Định dạng búp sóng trong hệ thống thông tin di động thế hệ tiếp theo

Trang 1 trờng đại học bách khoa hà nội --- Nguyễn lê hằng định dạng búp sóng trong hệ thống thông tin di động thế hệ tiếp theo Trang 2 Lời núi đầu Sự phỏt triển của dàn thớch ng bắt đ

trờng đại học bách khoa hà nội

- Nguyễn lê hằng

định dạng búp sóng trong hệ thống thông tin di động thế hệ tiếp theo

Chuyên ngành : Điện tử viễn thông

Lời nói đầu

Sự phát triển của dàn thích ng bắt đầu từ cuối những năm 50 và được đánh ứdấu hơn bốn thập kỷ Từ "Adaptive Array" được Van Atta đặt ra đầu tiên vào năm

1959 mô tả một dàn đồng pha Với ăng ten dàn truyền thống, các búp sóng chính được điều khiển hướng theo phương yêu cầu, được gọi là dàn ăng ten đã định pha, dàn điều khiển hướng búp sóng hoặc dàn quét Búp sóng được điều khiển sử ụ d ng những bộ dịch pha Ăng ten dàn điều khiển hướng búp sóng hiện nay, mô hình được định hình theo các chỉ tiêu tối ưu cho trước, gọi là ăng ten thông minh (Smart Antenna) Ăng ten thông minh còn được gọi là dàn định dạng búp sóng số (DBF - Digital Beam Forming) hay là dàn thích ứng (Adaptive Array) Ăng ten thông minh hứa hẹn cải tiến hệ thống Rada, tăng dung lượng hệ thống di động không dây và cải tiến phương tiện liên lạc không dây thông qua việc thực hiện đa truy nhập phân chia theo không gian (SDMA - Space Division Multiple Access) Công nghệ ăng ten thông minh đang làm thay đổi tính kinh tế của mạng di động 3G Chúng mang lại khả năng tăng dung lượng đường truyền cũng như giảm đáng kể số lượng các trạm phát sóng vô tuyến

Định dạng búp sóng bằng phương pháp sốlà một trong những hướng nghiên cứu áp dụng ăng ten thông minh vào hệ ố th ng thông tin di động th h ti p theo ế ệ ếTrong luận văn này , tôi xin được trình bày tổng quan về ăng ten thông minh, kỹ thuật ư c lướ ợng hướng sóng tới và định d ng bú óạ p s ng d ng phương pháp s ù ố

Tôi xin cam đoan đây là lu n văn do chính bản thân tôi làm kậ hông sao chép nguyên văn từ bất kỳ tài liệu nào, nếu sai tôi xin chịu mọi trách nhiệm Với lòng biết ơn sâu sắc tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo TS Vũ Văn Yêm đã tận tình hướng dẫn tôi trong quá trình thực hiện đề tài này Các góp ý về mặt khoa học của

TS đã giúp tôi định hướng được trong việc lựa chọn đề tài và các bước thực hiện nhằm hoàn thành tốt được đề tài.Trong suốt quá trình nghiên cứu, mặc dù đã hết sức

cố gắng nhưng chắc chắn lu n văn không tránh khỏi những thiếu sót, rất mong sự ậđóng góp, phê bình của các thầy cô để lu n văn đưậ ợc hoàn chỉnh hơn

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 22 tháng 10 năm 2009

MỤC LỤC

Trang

Trang bìa phụ i

Lời nói đầu ii

MỤC LỤC iv

Những thuật ngữ viết tắt vii

Danh mục hình vẽ đồ thị ix

Chương 1 - K ỹ thuật Ăngten thông minh 1

1.1 Khái niệm 1

1.2 Phân loại 1

1.3 Nguyên lý hoạt động 2

1.3.1 Ăngten chuyển mạch chùm 2

1.3 1.1 Khái niệm 2

1.3.1.2 Đặc điểm và nguyên lý hoạt động 2

1.3.1.3 Nhận xét 4

1.3.2 Ăngten thích ứng 5

1.3.2.1 Khái niệm 5

1.3.2.2 Đặc điểm và nguyên lý hoạt động 5

1.3.2.3 Nhận xét 7

1.4 Ưu nhược điểm của ăngten thông m- inh 8

1.4.1 Ưu điểm : 8

1.5 Ứng dụng của ăngten thông minh 10

1.5.1 Ăngten thông minh trong mạng di động 3G 10

1.5.2 Nhận xét 1 : 11

1.5.3 Nhận xét 2: 11

1.6 Đa truy nhập phân chia theo không gian (SDMA) 11

1.7 Định dạng búp sóng bằng phương pháp số (DBF) 13

1.8 Kết luận chương 1 16

Chương 2 - K ỹ thuật x c đị á nh hư ớ ng s ng tới (DOA) v ó à m ộ t số thuật to n sử á d ụ ng đ ể xá c đị nh hư ớ ng só ng tớ 18 i 2.1 Dàn ăngten thích ứng 18

2.2 Cơ sở lý thuyết chung của ư c lướ ợng DOA 19

2.3 M t sộ ố thu t toán ư c lư ng hư ng sóng tới DOA 21ậ ớ ợ ớ 2.3.1 Xác định DOA cho dàn ăngten thích ứng 21

2.3.1.1 Trường hợp có 1 sóng tới và dàn ăngten có 2 chấ ửn t 21

2.3.1.2 Trường hợp có K sóng tới và M chấn tử (K<M) 23

2.3.2 Một số thuật toán ước lượng hướng sóng tới: 23

2.3.2.1 Thuật toán ước lượng góc đến bằng ma trận Bartlett 23

2.3.2.2 Thuật toán ước lượng phổ [5] 24

2.3.2.3 Thuật toán ước lượng Capon 24

2.3.2.4.Thuật toán khả năng lớn nhất MLM (Maximum Likehood Method)[5] 25

2.3.2.5 Thuật toán phân loại tín hi u đa đư ng MUSIC (MUltiple SIgnal ệ ờ Classification)[5] 26

2.3.2.6 Thuật toán ư c lướ ợng các tham số ủa t n hiệ ựa trên c c kỹ thuậ ấ ế c í u d á t b t bi n quang ESPRIT- 27

2.3.2.7 Kết luận 30

2.4.1 Thuật toán MUSIC ước lượng DOA 30

2.4.1.1 Thuật toán MUSIC 30

2.4.1.2 Mô phỏng việc ư c lướ ợng hướng sóng t i dùng giảớ i thu t MUSIC : 36ậ 2.5 Kết luận chương 2 41

Chương 3 - Định dạng búp sóng dùng phương pháp số 43

3.1 Cơ sở định dạng búp sóng trọng số cố định: 43

3.1.1 Tỉ số tín hiệu trên nhiễu tối đa: 43

3.1.2 Cực tiểu lỗi trung bình bình phương 51

3.1.3 Cực đại khả năng 55

3.1.4 Cực tiểu phương sai 58

3.2 Định dạng búp sóng thích ứng 62

3.2.1 Tối thiểu bình phương trung bình- LMS [2] 62

3.2.2 Nghịch đảo ma trận lấy mẫu 67

3.2.3 Bình phương tối thiểu đệ qui 71

3.2.4 Phương pháp giá trị không đổi 75

3.2.5 Giá trị bình phương tối thiểu không đổi 80

3.2.6 Phương pháp liên hợp Gradient 86

3.2.7 Trải chuỗi trọng số dàn 91

3.2.8 Mô tả ộ b thu SDMA ki u mới ể 93

3.3 K t luế ận chương 3 102

KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 104

TÀI LIỆU THAM KHẢO 106

Tó m tắt luận văn 107

Direct Matrix Inversion Direct of Arrival

Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques Frequency Division Multiple Access

Least Mean Squares Least Square Contant modulus algorithm Multiple Input, Multiple Output

Maximum Likehood Method Mobile Station

Mean Square Error Multiple Signal Classification Recursive Least Square Root Mean Square Error Radio Resource Management

Uniform Linear Array

Danh mục hình vẽ đồ thị

Hình 2.1 Dàn ăngten ULA gồm các phần tử cách đều nhau đặt dọc theo trục x 18

Hình 2.2 Dàn ăngten đồng d ng tuyến tíạ nh ULA có M chấn tử và K sóng tới 20

Hình 2.3 Dàn ăngten ULA trong trường hợp có 2 chấn tử và có 1 sóng tới 22

Hình 2.4 Hai dàn con đồng nhất không chồng lên nhau với mỗi dàn M/2 chấn tử 27 Hình 2.5 Hai dàn con chồng lên nhau với mỗi dàn M 1 phần tử- 28

Hình 2.6 Phân loại tín hiệu và nhiễu 32

Hình 2.7 Ví dụ về phổ MUSIC 34

Hình 2.8 Sơ đồ khối việc xác định hướng sóng tới dùng dàn ăngten và dàn m y thu á song song 36

Hình 2.9 Kết quả mô phỏng hướng sóng tới của 5 tín hiệu các góc tới [100 250 400 550 700] với dàn ăngten 8 chấn tử khi SNR = [ 10 10 10 10 10 ] và L = 200 37 Hình 2.10 Kết quả mô phỏng hướng sóng tới của 3 tín hiệu các góc tới [200 800 1400] với dàn ăngten chấn tử, khoả5 ng c ch d=0,5λ 38á Hình 2.11 Kết quả mô phỏng hướng sóng tới của 3 tín hiệu các góc tới [400-1250] với dàn ăngten chấn tử v5 à khoảng c ch d=0,1λ 39á Hình 2.12 Kết quả mô phỏng hướng sóng tới của 3 tín hiệu các góc tới [200 800 1400] với dàn ăngten 10chấn tử, khoảng c ch d=á 0,1λ 40

Hình 2.13 Kết quả mô phỏng hướng sóng tới của 3 tín hiệu các góc tới [200 800 1400] với dàn ăngten chấn tử, khoả2 ng c ch d=0,5λ 40á Hình 2.14 Kết quả mô phỏng hướng sóng tới của 3 tín hiệu các góc tới [200 800 1400] với dàn ăngten chấn tử, khoả5 ng c ch d=0,5λ 41á Hình 3.1 Dàn 3 phần tử với tín hiệu mong muốn và không mong muốn 43

Hình 3.2 Triệt búp sóng phụ 45

Hình 3.3 Đồ thị dàn với mức không xấp xỉ tại -150 và 250 46

Hình 3.4 Dàn ăngten băng hẹp truyền thống 47

Hình 3.5 Phương pháp tối đa tỉ ố s tín hi u trên nhi u 51ệ ễ Hình 3.6 Hệ thống MSE thích ứng 52

Hình 3.7 Bề mặt bậc hai với MSE 53

Hình 3.8 Phương pháp cực tiểu lỗi trung bình bình phương 55

Hình 3.9 Dàn truyền thống 56

Hình 3.10 Phương pháp cực đại khả năng cho dàn 7 phần tử 58

Hình 3.11 Phương pháp phương sai nhỏ nhất 61

Hình 3.12 Cường độ của trọng số dàn 66

Hình 3.13 Thu và dò tín hiệu mong muốn 66

Hình 3.14 Sai số bình phương trung bình 67

Hình 3.15 Dàn trọng số LMS 67

Hình 3.16 Đồ thị dàn SMI được đánh trọng số 70

Hình 3.17 Dấu hiệu của ma trận tương quan sử dụng SMI và RLS[1] 72

Hình 3.18 Đồ thị dàn RLS 75

Hình 3.19 a) Đường thẳng ,(b) Đường thứ 2, (c) Đường thứ 3, và (d) Tín hiệu kết h ợp 78

Hình 3.20 DOA của phương pháp CMA 79

Hình 3.21 Tín hiệu đến và tín hiệu đầu ra sau khi ước lượng 79

Hình 3.22 DOA của phương pháp LS-CMA 85

Hình 3.23 Tín hiệu đến và tín hiệu sau ước lượng LS-CMA 85

Hình 3.24 LS-CMA động 86

Hình 3.25 Hội tụ sử dụng hướng liên hợp 87

Hình 3.26 Tiêu chuẩn của số dư cho mỗi vòng lặp 90

Hình 3.27 Đồ thị dàn sử dụng phương pháp CGM 90

Hình 3.28 Kết quả đồ thị dàn sử dụng CGM MATLAB 91

Hình 3.29 ộ thu SDMA 93B Hình 3.30 Hai mẫu chuỗi 2 pha mã giả pn 95

Hình 3.31 Đồ thị đổi tần cho 4 chip đầu 96

Hình 3.32 Biểu diễn dạng sóng qua bộ thu 99

Hình 3.33 So sánh bộ thu mới SDMA với dàn truyền thống tuyến tính 100

Hình 3.34 Tương quan 5 góc không gian tới bằng nhau 100

Hình 3.35 Điều chế bức xạ với ước lượng thu 101

Chương 1 - K ỹ thuậ Ăngten t thông minh

1 1 Khái niệm

Ăngten thông minh là một hệ thống bao gồm các phần tử ăngten cùng với bộ

xử lý tín hiệu số để truyền và nhận tín hiệu một cách thích ứng, có nghĩa là ăngtenthông minh có thể tự động thay đổi đồ thị phương hướng của mình một cách chính xác hơn cho yêu cầu của quá trình thông tin

Một ăngten thông minh kết hợp những dãy ăngten với quá trình xử lý tín hiệu

số để cải thiện những đặc điểm chiếu xạ tiếp nhận và phát xạ tự động trong sự điều chỉnh lại tới môi trường tín hiệu Nó có thể tăng thêm dung lượng kênh, mở rộng phạm vi phủ sóng, lái nhiều chùm tia để theo dõi nhiều thuê bao di động, giảm bớt fading và nhiễu giao thoa

Hệ thống ăngten thông minh cần phân biệt tín hiệu mong muốn từ tín hiệu thu được và hướng của nguồn tín hiệu mong muốn

Ví dụ : những tín hiệu phát ra từ những máy di động đến các phần tử Ăngtenđựợc phân tích giúp xác định h ng sóng tớ ủướ i c a ngu n tín hi u Trên th c t ồ ệ ự ế thìcác phần tử Ăngten được phân bố ĩ t nh Việc xác định đượ ướng c a nguc h ủ ồn tín

hiệu là kết ả ủqu c a vi c tính toán tín hiệ ệu nhậ được t n ừ những phần tử Ăngten và không có phần nào của Ăngten ải quay đổi hướ Công việc tính toán này đòi ph ng

h i ỏ thực hiện theo thời gian th c (realtime)ự Ăngten thông minh có thể bám theonguồn tín hiệu khi nó chuyển động Sự tính toán ph c tứ ạp và đòi h i th i gian ỏ ờ đáp

ứng nhanh d n đến việẫ c ph i gia t ng áng k công vi c x tả ă đ ể ệ ửlý i tr m phát sóng ạ ạ

1.2 Phân loại

Có nhiều loại ăngten thông minh đã và đang được nghiên cứu phát triển hiện nay

- Ăngtenthông minh (Smart Antenna)

- Đa truy nhập phân chia theo không gian(SDMA)

- Mạng pha (phasearray)

- Xử lý không gian (Spatial processing)

- Ăngten thích ứng(Adaptive tenna)An

Hệ thống ăngten thông minh thực chất là một hệ thống gồm hiều ăngten cấu nthành mạng, các ăngten thành phần đó hoàn toàn giống nhau, cấu trúc mạng ăngtenrất đa dạng tuỳ theo mục đích như : kiểu tuyến tính , vòng tròn, khối…

Cho dù hình dạng và kiến trúc khác nhau nhưng tất cả đều phải đảm bảo các điều kiện:

Các ăngten thành phần phải như nhau về mọi mặt: tính chất vật lý, kích thước, khoảng cách giữa các phần tử…và biểu đồ hướng sóng của mỗi ăngten

- Không có sự tác động qua lại giữa các ăngten thành phần

- Không có sự biến đổi biên độ giữa các ăngten

- Tín hiệu thu được phải độc lập, có thể rời rạc hoá trên mặt phẳng sóng

Có thể chia ăngten thông minh thành hai loại chính sau:

- Ăngten thích ứng(Adaptive tenna)An

Phần tiếp theo s i vào phân tích nguyên lý hoẽ đ ạt động cụ th c a 2 loại ể ủăngten trên

1.3 1.2 Đặc điểm và nguyên lý hoạt động

Nguyên lý hoạt động của các ăngten thông minh nói chung là tự động điều chỉnh nhằm hướng búp sóng cực đại về phía người dùng mong muốn, đồng thời cố

gắng loại bỏ các xuyên lẫn và nhiễu từ bên ngoài búp sóng chính (các búp còn lại nhỏ ).

Hệ thống ăngten này xác định cường độ tín hiệu, chọn từ các chùm cố định, xác định trước ra một chùm và chuyển mạch từ chùm tia này sang chùm tia khác khi

mà đối tượng sử dụng di chuyển trong vùng phủ sóng Thay vì định dạng các búp sóng bằng cách thay đổi cấu trúc vật lý các chấn tử như kiểu ăngten định hướng, ăngten chuyển mạch chùm kết hợp đầu ra của nhiều ăngten thành phần một cách đặc biệt nhằm tạo ra các chùm quạt (định hướng) với độ nhạy không gian cao hơn các phương pháp một phần tử thông thường

Thay cho hình dạng thẳng của các ăngten mẫu, cùng với các đặc tính kim loại

và thiết kế vật lý của đơn thành phần, Ăngten chuyển mạch chùm bao gồm các ăngten một búp sóng chính (các búp còn lại nhỏ) cấu tạo nên các sector có độ định hướng cao Hình dạng của các búp sóng của ăngtennày giống như cánh hoa xếp cố định, mỗi búp sóng sẽ được tạo ra trước bởi các thông số về góc pha, biên độ, tần

số Số lượng búp sóng phụ thuộc vào khoảng chia của các góc pha (Hình 1.1)

Hình 1.1: Đặc tuyến phủ sóng của Ăngtenchuyển mạch chùm

Xử lý hướng lên: Ở đây giả thiết là có một ăngten chuyển mạch chùm được lắp đặt ở một trạm nào đó (trạm gốc) Các thiết bị đầu cuối vô tuyến từ xa sẽ phát bằng cách dùng ăngten vô hướng Đến trạm gốc, sẽ tách biệt các tín hiệu mong muốn với nhiễu.Thông thường, tín hiệu thu được từ các phần tử ăngten phân bố trong không gian sẽ được nhân với một trọng số ,đây chính là sự điều chỉnh biên và pha.Các tín hiệu này được kết hợp để tạo ra mảng đầu ra Một thuật toán điều khiển

các trọng số này theo các mục đích xác định trước Với một hệ thống chuyển mạch chùm, tiêu chí này có thể là độ khuếch đại tối đa Còn với một hệ thống ăngten thích ứng, có thể còn phải xem xét đến nhiều yếu tố khác Việc tính toán động như vậy cho phép hệ thống có thể thay đổi được các mẫu bức xạ của nó để tối ưu hoá tín hiệu thu.

Xử lý hướng xuống: Các hệ thống chuyển mạch chùm liên lạc với các đối

tượng sử dụng bằng cách thay đổi giữa các mẫu định hướng đặt trước, phần lớn dựa trên cường độ tín hiệu để lựa chọn búp sóng thích hợp nhằm cải thiện liên lạc với người dùng cuối

Về mặt đặc tuyến bức xạ ăngten chuyển mạch chùm chính là sự mở rộng của

chùm chia các sector l ớnthành các sector nhỏ nhằm cải thiện phạm vi phủ sóng và dung lượng Mỗi sector nhỏ chứa một búp sóng cố định với độ nhạy được tập trung tối đa tại vùng trung tâm của búp sóng và tối thiểu ở các vùng khác.Tùy theo số búp sóng trong ăngten mà độ ộ r ng m i búp sóng có thỗ ể là khác nhau Thiết k này đòi ếhỏi các chấ ửn t phải có đ tăng ích cao và chùm búp sóng hẹp.ộ

Tại mỗi thời điểm làm việc, ăngten chuyển mạch chùm chọn trọng số các búp sóng cố định m t búp sóng có cư ng đ tín hiệu lộ ờ ộ ớn nhất cho người dùng mong muốn.Việc lựa chọn này đư c đi u khiển bợ ề ởi các tín hi u cao tệ ần (RF) hoặc bởi các thiết bị phần c ng và ứ phần mềm xử lý s Khi mố ộ thuê bao di độngt đi vào một sector lớn ăngten , chuyển mạch chùm sẽ chọn sector nhỏ có tín hiệu lớn nhất để phục vụ thuê bao đó Trong suốt quá trình liên lạc hệ ố th ng sẽ kiểm tra cường độ tín hiệu và thực hiện việc chuyển sang búp sóng khác khi c n thiầ ết

1.3 1.3 Nhận xét

Ăngten chuyển mạch chùm sử dụng mạng ăngten trong đó các ăngten thành phần thu phát một cách độc lập, biểu đồ hướng ăngtensẽ thay đổi chuyển từ ăngten thành phần này sang ăngten thành phần khác để bám theo đối tượng khi thuê bao di chuyển Tuy nhiên dung lượng của hệ thống bị giới hạn vì phụ thuộc vào số bước

chia của góc, biểu đồ hướng sóng ăngten được xác định trước hoặc dưới dạng kết hợp (các sector) Hệ thống này tương đối đơn giản, dễ lắp đặt trong các hệ thống di động hiện nay Tuy nhiên hệ thống này vẫn còn một số nhược điểm như: dung lượng hệ thống phụ thuộc số lượng ăngten thành phần trong mạng ăngten, không tận dụng được tính chất đa đường để tăng cường tín hiệu…

1 2 .3 Ăngten thích ứng

1 2 .3 .1 Khái niệm

Ăngten thích ứng là hệ thống bao gồm nhiều ăngten thành phần có búp sóng

có thể điều chỉnh được trong thời gian thực tuỳ theo yêu cầu độ lớn tín hiệu và vị trí của hướng truyền sóng

1 2 3 .2 Đặc điểm và nguyên lý hoạt động

Ăngten thích ứng là loại ăngten thông minh nhất cho đến nay Bằng cách sử dụng nhiều thuật toán xử lý tín hiệu mới, nó có khả năng vượt trội hơn hẳn trong

việc định vị, theo dõi và xử lý các loại tín hiệu nhằm gi m tả hi u ể độ xuyên lẫn cũng như ă t ng tối đa cường độ tín hi u cệ ần nhận (Hình 1.2) Mặc dù cả ăngten chuyển

mạch chùm và ăngten thích ứng cùng ố ắng tăng độ ăng ích, tuy nhiên chỉ có c g tăngten thích ứng là có thể cho mộ độ tăng ích tối ưu cùng với việc định vị , theo t dõi và giảm thiểu xuyên lẫn (nhiễu)

Hình 1.2: Đặc tuyến phủ sóng của ăngten thích ứng

Yếu tố chính làm cho các hệ thống ăngten thông minh trở thành hiện thực chính là nhờ công ngh kỹ thuật sốệ Chúng ta đều biết so với tín hiệu tương tự thì tín hiệu số được truyền từ đầu phát đến đầu thu vớ mộ độ chính xác cự ỳ i t c k cao và

U Người dùng

độ suy giảm rất nhỏ Tín hiệu âm thanh dạng tương tự đã được các ăngten thôngminh thu lại, điều chế để chuy n sang d ng tín hiể ạ ệu số để truy n đi và u chề đ ềi ế ạ l i thành dạng tương tự ở đầu nhận Trong hệ thống ăngten thích ứng khả năng này cònđược hỗ ợ tr thêm b i các k thu t x lý tinh x o nh m điều khi n s ph i h p các ở ỹ ậ ử ả ằ ể ự ố ợăngten một cách rất tinh vi phù hợp với điều kiện hoạt động Điều này làm cho ăngte thích ứngn hoạt động hiệu quả ơ ẳ h n h n các lo i ăngten ạ thông minh khác.

Sự khác nhau căn bản của ăngtenchuyển mạch chùm và ăngten thích ứng thể hiện việc truyền tín hiệu hướng xuống Ăngten chuyển mạch chùm dựa vào cường

độ tín hiệu để lựa chọn búp sóng thích hợp nhằm cải thiện liên lạc với người dùng cuối Ngược lại, ăngten thích ứng cố gắng tìm hiểu sâu hơn môi trường cao tần (RF)

và thực hiện việc điều chỉnh liên tục đặc tuyến phát xạ của ăngten truyền tín hi u ệ

một cách hiệu quả ơn h

Nếu ăngten chuyển mạch chùm dựa vào cường độ tín hiệu tại mỗi thời điểm

để chọn một búp sóng thích hợp thì ăngten thích ứng lại dùng các dữ liệu môi trường vô tuyến (RF) để tối ưu hoá kết nối với người dùng Đặc tuyến phát xạ của ăngten thích ứng được điều chỉnh liên tục theo sự thay đổi của môi trường vô tuyến nhằm đảm bảo cho hoạt động của hệ thống là tố ưi u

Ăngten thích ứng sử dụng kỹ thuật xử lý số để phân biệt tín hiệu mong muốn, tín hiệu do hiệu ứng đa đường và nguồn xuyên nhiễu, đồng thời tính toán xác định hướng xuất phát của các thành phần này Nó liên tục điều chỉnh đặc tuyến làm việc dựa vào sự thay đổi vị trí cũng như cường độ của cả tín hiệu lẫn xuyên nhiễu.Sự thay đổi liên tục như thế đảm bảo búp sóng lúc nào cũng hướng về phía tốt nhất, điều này làm cho ăngten thích ứng vượt trội hơn hẳn ăngten chuyển mạch chùm về

mặt chấ ượt l ng hoạt động (sự thay i búp sóng trong ăngten đổ chuyển mạch chùm làkhông liên tục) Hình1.3 miêu tả một ví dụ so sánh dạng búp sóng mà ăngten chuyển mạch chùm và ăngten thích ứng có thể chọn trong cùng một điều kiện giống nhau

Hình 1.3 So sánh búp sóng mà ăngten chuyển mạch chùm (trái) và ăngten thích

ứng(phải) có thể chọn trong điều kiện tín hiệu người dùng và xuyên nhiễu giống hệt

1 2 3 3 Nhận xét

T hích ứng Chuyển mạch chùm

T hích ứng

Chuyển mạch chùm Định hướng

Định hướng

Môi trường xuyên lẫn cao

Môi trường

xuyên lẫn thấp

Phương thức chuyển mạch chùm Phương thứcthích ứng

Tín hi u ệ

Xuyên nhiễu

Ăngten thích ứng có biểu đồ hướng sóng không xác định, mang tính chất động và các biểu đồ hướng sóng ăngten đó có thể điều chỉnh theo thời gian thực Hệ thống này phức tạp hơn tuy nhiên lại có ưu điểm hơn vì nhờ tính chất động của hệ thống ăngten nên dung lượng của hệ thống có thể thay đổi một cách linh hoạt, khắc phục những nhược điểm của hệ thống trên như lợi dụng tính chất đa đường để tăng cường tín hiệu Một ưu điểm hơn hẳn so với hệ thống trên là hệ thống này có khả năng linh động hơn rất nhiều do nó có thể bám theo mục tiêu

1 - 4 Ưu nhược điểm của ăngten thông minh

1.4.1 Ưu điểm :

- Tối thiểu hoá sự tác động của nhiễu và tạp âm

- Khả năng truyền tín hiệu trong môi trường nhiều chướng ngại vật Các ăngten thông minh có khả năng tự động điều chỉnh hướng đặc tuyến phủ sóng của mình sao cho phù hợp nhất với môi trường tín hiệu

- Sự biến đổi linh hoạt của biểu đồ hướng ăngten (là vấn đề mấu chốt cho việc điền đầy khoảng trống trong không gian phủ sóng)

- Cân bằng tải tuyến lên và xuống (là vấn đề mấu chốt làm tăng dung lượng

hệ thống) Không nh ững làm t ng ch t lượng tín hiệu mà còn làm tăng ă ấdung l ng hượ ệ thống thông qua vi ệc tăng khả ă n ng tái sử dụng kênh tần

Độ tăng ích cao - Tín hiệu vào từ

nhi u ề ăngten được phối hợp để nâng

cao đ tăng ích tộ ừ đó tối ưu hoá

công suất phát yêu cầu đối với một

vùng phủ sóng nhất định

M rở ộng đư c vùng phủ sóng ợ - Tập trung năng lượng được phát đi trong phạm vi phủsóng, làm tăng bán kính phủ sóng của trạm phát Yêu cầu công suất thấp hơn giúp cho tuổi thọ của nguồn dài hơn, cũng như kích thước thi t bị nhỏ gọn hơn ế

Chống xuyên lẫn - Tỷ số tín

hiệu/xuyên nhiễu (C/I) được nâng

cao nhờ giảm được số nguồn nhiễu

tác động lên búp sóng định hướng

Tăng dung lượng : Điều khiển chính xác mức không của tín hiệu, giảm nhiễu, kết hợp với giảm khoảng cách tái sử dụng lại tần số sẽ làm tăng dung lượng Nhi công ềunghệ hích ứngt hỗ trợ khả năng tái sử dụng lại tần số trong cùng một vùng phủ sóng

Phân tập không gian: Các tín

hiệu từ ma trận ăngten được phối

hợp nhằm giảm thiểu hiệu ứng

fading và các ảnh hưởng khác của

hiệu ứng đa đưòng

Nâng cao khả năng chống hiệu ứng đa

đường - Có thể giảm được tác dụng của việc trễ trong kênh, cho phép nâng cao tốc

độ (bit rate) mà không cần dùng đến bộ cân bằng

Tối ưu hoá công suất phát: Kết

hợp tín hiệu vào của nhiều ăngten

nhằm tối ưu hoá độ tăng ích đường

Có tính trong suố ốt đ i với mạng

lưới - Không bị gi i hạn bớ ởi m t ộ

phương thức điều ch hay giao ế

thức vô tuyến cụ thể nào

Cho phép tạo ra các sản phẩm và dịch vụ chất lượng cao và đưa lại cho các nhà cung

cấp dịch vụ m t khả năng cạnh tranh mạnhộ

1.4.2 Nhược điểm :

Các loại ăngten thông minh phải có các chấn tử như nhau về tính chất vật lý, kích thước, khoảng cách … nên khi chế tạo phải rất tỉ mỉ và chính xác dẫn đến khó khăn trong công nghệ chế tạo, do đó sẽ đẩy giá thành lên cao

1 .5 Ứng dụng của ăngten thông minh

1 .5 1 Ăngten thông minh trong mạng di động 3G

Tất cả các tiêu chuẩn điện thoại 3G sử dụng công nghệ CDMA (Code Division Multiple Access) CDMA chia phổ tần bằng cách xác định mỗi kênh vô tuyến trong một trạm thu phát và thuê bao bằng một mã số Thuê bao chỉ được nhận

ra bằng mã của mình, tín hiệu thu và phát từ những máy di động khác đối với một máy di động chính là nhiễu Cho nên càng nhiều điện thoại trong một vùng phủ sóng của trạm thu phát thì nhiễu càng nhiều Điều đó làm giảm số điện thoại di động mà trạm thu phát có thể phục vụ được

Ăngten thông minh giúp giảm nhiễu trong một ô bởi vì nó tăng công suất phát để duy trì tất cả các kênh vô tuyến từ trạm phát tới mọi thuê bao Điều này đặc biệt quan trọng khi nhu cầu tốc độ số liệu cao ngày càng tăng Một kênh vô tuyến tốc độ cao cần mức công suất cao gấp 10 lần một kênh thoại trong mạng GSM Tăng mức công suất để duy trì một kênh vô tuyến cũng có nghĩa là giảm khả năng phục vụ các thuê bao còn lại trong ô cũng như từ các ô liền kề

Ăngten thông minh giảm sự can nhiễu bằng 2 cách:

- Búp sóng của ăngten hướng chính xác đến thuê bao, do vậy công suất phát chỉ phát đúng đến hướng cần thiết

- Khả năng điều khiển tín hiệu định hướng, ăngten thông minh tránh phát tín hiệu về phía nguồn can nhiễu

chi phí tính toán công suất, tăng dung lượng phục vụ

- Những đặc tính của ăngten: chiều cao, góc ngẩng, hướng…

- Số lượng, kích cỡ và cách bố trí ăngten thành phần trong ăngten thông minh

- Thuật toán điều khiển ăngtenthông minh

- Thuật toán quản lý tài nguyên vô tuyến (RRM - Radio Resource Management)

Thuật toán quản lý tài nguyên vô tuyến rất quan trọng khi kết hợp những thuê bao số liệu (chuyển mạch gói) với những thuê bao thoại (chuyển mạch kênh) yêu cầu những mức chất lượng khác nhau (QoS)

1.6 Đa truy nhập phân chia theo không gian (SDMA)

Hệ thống anten thông minh cũng cho phép một trạm phủ sóng có thể liên lạc với 2 hay nhiều thuê bao sử dụng cùng một tần số khi sử dụng công nghệ đa truy nhập phân chia theo không gian (SDMA – Space Division Multiple Access), do đó cho phép hệ thống sử dụng các tài nguyên mạng hiệu quả hơn

Hình 1.5 Đa truy nhập phân chia theo không gian

Mô hình ăngten thông minh được điều khiển thông qua các thuật toán dựa trên các chỉ tiêu cho trước Các chỉ tiêu này có thể làm cho tỉ số tín hiệu trên tạp âm (SIR cực đại, phương sai nhỏ, lỗi trung bình bình phương MSE (Mean Square ) Error) nhỏ, điều khiển hướng búp sóng theo tín hiệu mong muốn, triệt tiêu tín hiệu nhiễu, hiệu chỉnh máy di động di chuyển Mô hình ăngten (búp sóng) được định dạng bởi quá trình xử lý tín hiệu số, quá trình này coi như là định dạng búp sóng số (DBF - Digital Beam Forming)

Khi các thuật toán sử dụng là các thuật toán thích ứng thì quá trình xử lý này được coi như là định dạng búp sóng thích ng Định dạng búp sóng thích ứ ứng là

dụng vào hệ thống rada, hệ thống định vị dưới mặt nước (rada siêu âm) và hệ thống truyền thông với một vài tên khác

Lợi ích lớn nhất của DBF là sự chuyển dịch pha và sự hiệu chỉnh bù dànăngten có thể thực hiện trên dữ liệu số hoá hơn là thực hiện trong phần cứng Ở phía thu, búp sóng được định dạng trong quá trình xử lý dữ liệu hơn là việc định dạng trong không gian Nếu các thông số vận hành thay đổi hoặc chỉ tiêu phát hiện được thay đổi, định dạng búp sóng có thể thay đổi bằng cách thay đổi đơn giản một thuật

toán hơn là thay thế phần cứng Nhìn chung định dạng búp sóng thích ứng rất có ích

và giải pháp định dạng búp sóng hiệu quả bởi vì định dạng búp sóng số chỉ đơn thuần gồm một thuật toán với việc tối ưu hoá mô hình anten theo môi trường điện từ trường thay đổi

Bộ thu phát

Bộ thu phát

Bộ

xử lý tín hiệu số

IQ

Hình 1.6 Hệ thống ăngten DBF tổng quát

DBF là sự kết hợp giữa công nghệ ăngten và công nghệ số Một hệ thống ăngten DBF tổng quát được chỉ ra như hình 1.6 bao gồm ba thành phần chính: + Ăngten d ãy

+ Các máy thu phát số

đầu ra

đầu ra

+ Bộ xử lý tín hiệu số

Trong một hệ thống ăngten DBF, các tín hiệu thu được tách sóng và số hóa ở mức phần tử Việc thu các thông tin RF ở dạng luồng số cho phép dùng các thuật toán và kỹ thuật xử lý tín hiệu để tách những thông tin từ dữ liệu miền không gian

Kỹ thuật DBF dựa trên việc thu các tín hiệu ần số caot ( ) RF tại các phần tử ăngten

và biến đổi chúng thành hai luồng tín hiệu nhị phân băng cơ sở (thành ph ần I và Q) Tích hợp bên trong các tín hiệu băng cơ sở là biên độ và pha của tín hiệu thu được ở mỗi phần tử của dãy Điều chỉnh búp sóng được tạo bởi việc tạo trọng số cho các tín hiệu này bằng cách điều chỉnh biên độ và pha của các tín hiệu sẽ thu được búp sóng mong muốn Quá trình này được thực hiện bằng bộ xử lý tín hiệu số Đó là một chức năng trước đây thường được thực hiện bằng việc sử dụng mạng điều khiển búp sóng tương tự và bây giờ được thực hiện bằng việc dùng một bộ xử lý tín hiệu số Phương pháp này gần như bảo toàn tất cả các thông tin tại góc mở, đó là sự khác biệt với định dạng và điều khiển bằng phương pháp tương tự Bởi vì phương pháp tạo búp sóng tương tự chỉ là tạo ra tổng trọng số của các tín hiệu và do đó làm suy hao kích thước tín hiệu từ Kthành một (hình 1.7)

Mạng điều khiển búp sóng tương tự

x1

Hình 1.7 Bộ điều khiển búp sóng tương tự

Điểm mấu chốt của công nghệ này là việc biến đổi chính xác các tín hiệu tương tự thành miền số Điều này đạt được bằng việc sử dụng các m áythu đổi tần, các bộ thu này cần phải phù hợp chặt chẽ về cả biên độ và pha Sự phù hợp này

B s g úp ón đầu ra

không cần phải thực hiện bằng việc điều chỉnh từ phần cứng Mà chỉ cần thực hiện quá trình chuẩn này để các giá trị của luồng dữ liệu được hiệu chỉnh trước khi tới bộ điều khiển búp sóng.

Các bộ thu thực hiện các chức năng sau: Chuyển đổi tần số xuống tần số thấp, lọc và khuếch đại để mức của tín hiệu phù hợp với yêu cầu lối vào của các bộ biến đổi ADC Lợi ích chính đạt được từ việc định dạng và điều khiển búp sóng bằng phương pháp số là xử lý rất mềm dẻo mà không làm suy giảm tỷ số tín hiệu trên tạp âm(SNR) Trong một số cách, nó có thể được xem như là một ăngten tối

ưu, theo đó tất cả các thông tin tới bề mặt của ăngten được thu lại ở dạng nhiều luồng số Tất cả các thông tin này là có giá trị cho việc xử lý trong điều khiển búp sóng Có nhiều các cấu hình thiết bị có thể được sử dụng để thực hiện việc xử lý số

Từ cấu trúc điều khiển búp sóng được điều chỉnh bởi thủ tục phần mềm, có một dải rộng mềm dẻo nhiều loại búp sóng có thể được tạo ra, bao gồm búp quét, đa búp, búp hướng xác định, búp hướng không

Khi chúng ta kết hợp các phương pháp truy nhập đó thì bộ xử lý số có mức thông tin cao hơn với tính lính hoạt của nó, chúng ta nhận thấy rằng định dạng và điều khiển búp sóng số cho một số các đặc trưng ngoài khả năng của những mảng pha thông thường

1 Một số lượng lớn các búp sóng độc lập có độ định hướng cao có thể được thiết lập mà không làm suy giảm tỷ số tín hiệu trên tạp â m

2 Tất cả các thông tin đến ăngten dãy đều được sử dụng trong bộ xử lý tín hiệu do đó hiệu suất của hệ thống có thể được tối ưu hóa

3 Các búp sóng có thể được chỉ định cho từng người dùng, do đó đảm bảo rằng tất cả các liên kết đều hoạt động với hệ số tăng ích lớn nhất

4 Định dạng và điều khiển búp sóng thích ứng có thể dễ dàng được thực thi

để cải tiến dung lượng hệ thống bằng cách khử nhiễu đồng kênh Các thuật toán mà biểu diễn được ở dạng toán học thì có thể được ứng dụng Hơn nữa định dạng và điều khiển búp sóng thích ứng được sử dụng để các hệ thống tăng cường khả năng chống lại nhiễu đa đường

5 Các hệ thống DBF cho khả năng thực hiện chuẩn máy thời gian thực cho các hệ ăngten trong miền số Dó đó có thể làm giảm nhẹ yêu cầu phối hợp chặt chẽ của biên độ và pha giữa các bộ thu phát, do sự thay đổi các tham số này có thể được chỉnh chính xác trong thời gian thực.

6 Định dạng và điều khiển búp sóng bằng phương pháp số có nhiều ưu điểm nổi trội khi được sử dụng trong các trạm truyền thông vệ tinh Nếu sau khi phóng vệ tinh, người ta phát hiện rằng cần phải nâng cấp bộ định dạng và điều khiển búp sóng thì một phần mềm thích hợp có thể được cập nhật từ xa tới trạm vệ tinh đó Điều này có nghĩa là tuổi thọ của trạm được tăng lên do bổ xung các bộ phận mới trong thời gian hoạt động trong khi dung lượng của trạm được nâng lên

Ngoài ra công nghệ định dạng và điều khiển búp sóng thích ứng được nhắc đến như là công nghệ ăngten thông minh trong một số tài liệu Việc dùng thuật ngữ

“smart” phản ánh khả năng của ăngten thích ứng với môi trường, hoạt động của nó Tên ăngten thông minh và ăngten thích ứn có thể hoán đổi cho nhau.g

1 .8 Kết luận chương 1

Công nghệ ăngten thông minh có thể cải thiện một cách đáng kể về hoạt động cũng như tính kinh tế của các hệ thống thông tin liên lạc Nó cho phép các nhà cung cấp dịch vụ khả năng nâng cao chất lượng tín hiệu, dung lượng mạng cũng như vùng phủ sóng Tuỳ theo hoàn c nh cả ụ ể th mà các nhà cung cấp dịch vụ thường cócác yêu cầu khác nhau trong việc ph i hố ợp các lợi điểm này tại các thời điểm khácnhau Do đó ăngten thông minh chính là giải pháp kinh tế và linh hoạt nhất cho phép h ọ xây dựng cũng như nâng cấp cho hệ ố th ng khi cần Hiện tại ăngten thông minh đã và đang được nghiên cứu tri n khai trên hể ầu khắp thế ới Ích l i cgi ợ ủa ăngtenthông minh là đ ều không ai có thể nghi ngờ , tuy nhiên v c nghiên cứu để i iệ

chế tạo ăngten thông minh tinh x o vcác ả ới giá thành h p lý là vợ ấn đề mà các nhà nghiên cứu sản xuất cũng như các nhà quản lý hệ thống trên thế giới đang đặc biệt quan tâm

Thông qua chương này ta có một số khái niệm về hệ thống ăngten thông minh, như thế nào là một hệ thống ăngtenthông minh và nó được ứng dụng vào các mạng di động ra sao Có những loại ăngten thông minh nào, chúng có ưu khuyết điểm gì và giữa chúng có những điểm gì giống khác nhau Trong phần tiếp theo , tôi xin đi sâu vào trình bày kỹ huật xác định hướng sóng tớit (DOA)

Chương 2 - K ỹ thuật x c đị á nh hư ớ ng s ng tới (DOA) v ó à m ộ t số

thu ậ t toán sử ụ d ng đ ể xác đ ị nh hư ớ ng só t i ng ớ

Việc ước lượng các góc sóng tới từ nhiều nguồn đóng vai trò quan trọng trong việc xử lý dàn bởi vì cả máy di đ ng và trạm thu pháộ t vô tuyến ơ ở có thể sử c s

dụng ăngten dàn nhiều phầ tử và việc xử lý tín hiệu dàn có thể làm tăng dung n lượng và thông lượng của hệ thống một cách đáng kể Trong hầ ết các ứu h ng dụng, ứng dụng số 1 là xác nh các DOA của các tín hiệ ớđể đị u t i K t quả ước lượng này ế

có thể được s dử ụng để định vị nguồ tín hiện u Việc ước lượng DOA được xem như

là vấn đề ch ch t trong xử lý tín hiủ ố ệu dàn Trong chương 2 này chúng ta sẽ ậ t p chung vào cơ ở s lý thuyết của ướ ượng DOA và một số phươc l ng pháp ước lượng DOA Để hiểu kỹ hơn về quá trình ước lượng DOA trước tiên chúng ta cùng tìm hiểu về dàn ăngten thích ứng Dàn ăngten thích ứng là một loại ăngtenthông minh

2.1 Dàn ăngten thích ứng

Dàn ăngten thích ứng có nhiều dạng khác nhau, trong luận văn này tôi xin

giới thiệu dàn ăngten đồng dạng tuyến tính ULA gồm nhiều phầ ử ống nhau, n t giđược đặt thẳng hàng và cách u nhau trong không gian Thông thường khoảng đềcách giữa hai phần tử ăngten trong dàn là d = 0.5λ trong ó đ λ là bước sóng của tín

hi u.ệ

Hình 2.1 Dàn ăngten ULA gồm các phần tử cách đều nhau đặt dọc theo trục x

Hướng sóng tới

Hình trên là một dàn ăngten thích ứng gồm các chấn tử được sắp xếp định

hướng theo trục x, khoảng cách các phần tử là d Các chấn tử đối xứng có độ dài l

=λ/2, có bán kính tiết diện a rất nhỏ so với ước sóng λ Sóng phẳng được phát ra từ b

một nguồn phát nào đó sẽ đi tới dàn ăngten ừ ướng (θ φ) Vớ θ là góc ngẩng còn t h , i

φ là góc phương v Sóng t i lan truy n theo phương pháp sóng mặt nên có thể ấị ớ ề x p

x ỉ θ= π/2

Để đơn giản trong việc phân tích ta gi thi t: ả ế

nguồn phát đến ăngten vthu để ới cùng một nguồn phát ta có th coi các ể

tia sóng t i làớ song song và biên độ tín hiệu nhận được trên các phần tử là

nh nhau.ư

- Bỏqua sự ương hỗ giữt a các ph n t ầ ửtrong dàn ăngten

- Tất cả những trường sóng tới đều có thể chia thành một lượng các mặt

phẳng sóng rời rạc Như vậy, số tín hiệu đến ăngten sẽ là hữu hạn

2.2 Cơ sở lý thuyế t chung của ư ớ c lượ ng DOA

Xét một ăngten đồng dạng tuyến tính với M chấn tử ta giả thiết cần xác định

hướng sóng tới của K sóng tới từ K nguồn độc lập trong dải tần phát sóng hẹp Với

điều kiện K<M (hình 2.2.)

Ta có k = ,1K

m = 1,M

Trên mỗi máy thu ta đều nhận được K tín hiệu sóng tới cùng với nhiễu Xét

đầu ra của máy thu thứ m ta có:

Hình 2.2 Dàn ăngten đồ ng d ng tuyến tính ULA có M chấn tử và K sóng tới ạ

Ta gọi U(t) là tổng các tín hi u nh n được tạệ ậ i đầu ra c a M ch n t dàn ủ ấ ửăngtenULA thì ta thu được:

()

của K sóng tới và nhiễu:

Um(t)= [ um1(t) um2(t) umK(t) u mM(t) ] (2.5) A(ϕ) là ma trận các vecto chỉ phương, thu được ở đầu ra máy thu và là ma trận MxK chiều mang thông tin về góc pha của tín hiệu sóng tới

A(ϕ) = [ ϕ a( 1) a(ϕ2) a(ϕk) a(ϕK)] (2.6)

với: a(ϕk) = [1 exp(-j∆ϕk) exp(-j2∆ϕk) exp -[j(M-1)∆ϕk] ]T (2.7)

∆ϕk= ω∆t = (ω∆ Lk/c) = (2.πc.f.d..sinϕk ) = 2.πλ.d .sinϕk (2.8)

S(t) là vecto hàm ch a biênứ độ đường bao phức của K tín hiệu đầu ra

S(t) = [ s1(t) s2(t) …sk(t) … sK(t) ]T (2.10)

Sk(t) là đường bao phức băng tần gốc của sóng tới thứ k

N(t) là vecto nhiễu nhận được ở đầu ra của máy thu

N(t) = [n1(t) n2(t) … nm(t) … nM(t)]T (2.11)Vậy tín hiệu nhận được ở đầu ra của dàn ăngten bao gồm ba thành phần chính là:

- Thành phần mang thông tin về góc pha của tín hiệu sóng tới A(ϕ)

- Thành phần ch a biên ứ độ đường bao phứ ủc c a K tín hi u S(t)ệ

- Thành phần nhiễu N(t)

Theo trên ta thấy tín hiệu tớ ỗi dàn ăngten thích ứng sẽ được mô hình hoá i mbao gồm 3 thành phần chính và tuỳ vào t ng thuừ ật toán cụ thể mà ta có các phương pháp để c ướ lượng h ng sóng tướ ới của tín hiệu mong muốn Dưới đây là một sốthuật toán sử ụ d ng ước lượng góc pha của tín hi u sóng t i ệ ớ

2.3 Một số thuật toán ướ c lư ng hướ ợ ng s ng t ó ớ i DOA

2.3.1 Xác định DOA cho dàn ăngten thích ứng

Gọi: t là khoảng t∆ hời gian sóng tới đi h t đoạn đưế ờng L

Φ là pha ngẫu nhiên phát sinh trong quá trình truyền sóng

Hình 2.3 Dàn ăngten ULA trong trường hợp có 2 chấn tử và có 1 sóng tới

Ta có tín hiệu RF ở đầu vào 2 máy thu là:

T ừcông thức trên ta thấy, để xác nh h ng sóng tớđị ướ i ta c n xác định sai pha ầ

∆ϕ của tín hiệu thu được ở hai phần tử thu (là sai pha do khoảng cách giữa các phần tử dàn tạo ra) Khi đó có thể xác định hiệu khoảng cách ∆L

2.3.1.2 Trường hợp có K sóng tới và M chấn tử (K<M)

Trường hợp này ta cũng đã trình bày ở phần trên (mục1) Tín hiệu tổng hợp thu được ở đầu ra là:

Với A(ϕ) là thành phần mang thông tin về góc pha của tín hiệu sóng tới

S(t) là thành phần chứa biên độ đường bao phứ ủc c a K tín hiệu

N(t) là thành phần nhiễu

s

Đây là cơ ở để xây dựng các thuật toán c lướ ượng h ng sóng tới của tín ướhiệu Dưới đây là một số thuật toán tiêu biểu dùng để ước lượng DOA của tín hiệu

2.3.2 Một số thuật toán ước lượng hướng sóng tới:

2.3.2.1 Thuật toán ước lượng góc đến bằng ma trận Bartlett

Đây là kỹ thuật do Bartlett đưa ra, và được coi là kỹ thuật cổ nhất trong việc ước lượng DOA cho nguồn tín hiệu Trong phương pháp này ta lái dàn ăngten theo một hướng nhất định tại một thời điểm và đo công suất đầu ra Hướng mà có công

suất đầu ra lớn ất thì xác đị đúng DOA của nguồn tín hiệu đến nh nh

Ước lượng DOA được xác nh bằng việđị c ch n dỉnh cao nhất của phổ ọ công

su sauất : [5]

P(ϕ) =a a(Hϕ().ϕR).uua(.aϕ()ϕ)

H

(2.23)Trong đó - P(ϕ) là công suất của nguồn tín hiệu đến với góc tới ϕ

-

a(ϕ) vecto chỉ phương

- R

uuma trận tự tương quan ủ c a t n hiệí u thu được u(t)

Phương pháp này chỉ thật sự chính xác khi số nguồn tín hiệu là 1 Khi số nguồn lớn hơn một và khoảng cách giữa các nguồn là nhỏ thì việc phát hiện các nguồn tín hiệu không còn chính xác nữa ] [5

2.3.2.2 Thuật toán ước lượng phổ [5]

Ước lượng phổ là một trong những kỹ thuật ước lượng DOA đơn giản nhất

N u ế ta ước ượng được ma trận tự ương quan đầu vào và biết các vecto chỉ phương l ta(ϕ) thì có thể xác định được công suất tín hiệu thu đượ ổng cộng ở đầu ra theo c thàm của góc tới (DOA) Ở đây giá trị góc ϕứng với giá trị ự c đại (đỉnh) của hàm c phổ công su t: ấ

P(ϕ) = AH (ϕ).LR2uu.A(ϕ)

) (2.24

Trong đó: - P(ϕ) là hàm phổ công suất trung bình theo góc tới

2.3 2.3 Thuật toán ướ lượ c ng Capon

Đây là một thuật toán do Capon đưa ra ][5 Đây là m t kộ ỹ thu ạo chùm ật tđược phát triển để kh c ph c hi u n ng th p c a ph ng pháp tạo chùm thông ắ ụ ệ ă ấ ủ ươ

thường khi có nhiều nguồn sóng băng t n hầ ẹp từ các DOA khác nhau Phương pháp này có thể áp dụng được với các nguồn độ ập và bc l ăng hẹp, tuy nhiên tín hiệu đầu

ra của dàn ăngten thu đượ ẽ ồc s g m có tín hiệu mong muốn và tín hiệu không mong

muốn từ các ước lượng DOA khác Capon đã giả đến mức t i thim ố ểu sự ế k t hợp giữa tín hiệu DOA không mong muốn bằng cách tối ưu t ng tín hiổ ệu đầu ra trong khi khuếch đại tín hiệu chính tìm th y ấ

Trước tiên ta tính vecto trọng s theo công thố ức

WC =

)(.)

(

)(

1

1

ϕϕ

ϕaRa

aR

ss H

ss

−

−

(2.25)Khi có vecto trọng số thì công suất tín hiệu ra của dàn ăngten sẽ là:

PC(ϕ)=

)(.)

(ϕ 1R1a ϕ

Ỏ đây ss là ma trận tự tương quan ủa t n hiệu ph t

a(ϕ) là vecto hướng mang thông tin về góc pha của tín hiệu tới

a(ϕ) = [1, e-j(2 π / λ )dcosϕ , …, e-j(2 π / λ )d(M 1)cos - ϕ ]T (2.27)Các DOA ở đây có thể được tìm thấy từ K đỉnh cao nhất từ phổ công suất của phương trình trên Tuy nhiên phương pháp này v n còn hẫ ạn ch là phế ụ thuộc vào sốphần tử của dàn ăngten và SNR của tín hiệu Và phương pháp này cũng không thể xác định được với các nguồn tương quan

2.3.2.4.Thuật toán khả ă n ng l n nh ớ ấ t MLM (Maximum Likehood Method)[5]

Đây là thuật toán tối đa hoá hàm Log – likehood ước lượng DOA từ một bộ

m u ẫ chuỗi cho tr c Hàm Likehood ướ được cho bởi hàm mật độ xác suất của dữ liệu

t ừcác thông tin về DOA [5]:

).det(

2 2

i i

M

i

tsAtx

σσ

∏

+

( 2.28)

- Trong đó σ2là năng lượng tạp âm

- I là ma trận đơn vị , kích thước KxK

- A(ϕ) là vecto chỉ phương

- x(ti) là tín hiệu nhận được tại đầu ra của phần tử thứ i

- s(ti) là tín hiệu tại đầu ra c a phủ ần tử thứ i Khi SNR nhỏ ặ ho c s tín hiố ệu nhỏ , các biến không tương quan, thuật toán khả năng cực đại là tốt hơn hẳn các thu t toán khác ậ

2.3.2.5 Thuật toán phân loại tín hiệu đa đường MUSIC (MUltiple SIgnal Classification)[5]

MUSIC là thuật toán phân loại tín hiệu đa đường, dựa trên không gian con,

s dử ụng ác phép toán ma trậ để tìm ra DOA bằng cách xử lý, phân loại các nguồn c n tín hiệu đi tới từng phần tử ăngten theo góc không gian Thuđộ ật toán này còn cung

cấp thông tin về ường độ, tương quan chéo c c ủa chúng và công suất nhiễu

Do vậy, yêu c u khầ ối lượng tính toán lớn, độ chính xác của kích cỡ dàn cao

và cần được u chỉnh bằng thực nghiệm điề

Ta có ma trận tự tương quan của vecto tín hi u U(t) là: ệ

E[N.NH] = σ2.I

Từ đó ta có Ruu = A.Rss.AH+ σ2.I

Với: Ruulà ma trận ự ươ t t ng quan

A thành phần mang thông tin về góc pha của tín hiệu sóng tới

σ2 là năng l ng tượ ạp âm

I là ma trận đơn vị có kích thước KxK

Sau khi đã có ma trận tự tương quan của vecto tín hiệu thu U(t), ta sẽ xác định các giá trị riêng, phân loại tín hiệu và nhiễu thu được thành hai không gian con: không gian con tín hiệu và không gian con nhiễu Cuối cùng là đi tìm các giá trị đỉnh của phổ công suất MUSIC

2.3.2.6 Thuật toán ướ c lư ợ ng các tham s c a tín hiệu dựa trên c c k ố ủ á ỹ thuật

b ấ t biến quang ESPRIT -

Thuật toán ESPRIT (Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques) là phương pháp ước lượng DOA thiết thực và hiệu quả trong việc tính toán Nó gồm hai dàn con đồng nhất (identical subarray) chứa các phần tử ăngtengiống nhau Hai phần tử tạo thành một cặp xác định một vecto lái

đồng nhất Trong thu t toán ậ này số cặp phụ thuộc vào sự chồng lên nhau của hai dàn con Ví dụ n hư dàn ăngten ULA với M chấn tử , sẽ có số cặp không chồng lên nhau bằng nửa số phần tử : M = 2m (hình 2.4), trong đó m là số cặp

Hình 2.4 Hai dàn con đồng nhất không chồng lên nhau với mỗi dàn M/2 chấn

tử

Dàn con 1

Dàn con 2

Nếu các chấn tử của hai dàn chồng lên nhau thì số cặp là lớn nhất (m = M-1) như (hình 2.5) So v i thu t toán MUSIC thì thuớ ậ ật toán ESPRIT không yêu cầu phải xác định toàn bộ ố vecto h s ướng trong ước l ng DOA Ngoài ra ESPRIT làm giượ ảm khả năng tính toán phức tạp và yêu cầu bộ nhớ, nên có khả năng thực hiện trong

thời gian ự th c

Hình 2.5 Hai dàn con chồng lên nhau với mỗi dàn M- 1 phần tử

Xét dàn ăngten ULA chứa M chấn tử gồm 2 dàn con không chồng lên nhau Khi đó tín hiệu nhận được ở cặp thứ i gồm 2 tín hiệu là Y và Z tương ứng với mỗi phần tử của cặp:

Φ là ma trận KxK chứa thông tin về ước lượng DOA

Và Φ được xác định như sau:

Φ = diag [ e− j(2π/λ)d.cosθ1, , e− j(2π/λ)d.cosθk ]

Dàn con 1

Dàn con 2

Để xác định được DOA thì trước tiên ta phải xác nh được đị Φ , và ma trận Φ được xác định qua ph ng trình sau: ươ

.)(

)

N

NtSA

At

Z

tY

G z

n và Gn là giá trị riêng và vecto riêng của không gian con nhiễu

Hạng của RGG là K b i vì nguở ồn là không tương quan và

Từ đó xác nh duy nhấ ộđị t m t ma tr n T: ậ

TA

ATG

GG

ATΨT-1= AΦ (2.46) Hay

Từ phương trình (2.45) sau khi ta xác định được Ψ thì ta sẽ xác định được Φ

và ta suy ra được các góc DOA tương ứng

2.3.2.7 Kết luận

Ở trên đã trình bày về một số thuật toán ước lượng DOA đã và đang được nghiên cứu, xem xét trên thế giới, ngoài các thuật toán trên còn một số thuật toán khác chưa đề cập đến do thời gian có hạn như: thuật toán Entropy lớn nhất, thuật toán Reddi, thuật toán Root Music

Trong khuôn khổ ủ c a luận văn này, tôi xin đi sâu nghiên cứu thuật toán MUSIC để ấ th y rõ ưu đi m c a thu t toán đ phân gi i cao trong ư c lư ng hư ng ể ủ ậ ộ ả ớ ợ ớ

sóng tới DOA

2.4.1.1 Thuật toán MUSIC

Giả s ử có K sóng tới dàn ăngten M chấn tử, thì trong phần trướcđã trình bàybiểu th c c a tín hi u thu được tổng cộng là: ứ ủ ệ

()