tìm hiểu và mô phỏng hệ thống mimo antenna bằng phần mềm cst2009

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 dụ như:truyền hình chất lượng cao,

LỜI CẢM ƠN

- Lời đầu tiên em xin chân thành cảm ơn cô Phan Hồng Phương cùng

quý thầy cô bộ môn khoa Điện-Điện Tử Đại Học Bách Khoa Thành Phố

Hồ Chí Minh đã tận tình giảng dạy và trang bị cho em những kiến thứctrong thời gian qua

- Trong quá trình thực hiện đề tài có những lúc gặp khó khăn và thiếu

sót trong việc tìm hiểu và mô phỏng phần mềm Nhưng được sự hướngdẫn nhiệt tình của quý thầy cô đã giúp chúng em khắc phục được nhữngthiếu sót đó và có thể hoàn thành được đề tài này

TP.HCM, tháng 6 năm 2012

SV thực hiện:

Phan Phụng Huy

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

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 dụ như:truyền hình chất lượng cao, truyền hình di động, Internet băng thông rộng, gametrực tuyến, giải trí đa phương tiện hay giao tiếp giữa các thiết bị trong khoảng cáchngắn Một giải pháp được đưa ra là sử dụng các thiết bị hoạt động ở một dải tầnsiêu 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 đimới 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 bị

đầu 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

MỤC LỤC

Chương I Khái niệm và mô hình hệ thống MIMO 6

I.1 Định nghĩa và đặc điểm 6

I.2 Những hạn chế của kênh truyền không dây 7

I.3 Ưu điểm của hệ thống MIMO 8

I.4 Hệ thống đa ănten và ảnh hưởng tương hỗ 9

I.4.1 Giới thiệu hệ thống đa anten 9

I.4.2 Các nhân tố ảnh hưởng đến hệ anten MIMO 11

I.5 Kĩ thuật phân tập anten 14

I.5.1 Giới thiệu về kĩ thuật phân tập anten 14

I.5.2 Các phương pháp phân tập 15

I.6 Kết luận 16

Chương II Thiết kế anten vi dải băng thông siêu rộng áp dụng kĩ thuật MIMO 17 II.1 Quá trình thiết kế và phân tích 77

II.1.1 Thiết kế anten đơn

21 II.1.1.1 Mô hình anten

21 II.1.1.2 Kết quả mô phỏng và đo đạc 23

II.1.1.3 Phân tích mô hình anten đơn 26

II.1.1.4 Mô hình chế tạo của các anten 26

II.1.2 Hệ thống anten MIMO 26

II.1.2.1 Mô hình anten 26

II.1.2.2 Kết quả 27

II.1.2.3 Nhận xét và đánh giá 28

II.2 Kết luận 30

Kết luận chung 30

CHƯƠNG I KHÁI NIỆM VÀ MÔ HÌNH HỆ THỐNG MIMO

I.1 Đ ị nh n g h ĩ a v à đặc đ i ể m:

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 nhiềuanten Anten ở máy phát và anten ở máy thu đều cách nhau ở một khoảng cách nhấtđịnh

Trong mô hình MIMO, ta giả sử rằng:

thời gian cho trước

Hình 1 1 Hệ thống MIMO

- Máy thu thu ở các khe thời gian là sự tổng hợp của

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 như sau:

= + (1.1)hay

với gọi là ma trận kênh

I.2 N hững h ạ n c h ế c ủ a k ênh truyền k h ô ng 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 Sựtổn thất năng lượng giữa máy phát và máy thu là kết quả của ba hiện tượng khácnhau:

- Sự suy giảm phụ thuộc vào khoảng cách gọi là tổn hao đường truyền haytổn hao không gian tự do

- 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, multipath

phađing, 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 tínhiệu này được phản xạ từ nhiều vật và nhiều hướng khác nhau trong một khu vực

Do khoảng cách khác nhau nên các tín hiệu thu được khác nhau về pha nên chúng

có thể làm tăng thêm hay làm triệt tiêu tín hiệu tổng hợp Sự di chuyển của các thiết

bị đầu 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 nàyđược 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

I.3 Ưu đ i ểm của hệ t h ố ng M I M O :

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 dữ liệu nhờ vào kỹ thuật phân kênh không gian trong khi đó không cần mở rộngbăng thông.

Chất lượng truyền dẫn tốt hơn hay nói cách khác tỷ lệ lỗi bit giảm do sửdụng nhiều 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

liệu trên những nhánh phađing độc lập

Như vậy đầu ra gấp N lần đầu vào

I.4 Hệ thố n g đ a ăn t en v à ảnh h ư ởng t ư ơ n g hỗ :

I.4.1 G i ới thiệu hệ th ố ng đ a anten :

Hệ đa anten(Multiantenna) là hệ mà các nguồn được kết nối với những

phần tử phát xạ độc lập nhau, hoặc cùng chung một phân tử phát xạ nhưng

sử dụng các thuộc tính vật lí khác nhau ( khác nhau về tính phân cực, khác

nhau về đồ thị bức xạ…), còn gọi là hệ anten đa cổng ( Multiport antenna _

MPA)

Hình 1 2 Mô hình MMA(a) và MEA (b)

Chúng ta có thể phân loại hệ đa anten làm hai loại: loại sử dụng chung

phẩn tử phát xạ và loại sử dụng các phần tử phát xạ độc lập Loại sử dụng

chung phần tử bức xạ, có nhiều nguồn tiếp điện, sử dụng chung một phần tử

bức xạ, tuy nhiên, mỗi nguồn vào sử dụng các thuộc tính bức xạ khác nhau:như là tính phân cực khác nhau, tần số khác nhau hay chế độ khác nhau (Multimode antenna, Multipolarized antenna) Loại thứ 2, sử dụng các phần tửbức xạ độc lập nhau, như hình vẽ Mục đích 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) làrất lớn, và ít được sủ dụng dù có ưu điểm là nhỏ gọn hơn Hệ đa anten sử dụng đaphần tử phát xạ vẫn tồn tại ảnh hưởng tương hỗ, vì chúng tồn tại trong cùng một hệthống nên khoảng cách giữa các phần tử phát xạ nhìn chung không quá xa nhau.Đặc biệt, khi hệ anten nay được tích hợp trên một thiết bị di động, thứ mà kíchthước là hạn chế, thì khoảng cách giữa các anten là rất nhỏ so với nửa bước sóng,ảnh hưởng tương hỗ trở lên nghiêm trọng Xét mô hình ảnh hưởng tương hỗ giữacác anten trên cùng một miếng đế điện môi như hình vẽ sau: Hình vẽ chỉ ra hainguyên nhân cơ bản của hiện tượng tương hỗ: tán xạ trường khu gần và do sóng bềmặt Tán xạ trường khu gần là sự bức xạ từ anten nguyên tố này sang cái còn lạiqua trường không gian tự do Do các anten đặt trong khoảng cách ngắn, ảnh hưởngtương hỗ là đáng kể Nguyên nhân thứ 2, ảnh hưởng tương hỗ gây ra bởi sóng bềmặt Vì các anten nguyên tố nằm chung trên cùng miếng đế, sóng bề mặt giữa haiphần tử là rất lớn

Hình 1 3 Các nguyên nhân gây tương hỗ.

Ảnh hưởng tương hỗ gây ra nhiễu giữa các anten thành phần Để hiểu rõ cơ

chế 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

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 sai khác củađặc 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 1 4 Các quá trình gây nhiễu giữa liên chấn tử

I.4.2 Các nh â n tố ả n h hư ở ng đến h ệ anten MI M O :

- 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 lệ

với 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 1.5, 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 làlớn nhất.

- 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 kháctrong mặt phẳng phương vị Aziminth AOA Dãy hai chiều (trong một mặt phẳngthẳng đứng) cũng có thể giải quyết thành phần đa đường khác nhau theo chiều cao.Tuy nhiên trong nhiều môi trường đặc biệt như outdoor thì sự trải của AOA theochiều cao 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 mộtkhu vực cho trước thì tốt hơn hết là phân bố chúng theo mặt phẳng ngang Trongvài trường hợp 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 phẳngngang.

- Hướng của các anten thành phần :

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 tưởngcả

- 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

I.5 Kĩ th u ậ t p h â n tập a nten :

I.5.1 Giới thiệu về kĩ t huật phân t ậ p anten:

Kỹ thuật phân tập là một trong những phương pháp dùng để hạn chế ảnhhưởng của phađing Ý tưởng cho việc phân tập là tạo ra cách kênh độc lập vớinhau và phađing ở các kênh không xảy ra đồng thời Trong hệ thống thông tin diđộng, kỹ thuật phân tập được sử dụng để hạn chế ảnh hưởng của phađing đa tia,tăng độ tin cậy 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 làmột kỹ thuật liên quan đến mã không gian-thời gian còn phân tập ở bên thu chophép thu được nhiều bản sao của cùng một tín hiệu truyền Các bản sao này chứacùng một lượng thông tin như nhau nhưng có ít sự tương quan về phađing Tínhiệu thu được bao gồm một sự kết hợp hợp lý của các phiên bản tín hiệu khác nhau

sẽ chịu ảnh hưởng 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

I.5.2 Các phư ơ n g ph á p p h ân tập :

 Phân tập tần số:

Một phương thức để tạo ra sự độc lập kênh truyền là tạo ra nhiều sóng mangtần số khác nhau khi truyền để đạt được mức phân tập lớn thì các sóng mang phải

đủ phân 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 thờigian đủ dài hơn thời gian gắn kết của kênh truyền thì sắc xuất mà các tín hiệu đượcphát đi mà cùng bị phading sâu là rất thấp Cũng giống như đa dạng về tần số sẽrất tốt nếu 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 thểhiểu rằng 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

từ các hướng khác nhau sẽ là độc lập Một anten mà có tính đến hướng đến DOA