anten thông minh và áp dụng trong các hệ thống đa sóng mang báo cáo kỹ thuật anten truyền sóng kỹ thuật điện tử viễn thông

- Véc-tơ trọng số của dàn anten được biểu diễn là: trong đó L là số phần tử từ 4 đến 8 của dàn anten mảng pha, θ là hướng sóng đến từ mục tiêu trong mặt phẳng phương vị.. - Chúng tôi đề

TỔNG LIÊN ĐOÀN LAO ĐỘNG VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÔN ĐỨC THẮNG

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

ANTEN THÔNG MINH VÀ ÁP DỤNG TRONG CÁC HỆ THỐNG ĐA SÓNG

MANG

BÁO CÁO KỸ THUẬT ANTEN TRUYỀN SÓNG

KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

Giảng viên hướng dẫn

TS Nguyễn Kiều Tam

Sinh viên thực hiện

Dương Tấn Kiệt – 42001041

Nguyễn Đăng Khoa - 42001036

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NĂM 2023

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến TS Nguyễn Kiều Tam đã giúp

đỡ, hướng dẫn và đưa ra những biện pháp, góp ý để tôi có thể thực hiện đồ án của mìnhmột cách tốt nhất Ngoài tôi, em cũng xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô khác trongKhoa Điện – Điện tử cũng như các anh chị khóa trước đã tạo điều khiện giúp đỡ tôi trongxuyên suôt quá trình thực hiện

Do kiến thức và kinh nghiệm thực hành còn nhiều hạn chế và thiếu xót nên khôngthể tránh khỏi nhiều điểm sai xót, kính mong quý thầy cô có thể góp ý và chỉ bảo nhiềuhơn

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 20 thánh 10 năm 2023

Sinh viên thực hiện

Dương Tấn Kiệt

Nguyễn Đăng Khoa

Mục lục

A.MỞ ĐẦU 5

1.Giới thiệu đề tài 5

2.Đặt vấn đề 5

3.Các mục tiêu báo cáo 5

4.Phạm vi và giới hạn của báo cáo 5

5.Phương pháp nghiên cứu 6

B.NỘI DUNG 7

Chương 1 7

1.1 Dung năng của hệ thống MIMO (Multiple Input Multiple Output) 7

1.2 Anten thông minh cho OFDM 7

Chương 2 8

Chương 3 9

3.1 Phân tích dàn anten không tâm pha với đặc tính pha phi tuyến 9

3.2 Kết hợp dùng dàn anten không tâm pha và thuật toán MUSIC (Multiple Signal Classification) 9

3.3 Mô phỏng đánh giá chất lượng của phương pháp MUSIC dùng dàn anten không tâm pha 11

4.3.1 Hệ thống hiện dùng cải tiến hỗ trợ OFDM (hệ thống 1) 14

4.3.2 Hệ thống hiện dùng cải tiến hỗ trợ OFDM và tạo búp sóng thích nghi theo hướng người dùng (hệ thống 2) 14

4.3.2.1 Các tính toán dung lượng cho đường lên hệ thống 2 15

4.3.2.2 Các tính toán dung lượng đường xuống hệ thống 2 20

4.3.3 Hệ thống hiện dùng cải tiến hỗ trợ OFDM và MIMO 2x2 (hệ thống 3) 214.3.4 Hệ thống hiện dùng cải tiến hỗ trợ OFDM và MIMO 2x2 kết hợp tạo búp sóng thích nghi (hệ thống 4) 21

C KẾT LUẬN 22

A.MỞ ĐẦU

1.Giới thiệu đề tài

- Hiện nay, hệ thống thông tin di động không dây thế hệ thứ tư đang bùng nổ Với sự gia tăng của các dịch vụ thoại phi truyền thống, yêu cầu ngày càng tăng về dung lượng hệ thống để hỗ trợ truyền dữ liệu tốc độ cao, xem video trực tuyến, duyệt web và các dịch vụkhác mọi lúc mọi nơi

- Các câu hỏi nghiên cứu được quan tâm không chỉ liên quan đến các công nghệ mới riêng lẻ như mã hóa, điều chế, phân tập, tổng hợp kênh ăng ten mảng, ăng ten thông minh, v.v mà còn từ góc độ phối hợp, đồng thời kết hợp các công nghệ trên để nâng cao hiệu quả sử dụng tài nguyên hệ thống Tuy nhiên, nghiên cứu từ góc độ tổ hợp công nghệ này còn hạn chế trong những năm gần đây

3.Các mục tiêu báo cáo

- Xây dựng bản đồ ăng-ten thông minh, bao gồm hệ thống tìm hướng sử dụng công nghệ ăng-ten không pha để xác định hướng sóng tới và hệ thống điều khiển chùm tia theo dõi người dùng di động

- Áp dụng sơ đồ này vào hệ thống thông tin di động OFDM để tạo ra tổ hợp cấu trúc mớiOFDM/SDMA kết hợp với các kịch bản cụ thể

- Đánh giá khả năng và năng lực gia tăng của tổ hợp kết cấu mới này

4.Phạm vi và giới hạn của báo cáo

- Hệ thống ăng ten thông minh đề xuất trong bài viết này có thể áp dụng cho hệ thống thông tin di động hiện nay với cấu trúc ô lục giác đều ở chế độ tái sử dụng tần số 3x3x1 Môi trường truyền sóng được xem xét là các khu vực đô thị và ngoại vi, và tổn thất điện năng theo hàm của khoảng cách được coi là tuân theo quy luật logic chuẩn với phương

sai σs = 8 dB Sự thay đổi tần số và PAPR (tỷ lệ công suất đỉnh trên trung bình) không được xem xét trong bài báo Ăng-ten mảng pha băng thông rộng có khả năng điều khiển chùm tia thích ứng.

5.Phương pháp nghiên cứu

- Tính toán lý thuyết: Lý thuyết tổng hợp dựa trên anten dàn, anten không tâm pha, xử lý tín hiệu ngẫu nhiên, tách và thu tín hiệu và các vấn đề lý thuyết liên quan đến đề tài

- Mô phỏng trên máy tính: Mô phỏng các kịch bản cụ thể và so sánh với tính toán lý thuyết

B.NỘI DUNG Chương 1

MỘT SỐ KỸ THUẬT CHO HỆ THÔNG TIN

m = min(nT , nR ); là ma trận kênh truyền; Bk là băng thông của các kênh nhỏ bằngH

nhau Từ công thức (1.42) ta suy ra khi ma trận kênh H có hạng đầy đủ, các anten phát vàthu không tương quan thì dung năng kênh MIMO sẽ tỷ lệ với

theo hàm logarit

1.2 Anten thông minh cho OFDM

- Việc áp dụng anten thông minh cho hệ thống OFDM đã có một số nghiên cứu bước đầu như của K K Wong [24]; Y Li và N.R Sollenberger [60] và F Wang cùng cộng sự [16] K K Wong đã thực hiện tối ưu trọng số phức (biên độ và pha) của dàn anten tại cả trạm gốc và người dùng để có mức SNR cực đại ở đầu ra Y Li và N.R Sollenberger thì xem xét áp dụng anten thích nghi cho hệ thống OFDM để nén nhiễu đồng kênh; sử dụng kết hợp cả dự đoán kênh thuận và ngược; khai thác trạng thái kênh quá khứ, hiện tại và tương

quan của tín hiệu và đáp ứng của kênh truyền Song hạn chế của các công trình này là

hệ anten xử lý tín hiệu phức tạp và mô hình cấu trúc búp sóng cho mạng di động OFDM chưa rõ ràng

Chương 2

TẠO BÚP SÓNG TRONG HỆ ANTEN THÔNG MINH

- Có nhiều cách tạo chùm anten phục vụ cho nhiều mục đích khác nhau Chương này thảo luận về hai phương pháp điều khiển chùm tia: điều khiển tối ưu dựa trên các mục tiêu cố định (sơ đồ đơn vị chùm tia và sơ đồ không gian chùm tia) và điều khiển kết hợp chùm tia thích ứng (thuật toán LMS) cho các tình huống mục tiêu chuyển động Do hệ thống xử lý tín hiệu ăng-ten yêu cầu phải đơn giản và ăng-ten phải có khả năng thích ứng với các mục tiêu chuyển động nên chúng tôi chọn phương pháp xoay chùm tia thích ứng.Phương pháp quay búp thích nghi:

- Chùm tia chính của hệ thống ăng ten thông minh đặt tại trạm gốc có khả năng theo dõi các mục tiêu chuyển động trong phạm vi một mét [3-4] Trên thực tế, do bài báo sử dụng ăng-ten mảng pha nên chỉ cần điều khiển pha của bộ ăng-ten để xoay chùm tia chính của ăng-ten tới mục tiêu Mục tiêu ở đây là vị trí trong vectơ có mật độ người dùng cao nhất

- Véc-tơ trọng số của dàn anten được biểu diễn là:

trong đó L là số phần tử (từ 4 đến 8) của dàn anten mảng pha, θ là hướng sóng đến từ mục tiêu trong mặt phẳng phương vị

Để thực hiện được việc quay búp thích nghi, hệ điều khiển búp sóng anten cần có thông tin về hướng sóng đến của mục tiêu (véc-tơ hướng a(θ)) từ hệ thống tìm hướng (hệ thống này sẽ được trình bày chi tiết ở chương 3) Khi mục tiêu di chuyển, véc-tơ hướng

sẽ thay đổi và véc-tơ trọng số cũng sẽ cập nhật theo Kết quả là búp sóng chính sẽ thực hiện việc quay búp thích nghi

Chương 3

XÁC ĐỊNH HƯỚNG SÓNG DÙNG

DÀN ANTEN KHÔNG TÂM PHA

3.1 Phân tích dàn anten không tâm pha với đặc tính pha phi tuyến

Dàn anten không tâm pha dùng 4 dipole đứng xếp thành 2 cặp để trục của cặp thứ nhất vuông góc với trục của cặp thứ 2 Tọa độ Đề Các của các dipole và pha của dòng kích thích của chúng mô tả như sau:

Số 1 (0, -d1/2, 0), 0 radian; số 2 (0, d1/2, 0), π radian; số 3 (d2/2, 0, 0), π/2 radian; số

4 (-d2/2, 0, 0), 3π/2 radian Suy ra, hệ số dàn của cặp dipole thứ nhất, AF12, biểu diễn là:

Trong đó

Tương tự, hệ số dàn của cặp dipole thứ hai là

Đặc tính pha của hệ anten là

Nói chung, () là một hàm phi tuyến theo θ Nếu chọn d = 51 λ, d 2 = 3 ta có λ

Đây rõ ràng cũng là một hàm phi tuyến theo θ

3.2 Kết hợp dùng dàn anten không tâm pha và thuật toán MUSIC (Multiple Signal Classification)

- Đầu tiên chúng ta sẽ mô tả cấu trúc ăng-ten bao gồm hai phần tử Chúng tôi đề xuất rằng phần tử đầu tiên là đơn cực và do đó đặc tính pha của nó không thay đổi (isophase)

- Chúng tôi đề xuất rằng phần tử ăng ten thứ hai là một mảng ăng ten không pha và không tâm (phân tích chi tiết về các phần tử đó được mô tả trong Phần 3.5.5) và các đặc tính pha của phần tử thứ hai được thể hiện trong Hình 3.6.

- Một điểm quan trọng là đặc tính pha của cả ăng ten thứ nhất và thứ hai được biểu thịdưới dạng hàm của góc phương vị điều này có nghĩa là

Hình 3.6 Đặc tính pha của phần tử thứ hai trong hệ tọa độ cực

Tiếp theo sẽ phân tích việc sử dụng dàn anten đề xuất này kết hợp với thuật toán MUSIC để xác định hướng các nguồn phát sóng:

Thay vì sử dụng một dàn anten L phần tử tuyến tính cách đều, đề nghị dùng một dàn anten 2 phần tử kết hợp dịch pha và lấy mẫu phần tử thứ hai theo thời gian L-2 lần Với cách làm như vậy đối với phần tử thứ 2 có đặc tính pha phi tuyến sẽ hình thành một ma trận dàn có hạng L tương tự như ma trận dàn truyền thống (sử dụng dàn anten L phần tử tuyến tính cách đều)

Các bước xử lý tín hiệu tiếp theo hoàn toàn tương tự như phương pháp MUSIC truyềnthống

Vì ma trận tự tương quan đầu ra của dàn anten đồng hạng với ma trận dàn, do đó khi chéo hóa nó ta sẽ có được L giá trị riêng, 1, 2, , L Trong số các trị riêng này chúng λ λ λ

ta sẽ tìm được D trị riêng không âm, tương ứng với D nguồn phát sóng Kết quả này hoàntoàn tương đương với kết quả sử dụng một dàn anten L phần tử tuyến tích cách đều.Trong dàn anten L phần tử tuyến tích cách đều, thì khoảng cách giữa các phần tử nhỏ hơn hoặc bằng /2 Đối với dàn anten 2 phần tử kết hợp di pha và lấy mẫu theo thời gian λthì lượng di pha tương ứng trong mỗi lần dịch pha sẽ nhỏ hơn hoặc bằng λ

Vì các phần tử sau phần tử thứ nhất của véc-tơ hướng được xây dựng trên các mẫu đo thời gian khác nhau của đặc tính pha của phần tử anten thứ hai nên véc-tơ hướng hiệu chỉnh như ở công trình số [2] trở thành

Sau khi thay thế véc-tơ hướng thông thường bằng véc-tơ hướng hiệu chỉnh thì phổ MUSIC hiệu chỉnh trở thành

3.3 Mô phỏng đánh giá chất lượng của phương pháp

MUSIC dùng dàn anten không tâm pha.

- Giả sử có 3 nguồn tín hiệu được điều chế tùy ý, đặt theo các hướng: 0,2, 1 và 2 radian Mức tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm của các nguồn này bằng 20dB

(SNR1=SNR2=SNR3=20dB) Đã sử dụng 2 anten để so sánh Mảng đầu tiên là mảng ăngten không pha và không tâm 2 phần tử (mảng ăng ten được khuyến nghị) và mảng thứ hai

là mảng tuyến tính 3 phần tử Các bước xử lý tín hiệu đã được mô tả ở Mục 3.6 và chúng tôi thu được kết quả mô phỏng như sau:

- Cả hai mảng anten đều có thể phát hiện nguồn theo hướng 1 và 2 rad Các đỉnh phổ của mảng ăng ten và mảng ăng ten tuyến tính đề xuất là khoảng 30dB và 40dB (Hình 3.7)

- Thuật toán MUSIC chỉ có thể phát hiện tối đa nguồn L-1 trong mảng anten phần tử

L (mảng tuyến tính 3 phần tử chỉ có thể phát hiện 2 nguồn) Tuy nhiên, mảng ăng ten đề xuất có thể phát hiện thêm các nguồn theo hướng 0,2 radian, trong khi mảng ăng ten tuyến tính thông thường không thể phát hiện được (mảng 2 phần tử có thể phát hiện 3 nguồn)

- Nhìn chung, như đã đề cập ở Mục 3.6, khi số phần tử của mảng anten nhỏ hơn D thì mảng anten đề xuất có thể phát hiện được các nguồn D Về nguyên tắc, số lượng nguồn được phát hiện không bị giới hạn bởi số lượng phần tử mảng ăng ten Mảng anten Mảng anten (Hình 3.7 và 3.8)

- Chất lượng của dàn anten đề xuất phụ thuộc vào góc quay của anten trung tâm không pha với đặc tính pha phi tuyến Khi góc quay là 0,1 và 0,5 radian thì đỉnh phổ của anten được khuyến nghị là 30dB (Hình 3.7) Khi góc quay là 0,5 và 0,8 radian thì đỉnh phổ của anten được khuyến nghị là 35dB (Hình 3.8)

3.4 Kết luận

- Mặc dù phương pháp MUSIC rất hiệu quả trong việc tìm hướng của sóng tới, nhưng

số lượng mục tiêu tối đa có thể được phát hiện bằng thuật toán này bị giới hạn bởi số lượng phần tử mảng ăng-ten (số lượng mục tiêu được phát hiện là mục tiêu L-1) Mảng ăng ten L của các phần tử tuyến tính cách đều nhau)

- Chúng tôi đề xuất một hệ thống tìm hướng mới sử dụng ăng-ten hai phần tử và thuật toán MUSIC Phần tử thứ nhất cùng pha và phần tử thứ hai không có tâm pha và có đặc tính pha phi tuyến

Kết quả phân tích và mô phỏng cho thấy hệ thống tìm hướng hoạt động tốt

- Do phần tử mảng thứ hai có đặc tính pha phi tuyến, nên nếu nó được lấy mẫu theo không gian L-2 lần, thì sẽ thu được một bộ dữ liệu tương đương với mảng ăng ten tuyến tính sử dụng L phần tử mảng cách đều nhau Vì hạng của ma trận mảng là D nên chúng ta

có thể phát hiện mục tiêu D Nói cách khác, số lượng mục tiêu được phát hiện về nguyên tắc không bị giới hạn bởi số lượng phần tử mảng (ở đây chúng tôi sử dụng ăng ten 2 phần

tử có khả năng phát hiện mục tiêu D)

- Đóng góp mới của hệ thống tìm hướng được chia thành ba điểm

Điểm đầu tiên là về mặt cấu trúc ăng-ten, hệ thống tìm hướng của chúng tôi sử dụng cấu trúc ăng-ten hai phần tử, đơn giản hơn nhiều so với cấu trúc ăng-ten tuyến tính phần

Các kết quả khoa học liên quan được công bố đều được đánh số [2]

4.1.2 Anten thông minh ở trạm gốc

4.1.2.1 Anten thu và phát

Chúng tôi đề xuất dùng anten thứ nhất là một dipole đặt ở tâm của trạm gốc, ký hiệu

là Tx1 và Rx1 như trên Hình 4.2 Anten thứ hai là các dàn anten mảng pha băng rộng L phần tử (thường từ 4 đến 8 phần tử) đặt ở ba cạnh của trạm gốc, ký hiệu là Tx2 và Rx2 như trên Hình 4.2 Cả hai anten đều làm việc ở chế độ song công

4.1.2.2 Hệ anten tìm hướng của trạm gốc

Chúng tôi đề xuất dùng hệ tìm hướng để xác định hướng sóng đến gồm hai phần tử vàthuật toán MUSIC như miêu tả ở mục 3.6 Dàn anten này đặt trên đỉnh của trạm gốc (Hình 4.2)

tiêu (vị trí có mật độ người dùng cao nhất trong một séc-tơ 120 ) dựa trên kết quả dự o

đoán hướng sóng đến dùng dàn anten không tâm pha và thuật toán MUSIC Trong hệ thống OFDM gọi là hệ SISO-ADAPTIVE-OFDM

4.3.2.1 Các tính toán dung lượng cho đường lên hệ thống 2

Giả thiết bài toán:

Xét cấu trúc tế bào hình lục giác đều và hai lớp tế bào đầu tiên xung quanh tế bào trung tâm (số lượng tế bào khảo sát, M=18) Các trạm gốc đặt tại tâm của các tế bào Mỗiséc-tơ có tối đa K người dùng hoạt động Mẫu sử dụng lại tần số là 3x3x1

Có điều khiển công suất trong mỗi tế bào để công suất phát mỗi người dùng là P Suy giảm công suất theo cự ly được coi là tuân theo luật Lognormal, phương sai, s = 8 dB

Hệ thống thông tin di động OFDM hỗ trợ nhiều kiểu đa truycập Báo cáo xét ví dụ trường hợp đa truy cập theo không gian(SDMA) xem như mỗi người dùng trong một séc-

tơ sử dụng N sóng mang và đều có khả năng cùng một lúc truy cập vào hệ thống theo các phương khác nhau, khoảng cách khác nhau

Anten ở trạm gốc là anten mảng pha băng rộng L phần tử cách đều (4 đến 8) với độ rộng búp chính khoảng 30 Hệ tìm hướng dùng dàn anten không tâm pha và thuật toán O

MUSIC (đã trình bày ở Chương 3)

Anten của người dùng chỉ yêu cầu là anten vô hướng

Thông tin về hướng đến của mục tiêu từ hệ tìm hướng BTS dùng để điều khiển búp sóng chính của dàn anten mảng pha trên mỗi sector bám theo mục tiêu (ở đây chính là vị trí có mật độ người dùng cao nhất trong sector)

Từ đó, ta tính toán xác suất vượt ngưỡng là hàm số của số người dùng và độ rộng búp sóng anten với mức BER=10-5 (để đáp ứng khả năng truyền tín hiệu hình ảnh) như sau Tín hiệu đầu vào một trạm gốc sau khi qua anten là:

trong đó

- P là công suất phát đối với mỗi người dùng

- K là số người dùng hoạt động trong một séc-tơ; N là số sóng mang mà mỗi người dùng sử dụng (N=2, 8, 16, 32); M là số lượng tế bào trong mô hình bài toán (M=18)

- là dữ liệu đầu vào của người dùng thứ k đối với sóng mang thứ m

- véc-tơ hướng của dàn anten đối với người dùng thứ k tại tế bào trung tâm là véc-tơhướng của dàn anten đối với người dùng thứ k tại tế bào thứ m.

- là trễ từ người dùng thứ k vào tâm tế bào

là tỷ số công suất nhiễu đồng kênh của người dùng thứ k, từ tế bào thứ

- là khoảng cách từ người dùng thứ k trong tế bào thứ m vào tế bào trung tâm; tuân theo luật Lognormal với phương sai: = 8 dBs

- là tạp âm tuân theo phân bố Gauss với trung bình bằng không, phương sai, 2

Sau khi lấy FFT của x(t), dữ liệu thu được từ người dung thứ 0 (người dùng mong muốn) tại sóng mang thứ n ở tế bào trung tâm là

Dùng anten mảng pha thì biên độ các trọng số đối với các sóng mang (subcarrier) là như nhau, nên sau khi nhân với trọng số và cộng chúng lại ta có

Trong đó I1, I 2 là nhiễu đồng kênh từ các người dùng trong tế bào trung tâm và từ các người dùng trong các tế bào xung quanh

Quá trình dự đoán a : ở đây việc dự đoán ao được thực hiện dùng hệ tìm hướng đã o

giới thiệu ở Chương 3

Trong trường hợp sử dụng anten thông minh, thì dàn anten có đáp ứng đơn vị theo hướng mục tiêu, hay là Dùng giá trị a dự đoán được và tính chất trên của dàn anten o

thông minh thành lập biến quyết định: