Nghiên cứu đánh giá phẩm chất bộ định hướng vô tuyến sử dụng anten thích nghi

MỤC LỤC DANH SÁCH HÌNH VẼ 2 DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT 4 LỜI NÓI ĐẦU 6 TỔNG QUAN VỀ ANTEN THÍCH NGHI 8 1.1 Nhu cầu thông tin vô tuyến 8 1.2 Đa truy nhập 10 1.3 Bộ định dạng búp sóng số (DBF – Digital Beamforming) 15 1.4 Anten thích nghi là gì 19 1.5 Các lợi điểm của anten thông minh 23 1.6 Tóm tắt 31 NGUYÊN TẮC CƠ BẢN CỦA ANTEN DÀN 32 2.1 Các khái niệm cơ bản 32 2.2 Mô hình tín hiệu dàn 34 2.3 Định dạng búp sóng thích nghi 37 2.4 Tiêu chuẩn thực hiện tối ưu 41 2.4.1 Minimum Mean Square Error (MMSE) 41 2.4.2 Maximum Signal to Interference plus Noise Ratio (MSINR) 43 2.4.3 Maximum Likelihood (ML) 44 2.4.4 Minimum Variance (MV) 46 2.5 Các thuật toán thích nghi 47 2.5.1 Least Mean Square (LMS) 47 2.5.2 Sample Matrix Inversion (SMI) 49 2.5.3 Recursive Least Squares (RLS) 49 2.6 Tóm tắt 51 CÁC PHƯƠNG PHÁP ƯỚC LƯỢNG GÓC TỚI 53 3.1 Khái niệm về phương pháp ước lượng góc tới 53 3.2 Các phương pháp ước lượng góc tới hiện tại 54 3.2.1 Phương pháp bộ định dạng búp sóng (Beamformer) 56 3.2.2 Phương pháp Capon 60 3.2.3 Phương pháp dự đoán tuyến tính 61 3.2.4 Chương trình mô phỏng 64 3.2.5 Kết quả mô phỏng 68 3.3 Tóm tắt 70 KẾT LUẬN 71 TÀI LIỆU THAM KHẢO 74

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC CHUYÊN NGÀNH ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ PHẨM CHẤT BỘ ĐỊNH HƯỚNG VÔ TUYẾN SỬ DỤNG ANTEN THÍCH NGHI HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ HOÀNG THU HƯƠNG KHÓA 1 HỆ ĐÀO TẠO KỸ SƯ DÂN SỰ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC NGÀNH ĐIỆN – ĐIỆN TỬ MÃ SỐ 20.00 NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ PHẨM CHẤT BỘ ĐỊNH HƯỚNG VÔ TUYẾN SỬ DỤNG ANTEN THÍCH NGHI MỤC LỤC DANH SÁCH HÌNH VẼ 5 DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT 6 LỜI NÓI ĐẦU 9 TỔNG QUAN VỀ ANTEN THÍCH NGHI 11 1.1Nhu cầu thông tin vô tuyến 11 1.2Đa truy nhập 13 1.3Bộ định dạng búp sóng số (DBF – Digital Beamforming) 18 1.4Anten thích nghi là gì 22 1.5Các lợi điểm của anten thông minh 26 1.6Tóm tắt 35 NGUYÊN TẮC CƠ BẢN CỦA ANTEN DÀN 36 2.1Các khái niệm cơ bản 36 2.2Mô hình tín hiệu dàn 38 2.3Định dạng búp sóng thích nghi 41 2.4Tiêu chuẩn thực hiện tối ưu 45 2.4.1Minimum Mean Square Error (MMSE) 45 2.4.2Maximum Signal to Interference plus Noise Ratio (MSINR) 47 2.4.3Maximum Likelihood (ML) 48 2.4.4Minimum Variance (MV) 50 2.5Các thuật toán thích nghi 51 2.5.1Least Mean Square (LMS) 51 2.5.2Sample Matrix Inversion (SMI) 53 2.5.3Recursive Least Squares (RLS) 53 2.6Tóm tắt 55 CÁC PHƯƠNG PHÁP ƯỚC LƯỢNG GÓC TỚI 57 3.1Khái niệm về phương pháp ước lượng góc tới 57 3.2Các phương pháp ước lượng góc tới hiện tại 58 3.2.1Phương pháp bộ định dạng búp sóng (Beamformer) 60 3.2.2Phương pháp Capon 64 3.2.3Phương pháp dự đoán tuyến tính 66 3.2.4Chương trình mô phỏng 69 3 3.2.5Kết quả mô phỏng 73 3.3Tóm tắt 74 KẾT LUẬN 76 Sau 3 tháng làm đồ án, em đã được tìm hiểu về công nghệ anten thích nghi và khả năng ứng dụng thực tế của công nghệ này vào hệ thống thông tin di động hiện nay. 76 Từ việc sử dụng dàn anten thích nghi, hệ thống thông tin di động hiện nay có khả năng mở rộng nhiều hơn nữa các dịch vụ của nó. Điều này có được là nhờ rất nhiều các ưu điểm của anten thích nghi khi được kết hợp trong hệ thống thông tin di động. Anten thích nghi làm cải thiện chất lượng tín hiệu do có khả năng cung cấp tăng ích anten phụ, điều này phụ thuộc vào số lượng phần tử dàn sử dụng, do đó dẫn tới việc cải thiện tỉ số tín/nhiễu và tạp âm (SINR); thứ hai, anten thích nghi làm tăng dung lượng của hệ thống vì anten thích nghi có khả năng cân bằng ở mức trung bình bằng cách tăng đồng thời mức độ tín hiệu thu có ích và giảm mức độ nhiễu, như vậy tỉ số SIR sẽ tăng, với hệ thống TDMA thì ý nghĩa của việc tăng tỉ số SIR chính là giảm khoảng cách tái sử dụng tần số. Thứ ba, sử dụng anten thích nghi làm tăng bán kính phủ sóng do anten thích nghi có tính định hướng cao hơn anten vô hướng hay anten dẻ quạt, nhờ đó phạm vi phủ sóng sẽ tăng lên, dẫn đến hiệu quả hơn về mặt chi phí. Ngoài ra, anten thích nghi còn làm giảm truyền dẫn đa đường do sử dụng anten có búp sóng hẹp tại trạm gốc, có khả năng làm giảm công suất phát yêu cầu của trạm gốc do dàn thích nghi cho tăng ích dàn lớn. Cuối cùng sử dụng anten thích nghi rất dễ dàng cho việc triển khai các dịch vụ mới và đồng thời khả năng bảo mật của anten thích nghi là rất lớn 76 TÀI LIỆU THAM KHẢO 78 4 DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 1.1 Mô hình tế bào hình quạt o 120 trong đó các tần số sóng mang khác nhau được sử dụng trong mỗi tế bào, những tần số này lại được tái sử dụng lại ở các hình quạt khác trong các tế bào khác 12 Hình 1.2 Mô hình tế bào trong đó thông tin được truyền đi đồng thời giữa người sử dụng và trạm gốc bằng cách sử dụng độc lập các búp sóng lái có tăng ích lớn ở cùng tần số sóng mang 13 Hình 1.3 Mô hình thông tin vệ tinh bao phủ đồng thời các vùng địa lý khác nhau trên cùng một tần số sóng mang nhờ sử dụng các búp sóng hẹp độc lập 14 Hình 1.4 Hệ thống anten DBF 16 Hình 1.5 Mạng định dạng búp sóng tương tự 18 Hình 1.6 Minh hoạ sự khác nhau giữa mô hình phát xạ trạm gốc truyền thống và trạm gốc anten thích nghi 20 Hình 1.7 Mô tả nguyên tắc của anten thích nghi 21 Hình 1.8 Các mức độ thông minh của anten 22 Hình 1.9 Sơ đồ mô phỏng tín hiệu đầu ra SNR ngược với số lượng phần tử dàn 24 Hình 1.10 Minh hoạ việc tăng dung lượng bằng cách giảm 25 5 khoảng cách tái sử dụng tần số Hình 1.11 Sơ đồ mô phỏng vùng phủ sóng được mở rộng nhờ sử dụng anten thích nghi 27 Hình 2.1 Dàn thích nghi với M phần tử 33 Hình 2.2 Các cấu hình hình học khác nhau của dàn thích nghi 34 Hình 2.3 Mô hình tín hiệu dàn thích nghi 34 Hình 2.4 Cấu trúc của bộ định dạng búp sóng băng hẹp thích nghi 38 Hình 2.5 Bộ định dạng búp sóng băng rộng sử dụng TDLs 39 Hình 2.6 Bộ định dạng búp sóng miền tần số sử dụng FFT 40 Hình 2.7 Đặc tính hội tụ của đường cong huấn luyện LMS 48 Hình 2.8 Đặc tính hội tụ của đường cong huấn luyện RLS 51 Hình 3.1 Dàn tuyến tính với M phần tử 54 Hình 3.2 Vấn đề gặp phải với phương pháp Beamformer 59 Hình 3.3 Đặc tính giản đồ hướng của phương pháp Capon 61 Hình 3.4 Giản đồ định hướng sử dụng góc PIAA 62 Hình 3.5 Sơ đồ mô phỏng của cả 3 phương pháp Beamformer, Capon và Linear Prediction 68,69 DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT AA Adaptive Antenna ADC Analog - Digital Converter 6 AOA Angle of Arrival CDMA Code-Division Multiple Access CIR Carrier-to-Interference Ratio DBF Digital Beamforming DCMP Directionally Constrained Minimization of Power DOA Direction of Arrival DoF Degree of Freedom DSP Digital Signal Processing ECF Extended area Coverage Factor EM Electro-Magnetic ESPRIT Estimation of Signal Parameters Via Rotational Invariance Techniques EWF Electronic Warfare FDMA Frequency-Division Multiple Access GEO Geosynchronous Orbits GPS Global Positioning System LCMV Linear Constrained Minimum Variance LEO Low Earth Orbits LMS Least Mean Square LP Linear Prediction MEO Medium-Altitude Earth Orbit ML Maximum Likelihood MMIC Monolithic Microwave Integrated Circuit MMSE Minimum Mean Square Error MSINR Maximum Signal to Interference plus Noise Ratio MSE Mean Square Error MUSIC Multiple Signal Classification MV Minimum Variance 7 MVDR Minimum Variance Distortion-less Response PA Dynamically Phased Array PCS Personal Communications Services PIAA Power Inversion Adaptive Array REF Range Extension Factor RF Radio-Frequency RLS Recursive Least Squares SDMA Space-Division Multiple Access SIR Signal to Interference Ratio SINR Signal to Interference plus Noise Ratio SL Switched Lobe SMI Sample Matrix Inversion SNR Signal-to-Noise Ratio SS/TDMA Satellite-Switched TDMA TDMA Time-Division Multiple Access TDLs Tapped Delayed Lines 8 LỜI NÓI ĐẦU Xã hội càng phát triển, nhu cầu về thông tin di động của con người trong xã hội ngày càng trở nên mạnh mẽ, đòi hỏi nâng cao dịch vụ cả về chất lượng và số lượng. Các nhà khai thác muốn cung cấp dịch vụ thông tin di động cho càng nhiều người càng tốt trong giới hạn đầu tư về công nghệ, về chi phí sử dụng tài nguyên phổ tần số … Còn mỗi người sử dụng đều mong muốn chất lượng dịch vụ tốt hơn, giá thành rẻ hơn, sử dụng dịch vụ thuận tiện hơn, nhiều loại dịch vụ hơn nữa, đặc biệt là các dịch vụ truyền số liệu, dịch vụ hình ảnh, âm thanh, v. v… Có thể nói nhu cầu về thông tin di động hiện nay là cực kỳ to lớn, cần thiết, nó thúc đẩy sự phát triển của thông tin di động theo hướng toàn cầu hoá về mọi phương diện. Tuy nhiên muốn làm được điều này, chắc chắn phải dựa trên các kỹ thuật và công nghệ tiên tiến. Với lý do đó, luôn tồn tại một động lực mạnh mẽ thúc đẩy các công nghệ mới liên tục ra đời, phát triển và hoàn thiện nhằm hỗ trợ hệ thống thông tin di động tăng cường các khả năng dịch vụ của mình. Đồng thời cũng đặt ra các yêu cầu tìm hiểu, ứng dụng các công nghệ mới vào hệ thống thông tin di động sao cho phù hợp với điều kiện của các nước đang phát triển như Việt Nam. Để cải thiện các chỉ tiêu hệ thống, nâng cao khả năng cung cấp dịch vụ của hệ thống thông tin di động, hiện nay có một công nghệ mới đang trong giai đoạn đầu được nghiên cứu, thử nghiệm và triển khai áp dụng vào thực tế, đó là công nghệ anten thích nghi. 9 Công nghệ anten thích nghi hay anten thông minh trong thông tin di động đã thu hút được sự quan tâm to lớn trong những năm gần đây trên phạm vi toàn thế giới. Nguyên nhân cơ bản để anten thích nghi ra đời là nó tạo ra khả năng tăng dung lượng cao trong hệ thống thông tin di động, tăng bán kính phủ sóng do anten thích nghi có tính định hướng cao, làm giảm công suất phát yêu cầu của trạm gốc, làm giảm truyền dẫn đa đường, có khả năng bảo mật và triển khai các dịch vụ mới. Xuất phát từ những ưu điểm nổi trội và khả năng triển khai thực tế của công nghệ anten thích nghi trong các hệ thống thông tin di động hiện nay, nên em đã chọn nghiên cứu đề tài: “Nghiên cứu đánh giá phẩm chất bộ định hướng vô tuyến sử dụng anten thích nghi” Nội dung đồ án bao gồm 3 chương: Chương 1: Tổng quan về anten thích nghi Chương 2: Nguyên tắc cơ bản của anten dàn Chương 3: Các phương pháp ước lượng góc tới Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Trần Xuân Nam - giáo viên hướng dẫn trực tiếp cùng các thầy cô giáo trong khoa Điện tử viễn thông - Học viện Kỹ Thuật Quân sự đã tạo điều kiện và giúp đỡ em hoàn thành đồ án này. Em xin chân thành cảm ơn. Sinh viên Hoàng Thu Hương 10 [...]... những người sử dụng khác Ý tưởng về anten thích nghi sử dụng mô hình 22 anten trạm gốc không cố định và thích ứng với những điều kiện vô tuyến hiện thời đã ra đời Điều này có thể được hình dung như một anten chỉ hướng chùm tia về phía người sử dụng mong muốn Sự khác nhau giữa khái niệm anten cố định và anten thích nghi được minh hoạ ở Hình 1.6 Đối với anten cố định gồm 3 sector, giản đồ hướng anten được... dạng búp sóng thích nghi cũng được đề cập đến như công nghệ anten thông minh trong một số tài liệu Do đó các tên gọi anten thích nghi hay anten thông minh” có thể thay thế cho nhau Tuy nhiên chúng ta sẽ sử dụng tên gọi anten thích nghi hay định dạng búp sóng thích nghi vì phần cơ bản tạo nên sự thích nghi của anten là bộ định dạng búp sóng thích nghi và tên gọi này đã được sử dụng trong một... thời giữa người sử dụng và trạm gốc Dạng mới nhất của SDMA thường sử dụng dàn anten thích nghi Hệ thống loại này gần đây mới được chú ý tới trong các ứng dụng thông tin trên diện rộng Trong các ứng dụng thực tế, dàn thích nghi sử dụng phương pháp định hướng búp sóng số (sử dụng kỹ thuật xử lý số) Hình 1.2: Thông tin được truyền đi đồng thời giữa người sử dụng và trạm gốc bằng cách sử dụng độc lập các... dụng khác với những người hiện đang sử dụng Một định nghĩa phù hợp có thể cho ta thấy sự khác nhau cơ bản giữa anten thông minh/ thích nghi và anten không thông minh/ anten cố định, đó là đặc tính có búp sóng anten thích nghi so với búp sóng cố định Hình 1.7 minh hoạ khái niệm anten thích nghi Hình 1.7: Mô tả nguyên tắc của anten thích nghi Thông thường, thuật ngữ anten chỉ bao gồm một cơ chế chuyển... phép kiểm tra và giúp thiết kế vô tuyến cho hệ thống sử dụng anten thích nghi Hiện nay các mô hình kênh không gian chưa đầy đủ, vì vậy có nhu cầu rất lớn về các mẫu kênh không gian chính xác, phù hợp với môi trường sử dụng anten thích nghi 34 1.6 Tóm tắt Trong chương 1, chúng ta đã tìm hiểu khái niệm về anten thích nghi cũng như sự cần thiết và lợi ích sử dụng anten thích nghi trong thông tin di động,... người, tuy nhiên giá trị để thực hiện bộ khuếch đại công suất tần số cao thường rất đắt • Khả năng triển khai các dịch vụ mới Khi sử dụng anten thích nghi, mạng sẽ sử dụng vị trí thông tin không gian của người sử dụng Thông tin này được dùng để tính toán vị trí của người sử dụng 31 chính xác hơn nhiều so với việc xác định trong các mạng hiện thời Việc xác định vị trí có thể được sử dụng trong các dịch... anten cố định gồm 3 sector, giản đồ hướng anten được thu hẹp thành các góc 120o cố định Trong khi đó, anten thích nghi cho phép tạo nên búp sóng hẹp hướng về phía người sử dụng mong muốn Hơn thế nữa, búp sóng được tạo ra còn có thể thích nghi theo hướng chuyển động của người sử dụng Anten thích nghi sẽ dẫn đến việc sử dụng có hiệu quả hơn về mặt công suất và phổ tần số, tăng công suất thu có ích cũng... khiển thông số phi-đơ của anten, dựa trên một số đầu vào để tối ưu hoá tuyến thông tin Các tiêu chuẩn tối ưu khác nhau có thể được sử dụng và sẽ được giải thích trong mục tiếp theo Điều này chỉ ra rằng anten thích nghi khái quát hơn nhiều so với thuật ngữ anten thông thường Dựa vào định nghĩa ở trên, có thể xác định được “mức độ thông minh” của anten Một tập hợp các định nghĩa sử dụng được mô tả dưới... gây ra cả một vấn đề, từ việc triển khai anten thích nghi ở trạm gốc cho đến khả năng triển khai anten thích nghi ở thuê bao di động • Yêu cầu thiết kế vô tuyến và mô hình kênh không gian Một khó khăn cho khâu thiết kế vô tuyến là do các đô thị nhỏ, các anten trạm gốc được đặt dưới các nóc nhà nên tín hiệu từ người sử dụng mong muốn và nguồn nhiễu đều có xu hướng đi dọc theo các hẻm, đường phố, như... thời gian dài, được ứng dụng trong các lĩnh vực thông tin vệ tinh, radar và các bộ cảm biến điều khiển 1.4 Anten thích nghi là gì Anten trạm gốc cho đến ngày nay vẫn thường là anten vô hướng hoặc anten dẻ quạt Điều này gây nên một sự lãng phí công suất vì hầu hết chúng được phát xạ ra các hướng khác nhau hơn là về phía người sử dụng Thêm vào đó, công suất đã phát xạ ở những hướng khác đó sẽ là nguồn . công nghệ anten thích nghi trong các hệ thống thông tin di động hiện nay, nên em đã chọn nghi n cứu đề tài: Nghi n cứu đánh giá phẩm chất bộ định hướng vô tuyến sử dụng anten thích nghi Nội. 1 HỆ ĐÀO TẠO KỸ SƯ DÂN SỰ ĐỒ ÁN TỐT NGHI P ĐẠI HỌC NGÀNH ĐIỆN – ĐIỆN TỬ MÃ SỐ 20.00 NGHI N CỨU ĐÁNH GIÁ PHẨM CHẤT BỘ ĐỊNH HƯỚNG VÔ TUYẾN SỬ DỤNG ANTEN THÍCH NGHI MỤC LỤC DANH SÁCH HÌNH VẼ 5 DANH. HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ ĐỒ ÁN TỐT NGHI P ĐẠI HỌC CHUYÊN NGÀNH ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG NGHI N CỨU ĐÁNH GIÁ PHẨM CHẤT BỘ ĐỊNH HƯỚNG VÔ TUYẾN SỬ DỤNG ANTEN THÍCH NGHI HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ HOÀNG