợp của nền tảng MIMO, hệ thống MIMO UWB đem lại cho công nghệtruyền thông những ứng dụng mang tính đột phá về tốc độ Nhưng trong tương laikhông xa khi mà các ứng dụng không dây đòi hỏi tốc độ truyền lớn hơn, băng thôngcũng đòi hỏi cao hơn thì hiển nhiên yêu cầu mới về công nghệ sẽ được đạt ra vàcông nghệ Extremely Wide-band (EWB) với dải tần hoạt động lớn hơn rất nhiều sẽđáp ứng được những nhu cầu trên Theo đó, anten là một yếu tố vô cùng quan trọngtrong một hệ thống hoàn chỉnh, nó là thiết bị chung gian chuyển đổi tín hiệu điệnthành sóng điện từ mang thông tin lan truyền trong không gian và ngược lại Vậy,bài toàn đặt ra là thiết kế một hệ thống anten MIMO EWB thỏa mãn được nhữngyêu cầu kĩ thuật theo các tiêu chuẩn chung cùng với việc giảm kích thước để hệthống này có thể được tích hợp trên các thiết bị di động nhỏ gọn

Trong phạm vi đồ án này, tôi trình bày làm 4 chương:

Ở chương I sẽ giới thiệu chung về hiện trạng công nghệ hiện nay, động lực pháttriển, hướng đi mới trong tương lai và kết quả mong muốn đạt được trong thiết kếanten cho công nghệ băng thông siêu rộng

Đến chương II, những kiến thức tổng quan về công nghệ băng thông siêu rộng

và hệ thống đa đầu vào đa đầu ra (MIMO) sẽ được trình bày

Những lý thyết, kiến thức về phương trình Maxwell, điều kiện biên và phầnmềm mô phỏng HFSS được đề cập đến ở chương III

Cuối cùng, mô hình các anten được đề xuất để phân tích và thiết kế, cũng nhưcác kết quả mô phỏng, đo đạc sẽ được trình bày chi tiết trong chương IV

Chương 1 Giới thiệu

1.1 Hiện trạng của bài toán

Trước khi đi sâu nghiên cứu thiết kế một mô hình hệ thống anten MIMO EWBhoàn chỉnh, ta hãy điểm qua một số các sự kiện trên thế giới về ứng dụng của côngnghệ băng thông siêu rộng (UWB), để thấy được rằng, công nghệ băng thông siêurộng có ý nghĩa to lớn thế nào đối với công nghệ truyền thông

Với tốc độ phá vỡ kỉ lục so với tất cả các công nghệ truyền dẫn không dâykhác, UWB được gán cho một biệt danh thật ấn tượng “Gigabit over the Air” Vàngày nay, ta thấy rằng, công nghệ HD và 3D cho ra đời những sản phẩm giải trítuyệt vời, nhưng nhược điểm của chúng là dung lượng lưu trữ quá lớn Để có thểtruyền tải được khối dữ liệu này giữa các thiết bị trong môi trường wireless vớikhoảng cách gần thì cần phải có một giải pháp cân bằng giữa tốc độ, độ ổn địnhcũng như tính tin cậy Câu trả lời chính là công nghệ UWB, chắc chắn giải pháp này

sẽ mở ra một tương lại hứa hẹn như việc tải bộ phim có độ phân giải cao chỉ trongtích tắc cho các giao diện kết nối đa phương tiện ở phạm vi hẹp Việc ứng dụng nótrên các thiết bị di động có tính năng giải trí đang ngày càng trở nên phổ biến

Để công nghệ UWB được phổ biến và ứng dụng trong các thiết bị điện tử côngnghiệp, các nhà nghiên cứu khoa học, hiệp hội, tổ chức điện tử, tin học trên thế giới

đã tổ chức rất nhiều các cuộc hội thảo, hội nghị để đưa ra chuẩn quốc tế cho côngnghệ này Mọi thứ được khởi động bởi tuyên bố của FCC vào ngày 14 tháng 2 năm

2002 lần đầu tiên đưa ra tiêu chuẩn cho công nghệ UWB mặc dù trước đó nó đãđược ứng dụng nhưng chủ yếu là trong lĩnh vực quân sự

Ủy ban châu Âu cuối cùng cũng đưa ra chi tiết các thông tin cấp phép cho việcthiết kế mạng UWB ở châu Âu, truyền dẫn dữ liệu băng thông siêu rộng được thiếtlập và sử dụng thay thế cho mạng cáp cho phép các file lớn được truyền trongkhoảng cách ngắn với tốc độ chuẩn là 480 Mbps

Tiếp đó vào năm tháng 9 năm 2005, UWB được đưa vào bản báo cáo và đềnghị của hiệp hội viễn thông quốc tế ITU-R sau những cân nhắc kĩ càng Với những

sự kiện này các nhà phát triển hi vọng sẽ sớm đưa UWB vào ứng dụng thực tế trêntoàn thế giới không chỉ dừng chân tại châu Âu Tháng 8 năm 2007, tổ chức ủyquyền cạnh trạnh và quản lý viễn thông độc lập Ofcom ở Anh cũng có những tuyên

bố tương tự

Hình 1 1 Các ứng dụng của công nghệ UWB

Đã có rất nhiều các thiết bị điện tử ứng dụng công nghệ UWB theo chuẩn củaFCC, đa số là radar, hệ thống xác định vị trí và hình ảnh Để bắt kịp với công nghệ,các nhà sản xuất và cung cấp các thiết bị điện tử như Ericsson, IBM, Nokia,Toshiba đã đưa cộng nghệ này vào sản phẩm của họ hoặc kết hợp với công nghệkhông dây khác (Bluetooth) tạo nên giải pháp đẩy mạnh tốc độ tiếp thị cho các thiết

bị băng thông siêu rộng mà không phải tốn tiền đầu tư phát triển các sản phẩm cócông nghệ cũ

Có thể thấy được rằng, công nghệ băng thông siêu rộng đang có được sự quan

phải được xem xét kĩ lưỡng bởi một số vấn đề sau đây: phạm vi phủ sóng rất hạnchế, trong khoảng cách dưới 10m, tốc độ rất ấn tượng nhưng khi vượt quá khoảngcách này thì tín hiệu truyền đến thiết bị giảm sút đáng kể Chính vì vậy, UWB đượcứng dụng chủ yếu trong mạng cá nhân (Personal Arial Network), hệ thống giải trígia đình (Home Multimedia)

UWB có thể thay thế được công nghệ bluetooth hay hồng ngoại nhưng khôngthể thay thế được Wifi và Wimax Đồng thời, cũng chính vì những mạng truyền dẫnkhông dây trước đó đã ra đời và quá phổ biến, các công nghệ băng hẹp này trùngphổ với công nghệ băng thông siêu rộng nên việc thiết kế hệ thống và đặc biệt làanten thu phát sóng UWB phải đảm bảo khi hoạt động không gây can nhiễu lên tần

số làm việc của các thiết bị khác

Cuối cùng để đảm bảo chất lượng tín hiệu ổn định, do tín hiệu UWB khôngđược điều chế mà trực tiếp bức xạ qua anten, nên cần có những công nghệ kháccủng cố độ ổn định làm việc của hệ thống Trong đó, MIMO là một trong những kĩthuật anten đã được kết hợp với công nghệ UWB tạo nên một hệ thống hoàn chỉnhđưa mạng truyền dẫn không dây cá nhân lên một đỉnh cao mới Ta có thể tự tin đầu

tư, nghiên cứu phát triển về hệ thống anten này do nó có những động lực phát triểnmạnh mẽ

1.2 Động lực phát triển

- Các chỉ tiêu kĩ thuật, mô hình hệ thống đã được các tổ chức trên thế giới đúckết, cái tiến đưa ra một cách đầy đủ các tiêu chuẩn Chúng ta sẽ đề cập đến các tiêuchuẩn này trong những chương sau của đồ án

- Các giao diện, thiết bị đã và đang được hỗ trợ bởi các nhà sản xuất côngnghiệp điện tử

- Việc nghiên cứu sâu hơn có thể mở ra nhiều hướng phát triển cũng như tháchthức mới, trong đó, khả năng kết hợp các công nghệ với nhau được các nhà nghiêncứu quan tâm nhất Sự kết hợp giữa MIMO và UWB là một trong những hướng điđem lại một bước tiến đang kể

- Chí phí đầu tư không lớn nhưng hiệu quả đem lại rất đáng kể Có thể lấy mộttrong những hướng phát triển của công nghệ này làm ví dụ: hệ thống anten thiết kếcho các thiết bị di động cầm tay rất nhỏ gọn và được chế tạo bởi những vật liệu rẻtiền nhưng có nhiều sự cải tiến vượt bậc về mặt tốc độ so với các công nghệ khácnhư bluetooth hay hồng ngoại, việc thay thế cho các công nghệ cũ này chỉ là vấn đềthời gian

Ngày nay, khi nhu cầu sử dụng những ứng dụng truyền thông không dây tốc độcao, băng thông rộng không ngừng ra tăng thì có thể khẳng định rằng trong tươnglai những công nghệ hiện nay sẽ không đủ để đáp ứng Giải pháp đặt ra là: khi côngnghệ không còn đáp ứng được đủ những nhu cầu trên của con người thì công nghệbăng thông rộng hơn phải được hình thành Và công nghệ EWB sẽ là hướng đi chotương lai khi mà dải tần của cực rộng của nó (có thể lên đến hàng chục GHz) hoàntoàn bao trùm dải tần hoạt động của các hệ thống khác như: WLAN, WiMAX…trong đó có cả hệ thống UWB thì nhiều ứng dụng không dây tốc độ cao đều có thểđược đáp ứng Công nghệ này sẽ được ứng dụng với các thiết bị đầu cuối đa băngtần Tuy nhiên, với từng ứng dụng cụ thể để không gẫy nhiễu giữa các hệ thống vớinhau khi chúng cùng hoạt động thì yêu cầu thiết kế anten trong công nghệ này làphải loại bỏ một số băng tần không mong muốn của hệ thống khác khi được ứngdụng trong các hệ thống khác nhau

1.4 Kết quả mong đợi

Đồ án này hướng tới phát triển, nghiên cứu, thiết kế một hệ thống anten hoànchỉnh ứng dụng cho công nghệ MIMO EWB Khi đó chỉ tiêu thiết kế sẽ là: thiết kếanten MIMO hoạt động tốt ở dải tần siêu rộng, đồng thời phải giảm tác động tương

hỗ giữa các phần tử riêng lẻ của anten

Quá trình thiết kế sẽ gặp nhiều trở ngại trước tiên là việc lựa chọn loại antenphù hợp nhất đáp ứng được những yêu cầu như giá thành rẻ, dễ chế tạo, băng thôngrộng, tính tích hợp cao cho các thiết bị di động Sau đó là giai đoạn áp dụng một số

đẳng hướng, band rejecting…và cuối cùng là ghép các anten để trở thành một hệthống hoàn chỉnh trong khi vẫn đảm bảo các thông số anten thay đổi trong điều kiệncho phép.

Sau đây chúng ta sẽ đi sâu tìm hiểu chi tiết hơn về mặt lý thuyết của công nghệEWB và MIMO, từ đó tạo nên hướng thiết kế cho hệ thống anten

Chương 2 Công nghệ băng thông siêu rộng và hệ thống

đa đầu vào đa đầu ra

2.1 Công nghệ băng thông siêu rộng Ultra Wideband

Ultra Wideband hay còn được gọi là công nghệ băng thông siêu rộng bao gồmnhiều tiêu chuẩn để xây dựng nên một hệ thống giao tiếp không dây hoạt động ởbăng tần siêu rộng không cần đăng kí 3.1Ghz – 10.6Ghz

2.1.1 Lịch sử công nghệ băng thông siêu rộng

Ngay từ những năm sáu mươi của thế kỉ trước, công nghệ băng thông siêu rộng

đã được áp dụng cho các Rada quân sự để dò tìm và định vị Một thời gian dài sau

đó, công nghệ này vẫn được nghiên cứu nhưng các kết quả nghiên cứu không đượccông bố và chủ yếu các nghiên cứu này áp dụng trong quân sự

Năm 1994 dự án nghiên cứu chính thức đầu tiên về công nghệ băng thông siêurộng (UWB) được triển khai nhưng cũng không được công bố

Tháng 2 năm 2002, Hội đồng truyền thông liên bang Mỹ (FCC – FederalCommunications Commission ) cấp phép cho công nghệ băng thông siêu rộng,chính thức ra đời “UWB technique”

Tháng 11 năm 2002, IEEE (Intitute of Electrical and Electronics Engineers) đưa

ra chuẩn 802.15.3a và đề xuất các bộ chuyển đổi vật lý cho 802.15.3 dựa trên côngnghệ băng thông siêu rộng

Những năm đầu thế kỷ 21, tồn tại độc lập nhiều kỹ thuật xử lý tín hiệu băngthông rộng như : trải phổ chuỗi trực tiếp (Direct sequency-DR), xử lý tín hiệu đa

băng (multiband - MB), ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM), ….Tháng 7 năm 2003, IEEE 802.15.3a đề xuất hợp nhất 2 kĩ thuật : DS-UWB và MB-OFDM, nhằm đưa ra một kỹ thuật xử lý tín hiệu duy nhất cho chuẩn 802.15.3 kếthừa các ưu điểm của các kỹ thuật đã có.

Tháng 5, 2004 : IEEE đưa ra chuẩn 802.15.4a cho các ứng dụng tốc độ thấp tiêutốn cực ít năng lượng cũng dựa trên công nghệ băng thông cực rộng

Tháng 8 năm 2004 : FCC chấp thuận cho các hệ thống sử dụng công nghệ băngthông siêu rộng đứng độc lập, không phụ thuộc vào các công nghệ khác cũng sửdụng băng thông siêu rộng

Từ đây, công nghệ băng thông siêu rộng trở thành một công nghệ mới hứa hẹnnhiều tiềm năng cho các ứng dụng không dây và nó còn phát triển theo nhiều hướngkhác nhau

2.1.2 Đặc điểm chính của công nghệ băng thông siêu rộng

Băng thông siêu rộng về căn bản khác so với các công nghệ không dây bănghẹp và trải phổ như công nghệ Bluetooth và 802.11a/b/g/n UWB sử dụng một băngcực kỳ rộng của phổ tần số để truyền dữ liệu Do đó, UWB có khả năng truyền tảinhiều dữ liệu hơn đối với một chu kỳ thời gian so với các công nghệ truyền thống.Tốc độ truyền dữ liệu qua đường truyền vô tuyến là tỷ lệ thuận với băng thôngcủa kênh và phụ thuộc theo hàm loga với tỷ số tín hiệu trên nhiễu (Định luậnShannon) Nhưng độ rộng băng thông của kênh vô tuyến được ấn định trước, cácnhà thiết kế khó có thể thay đổi thông số này trong các hệ thống vô tuyến và cácứng dụng Công nghệ Bluetooth, Wi-Fi, điện thoại không dây, một số thiết bị khác

sử dụng các băng tần không đăng ký ở 900MHz, 2,4GHz và 5,1 GHz Mỗi kênh vôtuyến bắt buộc chiếm giữ chỉ một dải tần hẹp so với công nghệ UWB UWB là cách

sử dụng phổ tần số mới duy nhất

SS – spread Spectrum : trải phổ

NB – Narrowband : Băng hẹp UWB – Ultra WideBand : băng thông cực rộng

Hình 2 1 Tổng quan công nghệ băng thông siêu rộng

Dải tần số sử dụng rộng 7,5 GHz, từ 3,1GHz đến 10,6GHz Mỗi kênh chiếm độrộng băng tần hơn 500 MHz, độ rộng băng tần của kênh phụ thuộc vào tần số trungtâm Để cho phép băng tần tín hiệu rộng, FCC yêu cầu rất khắt khe cho việc hạn chếcông suất phát Bởi thế, các thiết bị công nghệ băng thông siêu rộng có thể làm việc

ở dải tần cực rộng trong khi năng lượng phát ra không đủ lớn như các thiết bị sửdụng công nghệ băng hẹp ở gần như 802.11a/b/g/n Đây là sự chia sẻ phổ tần số chophép thiết bị đạt được tốc độ truyền dữ liệu rất cao nhưng chúng phải đặt ở gầnnhau Sự giới hạn nghiêm ngặt về công suất có nghĩa là bản thân chúng phải cócông suất tiêu thụ thấp Vì đòi hỏi công suất thấp, đó là lợi thế để triển khai côngnghệ UWB với chi phí thấp Với các đặc tính công suất thấp, giá rẻ, tốc độ dữ liệucao ở khoảng cách giới hạn, công nghệ UWB có thể triển khai cho các hệ thống tôc

độ cao WPAN.

Công nghệ băng thông siêu rộng cho phép sử dụng lại tần số Các nhóm thiết bịtương tự nhau có thể sử dung chung kênh vô tuyến Do hạn chế về khoảng cách, ởcác vị trí khác nhau có thể dùng chung tần băng tần

UWB vượt trội so với các công nghệ khác chính nhờ sự ưu việt trong xử lý tínhiệu UWB sử dụng kỹ thuật điều chế xung nhiều băng và kỹ thuật điều chế đa sóngmang nhiều băng Tín hiệu xung trong UWB có chu kỳ nhỏ, cỡ ns UWB chọn lọn

các ưu điểm của các kỹ thuật xử lý tín hiệu băng rộng trước nó như : MB-OFDM,DS,… tạo thành các kỹ thuật MB_UWB, TH-UWB, MB-OFDM,…

Hình 2 2 Mặt nạ phổ công suất cho UWB trong nhà

Hình 2 3 Mặt nạ phổ công suất cho UWB ngoài trời

Hình 2 4 Phân chia dải tần trong UWB

2.1.3 So sánh các công nghệ truyền thông wireless đã có

Hình 2 5 So sánh về khoảng cách tương tác và tốc độ truyền dữ liệu

Công nghệ băng thông siêu rộng là một công nghệ không dây mới, có nhiều ưuđiểm so với các công nghệ không dây đang tồn tại Trong phần này, ta chỉ đưa ra sosánh những thông số cơ bản nhất của các công nghệ không dây : khoảng cách tươngtác, năng lượng bức xạ đẳng hướng, tốc độ truyền dữ liệu

So sánh về khoảng cách tương tác và tốc độ truyền dữ liệu : so sánh với cáccông nghệ không dây cùng khoảng cách tương tác, công nghệ băng thông siêu rộngvượt trội về về tốc độ truyền dữ liệu Như Blucetooth là công nghệ không dây bănghẹp có khoảng cách tương tác ngắn, hoạt động ở dải tần 2.4GHz đến 2.483 GHz,nhưng tốc độ truyền dữ liệu chỉ đạt 1Mb/s là lớn nhất Vì thế công nghệ UWB rađời sẽ là thế hệ tiếp theo của Bluetooth Một số công nghệ khác đang tồn tại trongcác chuẩn công nghệ cao 802.11a,b,g có khoảng cách tương tác lớn nhưng lại hạnchế về tốc độ truyền dữ liệu

Bảng 2.1 biểu diễn các tham số của công nghệ UWB tương ứng với các chuẩntruyền thông quốc tế khác với chuẩn truyền thông UWB

Hình 2 6 So sánh về độ rộng băng tần và mật độ phổ công suất

16 QAMCông suất

phát (max) 10mW 100mW 1W 1W < 0.56mW

2.1.4 Các ứng dụng của công nghệ UWB

Dựa vào đặc điểm của công nghệ UWB nguời ta có thể đưa ra nhiều ứng dụngcho hệ thống UWB Tuy nhiên, nổi bật nhất bao gồm có hai loại ứng dụng cơ bản.2.1.4.1 Ứng dụng về radar

Nhờ phổ tần rất rộng, các tín hiệu UWB có thể dễ dàng xuyên qua các vật cảnkhác nhau Với tính năng của radar mới được tạo ra bởi cộng thêm UWB, thị trườngradar sẽ phát triển đột ngột và radar sẽ được sử dụng trong những vùng mà hiện tạikhông thể tưởng tượng nổi Một vài ứng dụng chính của radar UWB là có thể có tácđộng mạnh của các cảm biến tự động, cảm biến tránh xung đột, túi khí thông minh,sáng kiến thông minh trên đường cao tốc, cảm biến an ninh cá nhân, đo đạc chínhxác và khả năng nhìn xuyên tường

Ngày nay, khả năng dò chuyển động xuyên tường là có thực Các thiết bị gửihàng triệu xung UWB trên một giây, tạo ra một tín hiệu mà trong bất cứ trường hợpnào đều có thể đâm xuyên qua hầu hết các vật thể trong tòa nhà, bao gồm tường bêtông, khối bê tông, thạch cao, gạch, gỗ, nhựa, đá lát và sợi thủy tinh Kết quả làmang lại rất nhiều chức năng dò tìm với nhiều sự hữu ích mới Thiết bị radar nàynhắm tới mục tiêu quân sự và hỗ trợ các đội làm nhiệm vụ bí mật Đặc tính này giúpcho các radar xuyên lòng đất dựa trên UWB là thiết bị rất hữu ích cho các đội cứunạn để phát hiện những người sống sót bị chôn vùi trong các đống đổ nát khi thảmhọa xảy ra Trong lĩnh vực thương mại, các hệ thống radar như vậy có thể được sửdụng trong xây dựng để định vị ống dẫn, đinh vít và cả dây điện Công nghệ tương

tự dưới những quy tắc khác có thể được sử dụng cho các mục đích xử lý hình ảnhtrong y tế như hệ thống giám sát tim từ xa Thêm nữa, radar UWB có thể được sửdụng trong công nghiệp tự động hóa cho hệ thống tránh va chạm Hơn thế nữa, vớicông suất truyền dẫn thấp của các xung UWB nó trở thành sự lựa chọn lý tưởng chotruyền thông trong quân sự (cần phải che dấu) Các xung UWB rất khó bị phát hiệncũng như bị biên dịch vì thế đối phương sẽ không thể truy cập vào các thông tinquân sự tối quan trọng Mặt khác, các thiết bị UWB có mạch bộ thu phát đơn giản

hơn bộ thu phát băng hẹp, chúng có thể được chế tạo với kích thước nhỏ và giá rẻhơn của các hệ thống băng hẹp.

2.1.4.2 Ứng dụng về truyền thông tốc độ cao

Với băng tần rộng để hoạt động, các ứng dụng sẽ tiếp tục phát triển và chiếmhết băng tần với nhiều nhu cầu nảy sinh Các ứng dụng đầu tiên của UWB sẽ xoayquanh nhu cầu của thị trường hiện tại cho đường truyền dữ liệu tốc độ cao Các giảipháp UWB sẽ đáp ứng hoàn toàn các nhu cầu và ứng dụng bởi băng tần rộng sẵn cócủa UWB Đặc biệt, các ứng dụng đa truyền thông phân tập cao, như là ứng dụngstreaming trong các điểm bán hàng trả tiền ngay như sân bay, trung tâm mua sắmhoặc khu vực đông dân cư, sẽ yêu cầu băng tần mà hiện nay không có khả năng như

là các công nghệ băng hẹp sóng liên tục Việc tải xuống các bộ phim, clip là một ví

dụ về ứng dụng tôc độ dữ liệu rất cao có thể được thực hiện bởi UWB

Các công nghệ truyền thông UWB khoảng cách ngắn cũng dần xóa bỏ côngnghệ truyền dẫn bluetooth Các máy tính có thể kết nối với điện thoại nhờ cóđường truyền UWB thay vì bluetooth, hồng ngoại Các USB UWB cũng hoàn toàn

áp đảo về những đặc điểm vượt trội hơn so với USB bluetooth Các ứng dụng UWB

có thể trình bày như trên hình vẽ số 2.7

2.1.4.3 Một số anten đã được ứng dụng trên thực tế để thiết kết anten UWB

Trên thực tế, đã có rất nhiều những nghiên cứu và thiết kế anten dùng trong hệthống thong tin băng thông siêu rộng Đã có nhiều loại anten được dùng để thiết kếcho hệ thống UWB, sau đây là một vài loại anten UWB đã được ứng dụng nhiều

trong thực tế(tham khảo tài liệu: UWB theory and application của tác giả Ian Oppermann, Matti Hamalainen and Jari Iinatti):

Hình 2 7 Các ứng dụng point to multipoint của UWB

 Anten đơn cực và anten lưỡng cực (Dipole and monopole)

 Anten khung (Loop antenna)

 Anten dãy (Array antenna)

 Anten loa bề mặt gấp (Folder horn antenna)

 Anten phát xạ xung (Impulse Radiating Antenna)

 Anten vi dải (Microstrip antenna)

Trong đồ án này, tôi đã sử dụng anten vi dải để thiết kế hệ anten MIMO cho

hệ thống bởi vì anten vi dải có những đặc điểm sau:

BẢNG 2 2 CÁC ĐẶC ĐIỂM YÊU CẦU ĐỐI VỚI ANTEN UWB CỦA THIẾT

BỊ DI ĐỘNG

Độ rộng băng tần 3.1Ghz – 10.6Ghz

Hiệu suất bức xạ Cao > 70%

Pha Gần tuyến tính, trễ nhóm không đổi

Đồ thị bức xạ Đẳng hướng

Hệ số định hướng Thấp

- Giá thành sản xuất thấp, dễ dàng tiến hành sản xuất hàng loạt.

- Có thể được làm mỏng, thích hợp cho các thiết bị di động

- Các anten vi dải này có thể được trang bị dễ dàng trên tên lửa, vệ tinh màkhông cần những sự điều chỉnh nhiều

- Các anten vi dải này có vùng tán xạ nhỏ

- Các phân cực thẳng và phân cực tròn có thể đạt bằng một thay đổi đơn giản

- Đường feed line và mạng phối hợp được sản xuất đồng thời với cấu trúccủa anten

Bên cạnh những ưu điểm như trên thì các anten vi dải cũng có một vài nhượcđiểm như sau:

- Băng thông hẹp

- Suy hao, do đó làm cho sự khuếch đại thấp hơn một chút.

- Tất cả các anten vi dải đều bức xạ trên một nửa mặt phẳng

- Các giới hạn thực tế của sự khuếch đại lớn nhất

- Hiệu xuất bức xạ endfire thấp

2.2 Khái niệm và mô hình hệ thống MIMO

2.2.1 Định nghĩa và đặc điểm

Trong thông tin vô thuyến, MIMO là việc sử dụng nhiều anten ở cả bộ phát và

bộ thu để nâng cao chất lượng truyền tin Đây là một trong những dạng của côngnghệ anten thông minh

Hệ thống MIMO là một hệ thống mà máy phát và máy thu đếu sử dụng nhiều anten Anten máy phát và anten ở máy thu đều cách nhau ở một khoảng cách nhất định

Trong mô hình MIMO, ta giả sử rằng:

- Các symbol được truyền từ anten từ những khoảng thời gian cho trước

Hình 2 8 Hệ thống MIMO

- Máy thu thu ở các khe thời gian là sự tổng hợp của các tín hiệu được truyền và thành phần AWGN

là các hệ số kênh truyền giữa anten phát thứ và anten thu thứ

- Mối quan hệ đầu ra và đầu vào của hệ thống anten có thể được viết nhưsau:

hay

(2.2)với gọi là ma trận kênh

2.2.2 Những hạn chế của kênh truyền không dây

Việc truyền tín hiệu RF giữa hai anten sẽ chịu sự tổn thất năng lượng trongkhông gian Điều này làm giảm đáng kể đến sự hoạt động của đường truyền Sự tổnthất năng lượng giữa máy phát và máy thu là kết quả của ba hiện tượng khác nhau:

- Sự suy giảm phụ thuộc vào khoảng cách gọi là tổn hao đường truyền hay

- Sự hấp thụ của các phân tử khí quyển trái đất.

- Sự suy giảm do hiện tượng phađing gây ra

- Sự hấp thụ của khí quyển là do các electron, phân tử hơi nước khôngngưng và phân tử của các loại khí

- Tổn hao đường truyền là sự suy giảm về mặt lý thuyết Sự tổn hao nàyxảy ra dưới điều kiện LOS tự do và tổn hao này tăng theo máy phát vàmáy thu

Phađing là sự suy giảm biến thiên giữa max và min một cách không đều đặn.Khi thiết bị đầu cuối di chuyển qua một khu vực nào có nhiều chướng ngại vật, cókích thước khác nhau, ví dụ: đồi, núi, toà nhà, hầm … Những chướng ngại vật này

sẽ che phủ hay cắt hoàn toàn tín hiệu Mặc dù kết quả của hiệu ứng này phụ thuộcvào kích cỡ của vật chắn và khoảng cách đến nó Do vậy, cường độ của tín hiệu thuđược biến thiên một cách tất yếu Loại phađing này gọi là shadow phađing Cáchkhắc phục là đặt các trạm BS cao và gần nhau thì ta có thể tránh được các vật cảntrong khi truyền dẫn

Ngoài ra còn có các loại phading khác như: Rayleigh phađing, multipathphađing, shortterm phađing Đây cũng là các loại khác của hiện tượng phađing gây

ra sự suy giảm của cường độ tín hiệu thu được

Rayleigh phađing là kết quả của việc thu vài tín hiệu của máy thu Các tín hiệunày được phản xạ từ nhiều vật và nhiều hướng khác nhau trong một khu vực Dokhoảng cách khác nhau nên các tín hiệu thu được khác nhau về pha nên chúng cóthể làm tăng thêm hay làm triệt tiêu tín hiệu tổng hợp Sự di chuyển của các thiết bịđầu cuối cũng gây ra sự biến thiên không thể dự đoán được của pha, tín hiệu theothời gian làm cho sự suy giảm biến thiên mạnh Rayleigh phađing thường có trongkhu vực đô thị Hiện tượng phađing sâu thường xảy ra ở các vùng tần số cao và khicác thiết bị di chuyển nhanh Để tránh hiện tượng phađing sâu thì giá trị trung bìnhcủa các tín hiệu thu được phải cao hơn vài dB so với độ nhạy máy thu

Nhiễu xuyên Symbol (ISI): vì dải thông của kênh nói chung bị hạn chế và khimột xung được truyền qua kênh đó thì nó sẽ gây ra sự méo mó tín hiệu đang truyềntrong miền tần số Tương tự, đó là sự tán sắc của xung theo thời gian và xung củamỗi symbol sẽ tràn sang khoảng thời gian của mỗi symol kế tiếp Loại nhiễu này

được biết đến là nhiễu xuyên symbol (ISI) Điều này làm gia tăng sắc suất lỗi ở máythu trong việc dò tìm symbol Rõ ràng rằng xung ở dải thông hạn chế được chọn đểtruyền dẫn nhằm tránh sự méo trong miền tần số do kênh truyền có giải thông hạnchế Tuy nhiên, sự cắt xén dải thông của tín hiệu được truyền lại làm giảm xungtrong miền thời gian Điều nay sẽ gây ra sự chồng chéo của các symbol

Nhiễu đồng kênh (CCI): ngoài nhiễu gây ra bởi kênh truyền, một loại nhiễukhác cũng làm hạn chế hiệu quả hoạt động của hệ thống và công suất của hệ thống

là nhiễu đồng kênh (CCI) CCI tồn tại trong bất kỳ một hệ thống đang truy nhậpnào Trong TDMA, SDMA, FDMA tần số được tái sử dụng nghĩa là có nhiềungười sử dụng cùng chia sẻ một băng tần ở cùng một thời điểm và do vậy nhữngngười sử dụng cùng kênh chắc chắn tạo ra CCI lẫn nhau Do vậy cần có sự cân bằnggiữa hiệu suất phổ và hiệu quả hoạt động của hệ thống

Tạp âm: ví dụ như tạp âm nhiệt làm giới hạn tỷ số SNR

2.2.3 Ưu điểm của hệ thống MIMO

Công suất cao vì với băng thông đắt và hiếm, số lượng các trạm gốc bị hạn chế,nhờ có việc sử dụng nhiều anten phát và nhiều anten thu làm tăng tốc độ truyền dữliệu nhờ vào kỹ thuật phân kênh không gian trong khi đó không cần mở rộng băngthông

Chất lượng truyền dẫn tốt hơn hay nói cách khác tỷ lệ lỗi bit giảm do sử dụngnhiều anten bên thu giúp chống được phađing Và với việc sử dụng kỹ thuật dãyanten có thể giúp giảm nhiễu

Độ lợi phân kênh không gian: độ lợi công suất thu được từ việc sử dụng nhiềuanten ở cả hai phía của kênh truyền vô tuyến mà không cần tăng công suất máy pháthay mở rộng băng tần

Độ lợi phân tập: Nâng cao độ tin cậy kênh truyền bằng cách phát trùng dữ liệutrên những nhánh phađing độc lập

Như vậy đầu ra gấp lần đầu vào

2.2.4 Hệ thống đa ănten và ảnh hưởng tương hỗ

2.2.4.1 Giới thiệu hệ thống đa anten

Hệ đa anten(Multiantenna) là hệ mà các nguồn được kết nối với những phần tửphát xạ độc lập nhau, hoặc cùng chung một phân tử phát xạ nhưng sử dụng cácthuộc tính vật lí khác nhau ( khác nhau về tính phân cực, khác nhau về đồ thị bứcxạ…), còn gọi là hệ anten đa cổng ( Multiport antenna _ MPA)

Hình 2 9 Mô hình MMA(a) và MEA (b)

Chúng ta có thể phân loại hệ đa anten làm hai loại: loại sử dụng chung phẩn tửphát xạ và loại sử dụng các phần tử phát xạ độc lập Loại sử dụng chung phần tửbức xạ, có nhiều nguồn tiếp điện, sử dụng chung một phần tử bức xạ, tuy nhiên, mỗinguồn vào sử dụng các thuộc tính bức xạ khác nhau: như là tính phân cực khácnhau, tần số khác nhau hay chế độ khác nhau ( Multimode antenna, Multipolarizedantenna) Loại thứ 2, sử dụng các phần tử bức xạ độc lập nhau, như hình vẽ Mụcđích là giảm ảnh hưởng giữa các cổng (port)

Ảnh hưởng tương hỗ, thông thường là những ảnh hưởng không mong muốn.Trong hệ đa anten sử dụng đơn phần tử sẽ có ảnh hưởng tương hỗ giữa các cổng(port) là rất lớn, và ít được sủ dụng dù có ưu điểm là nhỏ gọn hơn Hệ đa anten sửdụng đa phần tử phát xạ vẫn tồn tại ảnh hưởng tương hỗ, vì chúng tồn tại trongcùng một hệ thống nên khoảng cách giữa các phần tử phát xạ nhìn chung khôngquá xa nhau Đặc biệt, khi hệ anten nay được tích hợp trên một thiết bị di động, thứ

mà kích thước là hạn chế, thì khoảng cách giữa các anten là rất nhỏ so với nửabước sóng, ảnh hưởng tương hỗ trở lên nghiêm trọng Xét mô hình ảnh hưởngtương hỗ giữa các anten trên cùng một miếng đế điện môi như hình vẽ sau: Hình vẽchỉ ra hai nguyên nhân cơ bản của hiện tượng tương hỗ: tán xạ trường khu gần và

do sóng bề mặt Tán xạ trường khu gần là sự bức xạ từ anten nguyên tố này sangcái còn lại qua trường không gian tự do Do các anten đặt trong khoảng cách ngắn,ảnh hưởng tương hỗ là đáng kể Nguyên nhân thứ 2, ảnh hưởng tương hỗ gây rabởi sóng bề mặt Vì các anten nguyên tố nằm chung trên cùng miếng đế, sóng bềmặt giữa hai phần tử là rất lớn

Ảnh hưởng tương hỗ gây ra nhiễu giữa các anten thành phần Để hiểu rõ cơchế gây nhiễu, ta xét quá trình sau Ta có thể chia làm 4 quá trình nhỏ như sau: Ảnh hưởng tương hỗ gây ra nhiễu giữa các anten thành phần Để hiểu rõ cơchế gây nhiễu, ta xét quá trình sau Ta có thể chia làm 4 quá trình nhỏ như sau:

1 Từ một phần tử phát xạ ta phát tín hiệu như mong muốn

2 Do hiệu ứng dòng điện bề mặt, và do tán xạ trường khu gần, dòng điệncủa phần tử phát xạ mong muốn sẽ gây ra dòng điện cảm ứng (ảnh hưởngtương hỗ) đến các phần tử phát xạ khác(trực tiếp hay gián tiếp)

3 Dòng điện trên các phần tử cảm ứng gây suy hao

Hình 2 10 Các nguyên nhân gây tương hỗ.

4 Dòng điện cảm ứng trên các phần tử cảm ứng gây ảnh hưởng ngược trởlại phần tử phát xạ làm phần tử phát xạ bị sai khác Dẫn trực tiếp sự saikhác của đặc tính phương hướng

Ảnh hưởng tương hỗ (Mutual coupling) mang tính chất nội tại trong anten,không phụ thuộc vào môi trường truyền dẫn (kênh truyền) Tuy nhiên, ảnh hưởngcủa nó, phụ thuộc rất nhiều vào các phần tử liên kết với anten…

Hình 2 11 Các quá trình gây nhiễu giữa liên chấn tử

2.2.4.2 Các nhân tố ảnh hưởng đến hệ anten MIMO

 Khoảng cách giữa các chấn tử:

Nói chung, khoảng cách giữa các chấn tử ảnh hưởng lớn đến ảnh hưởng tương

hỗ giữa các anten thành phần Nguyên nhân là do mật độ phổ công suất tín hiệu tỉ lệvới hàm mũ của khoảng cách Giữa các anten thu, người ta thường để cho khoảngcách giữa các chấn tử là đủ lớn, qua đó hạn chế đáng kể ảnh hưởng tương hỗ.Khoảng cách giữa anten trong các trạm phát sóng cố định thường để hàng vài bướcsóng, thí dụ 10 Đối với thiết bị di động MS, khoảng cách thông thường để xácđịnh khoảng cách giữa các chấn tử là xa hơn mức /2

Chúng ta hãy quan sát hình vẽ 2.12, biểu thị mỗi quan hệ giữa khoảng cáchgiữa các anten thành phần và hàm tương quan tín hiệu giữa các anten thành phần

Tại khoảng cách bằng không, thì độ tương quan giữa các thành phần anten là lớnnhất.

Hình 2 12 Hàm tương quan giữa các anten thành phần như là hàm của khoảng cách theo

bước sóng

Bởi vì khoảng cách bằng 0 ứng với sự tiễp xúc giữa các anten, các anten có cùng tínhiệu Tín hiệu trên anten 1 và anten 2 là hoàn toàn giống nhau, đồng nghĩa với độtương quan bằng 1 Cũng trên hình vẽ biểu thị, độ tương quan nhỏ nhất ứng vớikhoảng cách nhỏ hơn nửa bước sóng, 0.383 lần bước sóng Sự phụ thuộc độ tươngquan tín hiệu trên anten vào khoảng cách còn phụ thuộc vào cấu hình anten Tuynhiên, nhìn chung, khoảng cách càng xa sẽ cho độ tương quan càng thấp

- Mô hình kiến trúc dãy các anten thành phần:

Dãy anten nên là dãy có chiều dài trong mặt phẳng nằm ngang vì khi đó có thểkhai thác được các tia đa đường Những thành phần đa đường này rất khác trongmặt phẳng phương vị Aziminth AOA Dãy hai chiều (trong một mặt phẳng thẳngđứng) cũng có thể giải quyết thành phần đa đường khác nhau theo chiều cao Tuynhiên trong nhiều môi trường đặc biệt như outdoor thì sự trải của AOA theo chiềucao là nhỏ Do vậy khoảng cách giữa các phân tử anten theo chiều đứng phải đủ lớn

để tạo ra các tín hiệu không tương quan Điều này có nghĩa là đối với một khu vựccho trước thì tốt hơn hết là phân bố chúng theo mặt phẳng ngang Trong vài trườnghợp khi mà sự trải AOA trong mặt phẳng phương vị là nhỏ và hướng tương đối của

nó so với dãy là không biết thì có thể sử dụng dãy trong mặt phẳng ngang

Hướng của các anten thành phần ảnh hưởng đến mật độ phổ công suất tại vị trícác anten lân cận Do tất cả các anten vốn dĩ chẳng bao giờ đẳng hướng lý tưởng cả.

- Tính chất phân cực của anten thành phần:

Tính chất phân cực quyết định đến sự cảm ứng điện từ trên anten Các antenđược ghép nối đúng tính chất phân cực sẽ có độ tương quan tín hiệu là nhỏ nhất

2.2.5 Kĩ thuật phân tập anten

2.2.5.1 Giới thiệu về kĩ thuật phân tập anten

Kỹ thuật phân tập là một trong những phương pháp dùng để hạn chế ảnh hưởngcủa phađing Ý tưởng cho việc phân tập là tạo ra cách kênh độc lập với nhau vàphađing ở các kênh không xảy ra đồng thời Trong hệ thống thông tin di động, kỹthuật phân tập được sử dụng để hạn chế ảnh hưởng của phađing đa tia, tăng độ tincậy của việc truyền tin mà không phải tăng công suất hay băng thông

Phân tập có thể áp dụng cho cả bên phát và bên thu Phân tập ở bên phát là một

kỹ thuật liên quan đến mã không gian-thời gian còn phân tập ở bên thu cho phép thuđược nhiều bản sao của cùng một tín hiệu truyền Các bản sao này chứa cùng mộtlượng thông tin như nhau nhưng có ít sự tương quan về phađing Tín hiệu thu đượcbao gồm một sự kết hợp hợp lý của các phiên bản tín hiệu khác nhau sẽ chịu ảnhhưởng phađing ít nghiêm trọng hơn so với từng phiên bản riêng lẻ

Các phương pháp phân tập thường gặp là phân tập tần số, phân tập thời gian,phân tập không gian (phân tập anten) Trong đó kỹ thuật phân tập anten hiện đangrất được quan tâm và ứng dụng vào hệ thống MIMO nhờ khả năng khai thác hiệuquả thành phần không gian trong nâng cao chất lượng và dung lượng hệ thống,giảm ảnh hưởng của phađing, đồng thời tránh lãng phí băng thông tần số - một yếu

tố rất được quan tâm trong hoàn cảnh tài nguyên tần số ngày càng khan hiếm

2.2.5.2 Các phương pháp phân tập

 Phân tập tần số:

Một phương thức để tạo ra sự độc lập kênh truyền là tạo ra nhiều sóng mang tần

số khác nhau khi truyền để đạt được mức phân tập lớn thì các sóng mang phải đủphân biệt nhau để mà các kênh đủ không tương quan

 Phân tập thời gian :

Tức là phát dữ liệu ở các khoảng thời gian khác nhau Nếu các khoảng thời gian

đủ dài hơn thời gian gắn kết của kênh truyền thì sắc xuất mà các tín hiệu được phát

đi mà cùng bị phading sâu là rất thấp Cũng giống như đa dạng về tần số sẽ rất tốtnếu sử dụng mã mà có khả năng sửa lỗi khi có hiện tượng phading sâu

 Phân tập không gian:

Là một kỹ thuật phổ biến Về phương thức này các máy thu sẽ đặt ở các điạđiểm khác nhau Điều này dẫn đến có các đường truyền khác nhau đến máy thu.Chúng ta có thể sử dụng nhiều anten phát để đạt được sự phân tập pháp Có thể hiểurằng sự tương quan giữa các kênh giảm khi khoảng cách giữa các anten tăng.Khoảng cách yêu cầu để có được các kênh mà không tương quan với nhau đượcquy định bởi bước song của song mang Sự tương quan này như một hàm củakhoảng cách và bước song của song mang Căn cứ vào mục 2.2.4.2 (: các nhân tốảnh hưởng trong hệ đa anten) thì khoảng cách anten trong khoảng 0.383 lần bướcsóng sẽ cho tín hiệu tương quan là nhỏ nhất

 Phân tập góc:

Một tín hiệu phađing nhiều đường bao gồm rất nhiều thành phần tín hiệu bị tán

xạ, đến anten thông qua nhiều đường Những thành phần này đến từ các góc khácnhau và theo các đường truyền khác nhau Do vậy các thành phần tín hiệu đến từcác hướng khác nhau sẽ là độc lập Một anten mà có tính đến hướng đến DOA cóthể đạt được phân tập từ những tín hiệu không tương quan này Phương pháp nàyđược áp dụng ở tần số sónmang khoảng 10 GHz Tại tần số như vậy thì tín hiệuđược truyền bị tán xạ cao trong không gian Khi đó máy thu sử dụng hai anten địnhhướng cao được trong các hướng khác nhau Điều này cho phép máy thu thu đượchai mẫu của cùng một tín hiệu Hai mẫu này độc lập với nhau