ĐỒ ÁN ĐẠI HỌC PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ ANTEN 4 BÚP SÓNG ĐỘC LẬP CHO MẠNG DI ĐỘNG – MẠNG TIẾP ĐIỆN

Lời nói đầu Ngày nay các hệ thống thông tin di động đang phát triển với tốc độ nhanh chóng trên thế giới và cả ở Việt Nam, trước nhu cầu ngày càng tăng của khách hàng về cả số lượng lẫn chất lượng cũng như tính đa dạng của dịch vụ. Trước nhu cầu đó thì việc nghiên cứu ứng dụng các kĩ thuật tiên tiến nhằm giải quyết các vấn đề bức bách trong các hệ thống truyền thông như nâng cao tốc độ truyền dữ liệu, tăng dung lượng mạng đang càng được quan tâm. Việc cải thiện tốc độ cũng như nâng cao dung lượng của các hệ thống vô tuyến phụ thuộc phần lớn vào hiệu quả phủ sóng của anten. Kỹ thuật anten thông minh từ lâu đã được tập trung nghiên cứu để giải quyết vấn đề này. Việc sử dụng anten thông minh đã cho phép việc thuphát trở nên có hiệu quả hơn bằng cách tập trung năng lượng vào hướng mong muốn nhờ đó tiết kiệm năng lượng cho các máy thuphát đồng thời nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần. Hệ thống thông tin di động 3G ở Việt Nam đã đi vào hoạt động, tuy nhiên những ứng dụng về anten thông minh trong đó còn rất hạn chế đặc biệt là ở các trạm thu phát gốc vì nó chưa phổ biến và giá thành còn đắt. Mục tiêu của đồ án là nghiên cứu và thiết kế anten chùm chuyển mạch (anten nhiều búp sóng cố định) cho các ứng dụng của hệ thống thông tin di động 3G ở Việt Nam. Trong quá trình thực hiện đồ án mặc dù gặp nhiều khó khăn vì đây là lĩnh vực còn khá mới mẻ ở Việt Nam đặc biệt là trong việc thiết kế nhưng nhờ sự giúp đỡ của các thầy cô cùng các bạn bè trong khoa điện tửviễn thông, đặc biệt là sự hướng dẫn tận tâm nhiệt tình của PGS.TS. Đào Ngọc Chiến giáo viên trực tiếp chịu trách nhiệm hướng dẫn đồ án tốt nghiệp để giúp tôi hoàn thành nhiệm vụ nghiên cứu mà đề tài đặt ra. Tóm tắt đồ án Một hệ thống anten chuyển mạch búp sóng là dạng đơn giản nhất của kỹ thuật anten thông minh. Nó tạo nhiều búp sóng cố định với độ nhạy cao nhất theo các hướng riêng biệt. Khi hệ thống anten xác định được cường độ tín hiệu nó sẽ lựa chọn một trong số những búp sóng có cường độ tín hiệu lớn nhất và chuyển đến búp sóng đó khi thuê bao di chuyển ra khỏi sector. Hệ thống anten chuyển mạch búp sóng dựa vào chức năng chuyển mạch để lựa chọn búp sóng có cường độ tín hiệu mạnh nhất. Bằng cách thay đổi pha của tín hiệu sử dụng để tiếp điện vào các phần tử anten, vị trí búp sóng chính có thể được điều khiển theo các vị trí khác nhau trong không gian. Thay vì sử dụng một anten định hướng, các hệ thống chuyển mạch búp sóng kết hợp các đầu ra của nhiều anten để tạo nên các búp sóng hẹp mà mỗi búp sóng đó có tính chọn lựa không gian tốt hơn so với một phần tử anten đơn. Bằng cách tiếp điện cho các phần tử anten trong mảng thông qua một mạng tiếp điện phù hợp các búp sóng hẹp sẽ được tạo ra. Một trong số những mạng tiếp điện được biết đến nhiều nhất là ma trận Butler, đó là một mạng tiếp điện tuyến tính, thụ động gồm N đầu vào nối với các máy thuphát hoặc chuyển mạch và N đầu ra nối với các phần tử anten. Ma trận Butler sẽ tạo ra N búp sóng trực giao nhau nếu N là một số nguyên lũy thừa của 2, các búp sóng được tạo ra trên cơ sở lý thuyết nhân đồ thị phương hướng. Các búp sóng tạo ra có thể phủ sóng cho một sector lên tới 3600 phụ thuộc vào bức xạ của mỗi phần tử anten và khoảng cách giữa các phần tử. Đồ án trình bày một phương pháp thiết kết và thực hiện ma trận Butler 4x4 cho các ứng dụng 3GUMTS tại Việt Nam với dải tần từ 1.92GHz đến 2.17GHz. Quá trình thiết kế và tối ưu hệ thống dựa trên kết quả lý thuyết và mô phỏng máy tính bằng phần mềm HFSS phiên bản 11. Ma trận Butler được xây dựng trên lớp đế đơn sẵn có và đạt được mức biên độ đầu ra là 7dB cùng với lỗi pha là 70 trên toàn bộ băng thông yêu cầu với tần số trung tâm là 2.045GHz. Abstract A switchedbeam antenna system is the simplest of smart antenna technique. It forms multiple fixed beams with heightened sensitivity in particular direction. Such an antenna system detect signal strength, chooses from one of several predetermined fixed beams, and switched from one beam to another as the cellcular phone moves throughout the sector. The switchedbeam, which is based on a basic switching function, can select the beam that gives the strongest received signal. By changing the phase differences of the signal used to feed the antenna elements or recived from them, the main beam can be driven in different directions throughout space. Instead of shaping directional pattern, the switchedbeam systems combine the outputs of multiple antennas in such a way as to form narrow sectorized (directional) beams with more spatial selectivity that can be achieved conventional, singleelement approaches. One of the most widelyknown multiple beamforming networks is the Butler matrix. It is linear, passive feeding, NxN network with N outputs connected to the antenna elements and N inputs or beam ports. The Butler matrix provides N orthogonal beams, where N should be an integer power of 2. A Butler matrixfed array can cover a sector of up to 3600 depending on element patterns and spacing. Each beam can be used by dedicated trasmitter andor receiver and appropriate beam can be selected by using an RF switch. This thesis present a method design and implementation a 4x4 Butler matrix for 3G applicatons in Vietnam, bandwidth from 1.92GHz to 2.17GHz. System’s design and optimization is based on theoretical results and computer simulation by using HFSSv11 software. The Butler matrix is fabricated by conventional photolithography on a laminate. Finally, the Butler matrix exhibits coupling and phase erros within 7dB and 70 respectively over all bandwidth with a center frequency at 2.045GHz. Mục lục Lời nói đầu I Tóm tắt đồ án II Abstract III Mục lục IV Danh sách các hình vẽ VII Danh sách các bảng biểu XII Danh sách các từ viết tắt XIII CHƯƠNG I. Tổng quan về anten thông minh 1 1.1 Mở đầu 1 1.2 Hệ thống anten thông minh 1 1.2.1 Khái niệm 1 1.2.2 Nguyên lý hoạt động của anten thông minh 2 1.2.3 Các kiểu anten thông minh 5 1.2.4 Cấu trúc sắp xếp của các phần tử anten 7 1.2.5 Các tham số dàn anten 8 1.3 Ưu điểm của anten thông minh trong thông tin di động. 10 1.3.1 giảm trãi trễ và pha đinh đa đường 10 1.3.2 Giảm nhiễu đồng kênh 12 1.3.3 Tăng dung lượng hệ thống và cải thiện hiệu suất phổ 12 1.3.4 Tăng hiệu suất truyền dẫn 13 1.3.5 Giảm chuyển giao 14 1.3.6 Mở rộng tầm phủ sóng 14 1.3.7 Tăng diện tích vùng phủ sóng. 16 1.3.8 Giảm công suất phát trạm di động. 19 1.3.9 Cải thiện chất lượng tín hiệu. 19 1.3.10 Tăng tốc độ giữ liệu. 20 1.4 Tổng kết. 20 CHƯƠNG II. Anten thông minh búp sóng cố định 21 2.1 Giới thiệu 21 2.2 Sector hóa truyền thống 21 2.3 Những hạn chế của phương pháp sector hóa truyền thống 27 2.4 Cơ bản về dàn anten 28 2.4.1 Dàn anten định hướng ngang và dàn anten định hướng dọc 30 2.4.2 Ảnh hưởng của số phần tử 30 2.4.3 Ảnh hưởng của khoảng cách các phần tử 32 2.4.4 Độ rộng cả búp sóng chính 36 2.4.5 Độ rộng nửa búp sóng chính 38 2.4.6 Hướng tính của dàn 40 2.4.7 Độ lợi dàn (Array Gain) 41 2.4.8 Ảnh hưởng của đồ thị phương hướng của phần tử dàn 41 2.4.9 Dàn anten mạng lưới phẳng 44 2.4.10 Hướng tính của dàn anten mạng lưới phẳng 46 2.5 Kĩ thuật hướng búp sóng 46 2.6 Ma trận Butler 49 2.7 Lọc không gian với beamformer 55 2.8 Hệ thống chuyển búp sóng 57 2.9 Hệ thống đa búp sóng cố định 59 2.10 Kết luận 59 CHƯƠNG III. Cơ sở lý thuyết 60 3.1 Lý thuyết chung về mạng siêu cao tần 60 3.2 Bộ chia công suất và bộ ghép định hướng 61 3.2.1 Mạng 3 cửa 61 3.2.2 Mạng 4 cổng (các bộ ghép định hướng) 64 3.3 Phân tích và thiết kế mạch siêu cao tần bằng phương pháp FEM 68 3.3.1 Lý thuyết cơ bản về trường điện từ 68 3.3.2 Khái quát phương pháp phần tử hữu hạn (FEMFinite Element Method) 74 3.4 Phần mềm HFSS. 76 3.4.1 Giới thiệu 76 3.4.2 Mô phỏng 78 3.5 Kết luận 82 CHƯƠNG IV.Thiết kế mạng tiếp điện tạo 4 búp sóng dùng ma trận Butler 83 4.1 đặt vấn đề 83 4.2 Thiết kế 85 4.2.1 Bộ ghép lai 85 4.2.2 Bộ trễ pha cố định 91 4.2.3 Crossover 93 4.2.4 Ma trận Butler 94 4.3 Kết luận 103 Kết luận và hướng phát triển 104 Tài liệu tham khảo 105 Bảng đối chiếu thuật ngữ Anh – Việt 106

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

Hà Nội, 5-2011

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

- Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

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

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

1 Đầu đề đồ án: ……… ………

……… ………

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

……….…

……… ……….

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

………

… ………

… ….………

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

……… ……….

……….

5 Họ tên giảng viên hướng dẫn: ……… ………

6 Ngày giao nhiệm vụ đồ án: ……….………

7 Ngày hoàn thành đồ án: ……… ………

Ngày tháng năm

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

Cán bộ phản biện

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

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

Ngành: Khoá:

Giảng viên hướng dẫn:

Cán bộ phản biện:

1 Nội dung thiết kế tốt nghiệp:

2 Nhận xét của cán bộ phản biện:

Ngày tháng năm

Cán bộ phản biện

( Ký, ghi rõ họ và tên )

Lời nói đầu

Ngày nay các hệ thống thông tin di động đang phát triển với tốc độ nhanh chóng trên thế giới và cả ở Việt Nam, trước nhu cầu ngày càng tăng của khách hàng về cả số lượng lẫn chất lượng cũng như tính đa dạng của dịch vụ Trước nhu cầu đó thì việc nghiên cứu ứng dụng các kĩ thuật tiên tiến nhằm giải quyết các vấn đề bức bách trong các hệ thống truyền thông như nâng cao tốc độ truyền

dữ liệu, tăng dung lượng mạng đang càng được quan tâm

Việc cải thiện tốc độ cũng như nâng cao dung lượng của các hệ thống vô tuyến phụ thuộc phần lớn vào hiệu quả phủ sóng của anten Kỹ thuật anten thông minh từ lâu đã được tập trung nghiên cứu để giải quyết vấn đề này Việc

sử dụng anten thông minh đã cho phép việc thu/phát trở nên có hiệu quả hơn bằng cách tập trung năng lượng vào hướng mong muốn nhờ đó tiết kiệm năng lượng cho các máy thu/phát đồng thời nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần

Hệ thống thông tin di động 3G ở Việt Nam đã đi vào hoạt động, tuy nhiên những ứng dụng về anten thông minh trong đó còn rất hạn chế đặc biệt là ở các trạm thu phát gốc vì nó chưa phổ biến và giá thành còn đắt Mục tiêu của đồ án

là nghiên cứu và thiết kế anten chùm chuyển mạch (anten nhiều búp sóng cố định) cho các ứng dụng của hệ thống thông tin di động 3G ở Việt Nam Trong quá trình thực hiện đồ án mặc dù gặp nhiều khó khăn vì đây là lĩnh vực còn khá mới mẻ ở Việt Nam đặc biệt là trong việc thiết kế nhưng nhờ sự giúp đỡ của cácthầy cô cùng các bạn bè trong khoa điện tử-viễn thông, đặc biệt là sự hướng dẫntận tâm nhiệt tình của PGS.TS Đào Ngọc Chiến giáo viên trực tiếp chịu trách nhiệm hướng dẫn đồ án tốt nghiệp để giúp tôi hoàn thành nhiệm vụ nghiên cứu

mà đề tài đặt ra

Tóm tắt đồ án

Một hệ thống anten chuyển mạch búp sóng là dạng đơn giản nhất của kỹ thuật anten thông minh Nó tạo nhiều búp sóng cố định với độ nhạy cao nhất theo các hướng riêng biệt Khi hệ thống anten xác định được cường độ tín hiệu

nó sẽ lựa chọn một trong số những búp sóng có cường độ tín hiệu lớn nhất và chuyển đến búp sóng đó khi thuê bao di chuyển ra khỏi sector

Hệ thống anten chuyển mạch búp sóng dựa vào chức năng chuyển mạch để lựa chọn búp sóng có cường độ tín hiệu mạnh nhất Bằng cách thay đổi pha của tín hiệu sử dụng để tiếp điện vào các phần tử anten, vị trí búp sóng chính có thể được điều khiển theo các vị trí khác nhau trong không gian Thay vì sử dụng một anten định hướng, các hệ thống chuyển mạch búp sóng kết hợp các đầu ra của nhiều anten để tạo nên các búp sóng hẹp mà mỗi búp sóng đó có tính chọn lựa không gian tốt hơn so với một phần tử anten đơn Bằng cách tiếp điện cho các phần tử anten trong mảng thông qua một mạng tiếp điện phù hợp các búp sóng hẹp sẽ được tạo ra Một trong số những mạng tiếp điện được biết đến nhiềunhất là ma trận Butler, đó là một mạng tiếp điện tuyến tính, thụ động gồm N đầuvào nối với các máy thu/phát hoặc chuyển mạch và N đầu ra nối với các phần tửanten Ma trận Butler sẽ tạo ra N búp sóng trực giao nhau nếu N là một số nguyên lũy thừa của 2, các búp sóng được tạo ra trên cơ sở lý thuyết nhân đồ thị

phụ thuộc vào bức xạ của mỗi phần tử anten và khoảng cách giữa các phần tử

Đồ án trình bày một phương pháp thiết kết và thực hiện ma trận Butler 4x4 cho các ứng dụng 3G-UMTS tại Việt Nam với dải tần từ 1.92GHz đến

2.17GHz Quá trình thiết kế và tối ưu hệ thống dựa trên kết quả lý thuyết và mô phỏng máy tính bằng phần mềm HFSS phiên bản 11 Ma trận Butler được xây dựng trên lớp đế đơn sẵn có và đạt được mức biên độ đầu ra là -7dB cùng với lỗi pha là 70 trên toàn bộ băng thông yêu cầu với tần số trung tâm là 2.045GHz

Abstract

A switched-beam antenna system is the simplest of smart antenna

technique It forms multiple fixed beams with heightened sensitivity in

particular direction Such an antenna system detect signal strength, chooses from one of several predetermined fixed beams, and switched from one beam to another as the cellcular phone moves throughout the sector

The switched-beam, which is based on a basic switching function, can selectthe beam that gives the strongest received signal By changing the phase

differences of the signal used to feed the antenna elements or recived from them, the main beam can be driven in different directions throughout space Instead of shaping directional pattern, the switched-beam systems combine the outputs of multiple antennas in such a way as to form narrow sectorized

(directional) beams with more spatial selectivity that can be achieved

conventional, single-element approaches One of the most widely-known

multiple beamforming networks is the Butler matrix It is linear, passive

feeding, NxN network with N outputs connected to the antenna elements and N inputs or beam ports The Butler matrix provides N orthogonal beams, where N should be an integer power of 2 A Butler matrix-fed array can cover a sector of

up to 3600 depending on element patterns and spacing Each beam can be used

by dedicated trasmitter and/or receiver and appropriate beam can be selected by using an RF switch

This thesis present a method design and implementation a 4x4 Butler matrixfor 3G applicatons in Vietnam, bandwidth from 1.92GHz to 2.17GHz System’sdesign and optimization is based on theoretical results and computer simulation

by using HFSSv11 software The Butler matrix is fabricated by conventional photolithography on a laminate Finally, the Butler matrix exhibits coupling andphase erros within -7dB and 70 respectively over all bandwidth with a center frequency at 2.045GHz

1.1 Mở đầu 1 1.2 Hệ thống anten thông minh 1 1.2.1 Khái niệm 1

1.2.4 Cấu trúc sắp xếp của các phần tử anten 7

1.3 Ưu điểm của anten thông minh trong thông tin di động 10

1.3.1 giảm trãi trễ và pha đinh đa đường 10 1.3.2 Giảm nhiễu đồng kênh 12 1.3.3 Tăng dung lượng hệ thống và cải thiện hiệu suất phổ 12 1.3.4 Tăng hiệu suất truyền dẫn 13 1.3.5 Giảm chuyển giao 14 1.3.6 Mở rộng tầm phủ sóng 14 1.3.7 Tăng diện tích vùng phủ sóng 16 1.3.8 Giảm công suất phát trạm di động 19 1.3.9 Cải thiện chất lượng tín hiệu 19 1.3.10 Tăng tốc độ giữ liệu 20 1.4 Tổng kết 20

CHƯƠNG II Anten thông minh búp sóng cố định 21 2.1 Giới thiệu 21

2.2 Sector hóa truyền thống 21

2.3 Những hạn chế của phương pháp sector hóa truyền thống 27

2.4 Cơ bản về dàn anten 28

2.4.1 Dàn anten định hướng ngang và dàn anten định hướng dọc30 2.4.2 Ảnh hưởng của số phần tử 30 2.4.3 Ảnh hưởng của khoảng cách các phần tử 32 2.4.4 Độ rộng cả búp sóng chính 36 2.4.5 Độ rộng nửa búp sóng chính 38 2.4.6 Hướng tính của dàn 40 2.4.7 Độ lợi dàn (Array Gain)41 2.4.8 Ảnh hưởng của đồ thị phương hướng của phần tử dàn 41 2.4.9 Dàn anten mạng lưới phẳng 44 2.4.10 Hướng tính của dàn anten mạng lưới phẳng46 2.5 Kĩ thuật hướng búp sóng 46

2.6 Ma trận Butler 49

2.7 Lọc không gian với beamformer 55

2.8 Hệ thống chuyển búp sóng 57

2.9 Hệ thống đa búp sóng cố định 59

2.10 Kết luận 59

3.1 Lý thuyết chung về mạng siêu cao tần 60 3.2 Bộ chia công suất và bộ ghép định hướng 61

3.3 Phân tích và thiết kế mạch siêu cao tần bằng phương pháp FEM 68

Tài liệu tham khảo 105

Danh sách các hình vẽ

Hình 1.1: Dàn anten thông minh 2

Hình 1.2: cơ chế nhận biết hướng tín hiệu đến dựa vào hệ thống thính giác

của con người 4

Hình 1.3: hệ thống anten thông minh 5

Hình 1.4: Hiệu quả triệt nhễu của hệ thống anten thích nghi so với hệ thống

anten chuyển búp sóng và hệ thống truyền thống 6

Hình 1.5: mẫu giản đồ phướng bức xạ của kĩ thuật chuyển búp sóng và kĩ

thuật dàn anten thích nghi 7

Hình 1.6: Các loại cấu trúc ănten thông minh 8

Hình 1.7: Hệ số dàn của dàn anten tuyến tính với khoảng cách ănten là

được định hướng tại 0 0 , đáp ứng của mỗi phần tử dàn ănten và mẫu bức xạ

do kết hợp cả hai điều kiện trên.10

Hình 1.8: Minh hoạ thành phần truyền thẳng từ trạm gốc đến trạm di động

cho thấy hướng di chuyển của trạm di động, 11

Hình 1.9: Phổ Doppler tại trạm di động, khi sử dụng một ănten có hướng

tại trạm gốc, và một ănten vô hướng tại trạm di động, được so sánh với mô hình Clarke, R = 1km, D= 3km, f m = 100 Hz 13

Hình 1.11 : Mức độ phủ phân đoạn cell đối với anten thu đơn phần tử 17

Hình 1.12 : Mức độ phủ phân đoạn cell đối với anten thu nhiều phần tử



Hình 2.3: những khu vực chồng lấn chuyển giao mềm 25

Hình 2.4: Hiệu suất sector 26

Hình 2.4: Dàn anten tuyến tính 28

Hình 2.13: sự phụ thuộc của NNBW vào số phần tử dàn N 37

Hình 2.14: sự phụ thuộc độ rộng nửa búp sóng của dàn anten định hướng

ngang vào khoảng cách các phần tử d 38

Hình 2.15: sự phụ thuộc độ rộng nửa búp sóng của dàn anten định hướng

Hinh 2.22: Hệ số dàn của dàn anten mạng lưới phẳng 4x4, dy =dz=λ /2, βy=

βz=00.45

Hình 2.23: Beamformer ma trận Butler 4x4 48

Hình 2.26: sự xếp chồng của 2 búp sóng kề nhau khi chúng được tạo ra

Hình 3.2: một kiểu bộ chia công suất chữ T 62

Hình 3.3: bộ chia công suất thuận nghịch, phối hợp 64

Hình 3.4: Bộ ghép định hướng 65

Hình 3.6: những phần tử hữu hạn điển hình: (a) một chiều, (b) hai chiều, (c)

ba chiều. 76

Hình 3.8: cách chia phần tử hữu hạn trong HFSS: (a) thành các tam giác

trên bề mặt, (b) thành các tứ diện trong không gian ba chiều. 79

Hình 4.3: các cấu trúc cho hệ số ghép phẳng 86

Hình 4.6:đáp ứng biên độ của cấu trúc vòng Ring 89

Hình 4.7b: hiệu số pha giữa 2 đầu ra 90

Hình 4.10: cấu trúc của một Crossover 94

Hình 4.11: ma trận Butler 4x4 đề xuất 95

Hình 4.12b: tổn hao ngược và biên độ các đầu ra khi cổng 1 được tiếp điện.

96

Hình 4.12c: Hiệu số pha tại các đầu ra khi cổng 1 được tiếp điện 97

Hình 4.13a: Tổn hao ngược và cách ly khi cổng 3 được tiếp điện 98

Hình 4.13b: Tổn hao ngược và biên độ các đàu ra khi cổng 3 được tiếp điện.

98

Hình 4.14a: tổn hao ngược và cách ly khi cổng 2 được tiếp điện 100

Hình 4.14b: tổn hao ngược và biên dộ các đầu ra khi cổng 2 được tiếp điện

100

Hình 4.14c: hiệu số pha giữa các đầu ra khi cổng 2 được tiếp điện101

Hình 4.15a: tổn hao ngược và cách ly khi cổng 4 được tiếp điện 101

Hình 4.15b: Tổn hao ngược và biên độ các đầu ra khi cổng 4 được tiếp điện

102

Hình 4.15c: hiệu số pha giữa các đầu ra khi cổng 4 được tiếp điện102

Hình 4.16: phân bố dòng khi cổng 1 được tiếp điện 103

Danh sách các từ viết tắt

tối thiểu

Telecommunication System Hệ thống thông tin di động toàn cầu

Domain Method

Phương pháp vi phân hữu hạn miền thời gian

Trong chương này, chúng ta sẽ đi tìm hiểu những nội dung cơ bản nhất củaănten thông minh và các vấn đề liên quan.

1.2 Hệ thống anten thông minh

1.2.1 Khái niệm

Anten thông minh là một hệ thống dàn ănten gồm nhiều phần tử anten có độlợi thấp được bố trí trong không gian theo một trật tự nhất định và kết nối với nhau thông qua một mạch kết nối Anten thông minh có khả năng thay đổi đồ thị bức xạ thu hay phát (hay nói cách khác là các búp sóng) một cách linh hoạt sao cho thích hợp với môi trường tín hiệu trong cell di động

Chức năng của các phần tử anten là giám sát tín hiệu theo không gian và thời gian Khác với anten thu đơn là chỉ thu cố định tín hiệu ở một vị trí không gian, anten thông minh có khả năng thích ứng với các chuyển động cơ học của các thiết bị vô tuyến

Thường thì thuật ngữ “anten” chỉ bao gồm chuyển đổi cấu trúc cơ học từ sóng điện từ tự do sang tín hiệu tần số vô tuyến truyền sóng trong môi trường cáp và ngược lại Với anten thông minh, thuật ngữ “anten” có ý nghĩa mở rộng hơn: bao gồm một mạng phân chia hoặc kết hợp và một đơn vị điều khiển (UC- Unit Control) Đơn vị điều khiển thể hiện sự thông minh của anten, nó dùng các thuật toán phức tạp để điều khiển anten Thông thường UC là một bộ xử lý tín hiệu số DSP điều chỉnh các tham số của ănten dựa vào nhiều đầu vào, để tối ưu đường truyền thông tin Như vậy, anten thông minh tốt hơn nhiều so với anten thông thường nhưng đồng thời nó cũng phức tạp hơn rất nhiều

1

Hình 1.1: Dàn anten thông minh

1.2.2 Nguyên lý hoạt động của anten thông minh

Lúc đầu anten chỉ đơn giản là bức xạ và nhận năng lượng như nhau theo mọi hướng Để truyền tín hiệu đến thuê bao, nó phát sóng đẳng hướng theo phương ngang, Khi truyền tín hiệu như vậy thì nó không có ý thức nào về vùng lân cận thuê bao, năng lượng tín hiệu truyền đi một cách phân tán, phần năng lượng tín hiệu truyền đến thuê bao chỉ là một phần rất bé so với năng lượng mà anten truyền ra môi trường xung quanh.Do hạn chế này mà công suất tín hiệu phát phải lớn hơn đầu thu mới nhận đủ một năng lượng tín hiệu cần thiết (SNR tại nơi thu đủ lớn) Trong trường hợp có nhiều thuê bao đồng kênh, khi nâng công suất truyền, phần năng lượng không đến được thuê bao mong muốn lại trở thành nguồn nhiễu đồng kênh cho các thuê bao khác

Ý tưởng cơ bản của anten thông minh dựa vào hệ thống thính giác của con người Một người có thể nhận biết hướng đến (Direction of Arrival) của một âmthanh băng cách lợi dụng 3 đặc điểm:

gian trễ khác nhau

2

 Bộ óc con người là một bộ xử lí tín hiệu đặc biệt, nó thực hiện một sốlượng lớn phép tính để kết hợp thông tin và tìm ra vị trí của âm thanh nhận.Giả thiết có 2 người nói chuyện trong một phòng Người nghe trong 2 người

có thể xác định được vị trí của người nói khi anh ta gần phòng vì giọng của người nói đến cảm biến âm thanh (ở đây là đôi tai) với thời gian khác nhau Bộ

xử lí của con người là bộ não có thể ước lượng được hướng của người nói từ sự khác biệt thời gian trễ giữa 2 tai Sau đó bộ não thêm vào cường độ tín hiệu mỗi tai để tập trung vào âm thanh của hướng đã tính được

Lợi dụng quá trình tương tự, bộ não con người có khả năng nhận biết rất nhiều tín hiệu với nhiều hướng tới khác nhau Vì vậy nếu người nói khác tham gia vào cuộc nói chuyện, bộ não có thể tăng cường tín hiệu nhận được từ người cần nghe mà không chú ý tới người khác Do đó, người nghe có khả năng nhận

ra giọng một người từ nhiều người đang nói chuyện cùng lúc, và tập trung vào một cuộc nói chuyện tại một thời điểm Theo cách này, nhiễu không mong muốn sẽ yếu đi Ngược lại người nghe có thể đáp lại hướng người nói bằng cáchđịnh hướng là miệng tới người nói

Hình 1.2: cơ chế nhận biết hướng tín hiệu đến dựa vào hệ thống thính giác của

con người

Hệ thống anten thông minh làm việc cũng theo cách đó, dùng ít nhất 2 antenthay cho 2 tai, và một bộ xử lí tín hiệu thay cho bộ não như hình 1.3 Dựa vào thời gian trễ của tín hiệu trên các phần tử anten, bộ xử lí tín hiệu số tính được hướng sóng tới (DOA) của tín hiệu mong muốn(SOI), và sau đó điều chỉnh các kích thích (tăng ích và pha của tín hiệu) để tạo ra mô hình bức xạ tập trung vào SOI trong khi loại bỏ tín hiệu không mong muốn (SNOI)

Cùng ý tưởng đó với hệ thống thông tin di động, trạm gốc đóng vai trò là người nghe, điện thoại tế bào như là các âm thanh được tai nghe thấy Bộ xử lí

3

tín hiệu trạm gốc làm việc với dãy anten có trách nhiệm điều chỉnh các thông số

để lọc ra nhiễu hay SNOI trong khi tăng cường SOI Như thế, hệ thống định dạng mô hình bức xạ theo cách thích nghi, đáp ứng linh hoạt tín hiệu môi trường

và sự biến đổi của nó

Hình 1.3: hệ thống anten thông minh

1.2.3 Các kiểu anten thông minh

Anten thông minh có 2 dạng chính:

 Anten chuyển búp sóng: là kiểu anten mà các búp sóng phát xạ có thể

thay đổi được theo mô hình có sẵn

 Anten thích nghi: là kiểu anten cho phép hiệu chỉnh một cách mềm dẻo

giản đồ phương hướng của dàn anten để tối ưu một số đặc tính của tín hiệu thuđược Búp sóng chính của dàn có thể thay đổi hướng một cách liên tục theo thờigian thực

Đối với nhiễu giao thoa cấp thấp cả hai loại anten thông minh đều cung cấptăng ích đáng kể so với hệ thống sector hóa truyền thống với giao thoa cấp cao,

4

khẳ năng loại bỏ nhiễu giao thoa của hệ thống thích nghi hiệu quả hơn hệ thốngtruyền thống và cả hệ thống chuyển búp sóng.

Hình 1.4: Hiệu quả triệt nhễu của hệ thống anten thích nghi so với hệ thống anten

chuyển búp sóng và hệ thống truyền thống

Giả sử có một nguồn tín hiệu mong muốn và hai nhiễu đồng kênh đến trạm gốc của một hệ thống thông tin dùng anten thông minh Hình 1.5 mô tả mẫu búpsóng mà mỗi kĩ thuật định dạng cho trường hợp này

Đường màu sáng là tín hiệu mong muốn, đường tối màu là nhiễu Cả hai đều hướng búp có mật độ lớn nhất đến tín hiệu cần nhưng kĩ thuật chuyển búp sóng cho kết quả không tốt bằng dàn anten thích nghi Hệ thống thích nghi chọncách sắp xếp chính xác hơn, vì vậy nhậ được cường độ tín hiệu lớn hơn Tương

tự, tín hiệu nhiễu tới chỗ có mật độ thấp hơn nằm ngoài búp sóng chính, nhưng lại là điểm bức xạ cực tiểu(Null) Dàn anten thích nghi đảm bảo tín hiệu chính nhận được tốt nhất trong khi mức tác động của nhiễu ít nhất

5

Hình 1.5: mẫu giản đồ phướng bức xạ của kĩ thuật chuyển búp sóng và kĩ thuật

dàn anten thích nghi

1.2.4 Cấu trúc sắp xếp của các phần tử anten

Vị trí của các phần tử anten luôn đóng một vai trò quan trọng trong việc tạo

ra chất lượng của đồ thị bức xạ Một đồ thị bức xạ đạt chất lượng cao trong ănten thông minh là búp sóng chính lớn hơn rất nhiều so với các búp phụ khác

và hướng về phía thuê bao mong muốn, các nút sóng chỉ về phía các thuê bao nhiễu đồng kênh trong cell đó

Vị trí của các phần tử anten luôn đóng một vai trò quan trọng trong việc tạo

ra chất lượng của đồ thị bức xạ Một đồ thị bức xạ đạt chất lượng cao trong ănten thông minh là búp sóng chính lớn hơn rất nhiều so với các búp phụ khác

và hướng về phía thuê bao mong muốn, các nút sóng chỉ về phía các thuê bao nhiễu đồng kênh trong cell đó

Cấu trúc dàn đường thẳng: Đây là cấu trúc thông dụng nhất vì nó đơn giản,

được sử dụng khi BS được chia thành nhiều vùng phủ sóng hình quạt Trong cấutrúc này, khoảng cách giữa các phần tử là x Búp sóng chính của hệ thống có thể phủ sóng trong một hình quạt

Cấu trúc hình tròn: Các phần tử anten tạo với tâm hệ thống một góc

(a) Giµn ® êng th¼ng (b) Giµn h×nh trßn

(c) Giµn h×nh ch÷ nhËt (d) Giµn h×nh lËp ph ¬ng

Hình 1.6: Các loại cấu trúc ănten thông minh

Cấu trúc dàn chữ nhật và cấu trúc dàn lập phương: Điều khiển búp sóng

theo cả hai phương dọc và ngang Hai cấu trúc này cần thiết cho môi trường truyền sóng phức tạp (đô thị đông đúc) Về mặt lý thuyết nếu hệ thống có L phần tử ănten, có thể tạo L-1 nút sóng hướng về phía các thuê bao nhiễu đồng kênh trong cell.Tuy nhiên trong môi trường đa đường thì con số này có thể nhỏ hơn

6

1.2.5 Các tham số dàn anten

Dưới đây là một số các định nghĩa được sử dụng để mô tả hệ thống anten:

Mẫu bức xạ: Mẫu bức xạ của một anten là sự phân phối tương đối công suất

bức xạ như một hàm hướng trong không gian Mẫu bức xạ của một anten là kết

quả của một mẫu phần tử và hệ số dàn, hai cái này được định nghĩa bên dưới

Nếu f (θ , φ ) là mẫu bức xạ của mỗi phần tử ănten và F(,) là hệ số dàn thì

mẫu bức xạ của dàn, G( , ), được gọi là mẫu búp sóng được cho bởi phương

trình dưới đây:

G (θ , φ)=f (θ , φ) F (θ , φ) (1.1)

7

Hình 1.7 là một ví dụ của đáp ứng phần tử ănten đã được cách điệu hoá, một hệ số dàn của dàn anten tuyến tính 8 phần tử với một khoảng cách giữa

kết hợp hai thành phần trên

Hệ số dàn: Hệ số dàn, , là mẫu bức xạ trường xa của dàn anten

là góc ngẩng

Búp sóng chính: Búp sóng chính của một mẫu bức xạ ănten là búp sóng chứa

hướng của công suất bức xạ lớn nhất

Búp sóng phụ: Búp sóng phụ là các búp sóng không tạo thành búp sóng

chính Chúng cho phép các tín hiệu được nhận theo các hướng khác hướng của búp sóng chính do đó, các búp sóng này là không mong muốn nhưng không thể tránh khỏi

Độ rộng búp sóng: Độ rộng búp sóng của một ănten là độ rộng góc của búp

sóng chính Độ rộng búp sóng 3 dB hay bề rộng búp sóng nửa công suất là

độ rộng góc giữa các điểm trên búp sóng chính đạt giá trị 3 dB bên dưới đỉnhcủa búp sóng chính Độ rộng búp sóng nhỏ hơn là kết quả của một dàn có kích thước rộng hơn nghĩa là khoảng cách giữa hai phần tử xa nhất của dàn

Hiệu suất anten: Hiệu suất anten là tỉ số của tổng công suất bức xạ của anten

trên tổng công suất đầu vào anten

Búp sóng nhiễu xạ: Khi khoảng cách giữa các phần tử dàn anten d >

thì xảy ra hiện tượng lấy mẫu không gian của sóng mang tần số vô tuyến nhận được, gây ra hiện tượng tối đa thứ cấp, được gọi là các búp sóng nhiễu

xạ, xuất hiện trong mẫu bức xạ, chúng ta có thể thấy trong hình 1.4 Hiện tượng lấy mẫu không gian dẫn đến sự không rõ ràng trong hướng của các tín hiệu đến, điều này có nghĩa là xuất hiện những bản sao của búp sóng chính trong những hướng không mong muốn Hiện tượng búp sóng nhiễu xạ trong

gian Do đó khoảng cách d giữa các phần tử trong dàn phải được chọn nhỏ

không gian cho dàn anten, tức là giảm độ rộng búp sóng 3dB như trong hình 1.4, và giảm tính tương quan giữa các tín hiệu đến tại các phần tử anten

Hình 1.7: Hệ số dàn của dàn anten tuyến tính với khoảng cách ănten là

được định hướng tại 0 0 , đáp ứng của mỗi phần tử dàn ănten và mẫu bức

xạ do kết hợp cả hai điều kiện trên.

1.3 Ưu điểm của anten thông minh trong thông tin di động.

1.3.1 giảm trãi trễ và pha đinh đa đường

Trải trễ do đường truyền đa đường gây ra, trong đó một tín hiệu đến từ các hướng khác nhau sẽ bị trễ do đi theo các khoảng cách khác nhau Ở phía phát, một anten thông minh có thể tập trung năng lượng theo hướng yêu cầu,

hỗ trợ trong việc giảm phản xạ đa đường và do đó giảm trải trễ ở phía thu, dàn anten có thể thực hiện kết hợp tối ưu sau khi bù trễ cho các tín hiệu đa đường tới dàn Những tín hiệu mà trễ không thể bù đắp có thể bị xoá bỏ do hình thành các nút sóng trong hướng của chúng

Trạng thái hướng của một dàn anten cũng dẫn đến hiện tượng trải phổ nhỏ hơn của các tần số Doppler tại máy di động Đối với một anten vô hướngtại cả trạm gốc và tại máy di động, hướng góc đến ở máy di động được phân

bố giống nhau Do đó phổ Doppler được cho bởi mô hình Clarke như sau:

(1.2)

dài bước sóng mang Tuy nhiên, nếu một anten có hướng được sử dụng tại trạm gốc thì mật độ phổ công suất được tính theo công thức:

(1.3)

Trong đó là hướng di chuyển của máy di động so với đường thẳng

đa đường tại máy di động, có công thức tính như sau:

Hình 1.8: Minh hoạ thành phần truyền thẳng từ trạm gốc đến trạm di động

cho thấy hướng di chuyển của trạm di động,

(1.4)

trong đó:

(1.5)

là 1, R là bán kính của khu vực tròn bao gồm tất cả các bộ tán xạ và D là

là các hằng số được sử dụng để tính toán:

(1.6)Hình 1.9 đưa ra những ví dụ của phổ Doppler cho độ rộng búp sóng là 2,

10, 20 độ đối với máy di động di chuyển tại góc 0, 45, 90 so với thành phần LOS, trong đó khoảng cách trạm gốc đến máy di động là 3 km, nơi mà các

bộ tán xạ được đặt trong một vòng tròn có bán kính 1 km, tâm là máy di động

1.3.2 Giảm nhiễu đồng kênh

Dàn anten cho phép sử dụng phương pháp lọc không gian, phương phápnày được áp dụng cho cả bên thu cũng như bên phát để giảm nhiễu đồng kênh Khi phát, anten được sử dụng để tập trung năng lượng phát xạ nhằm tạo ra một búp sóng có hướng trong vùng có bộ thu Điều này có nghĩa là có

ít nhiễu hơn trong các hướng khác mà búp sóng không hướng đến Nhiễu đồng kênh bên phát có thể giảm bằng cách hình thành những nút sóng trong hướng của các bộ thu khác Lược đồ này mục đích là giảm năng lượng phát trong hướng của các bộ thu đồng kênh và do đó cần những thông tin về quyền ưu tiên vị trí của chúng

1.3.3 Tăng dung lượng hệ thống và cải thiện hiệu suất phổ

Hiệu suất phổ của một mạng liên quan đến lưu lượng mà một hệ thống cho trước với sự phân phối phổ nhất định có thể điều khiển được Việc tăng

số lượng người dùng của hệ thống thông tin di động mà không làm mất mát hiệu năng sẽ tăng hiệu suất phổ Dung lượng kênh liên quan đến tốc độ dữ liệu lớn nhất mà một kênh có một độ rộng băng tần cho trước có thể duy trì được Dung lượng kênh được cải tiến sẽ dẫn đến khả năng phục vụ nhiều người sử dụng hơn với một tốc độ dữ liệu xác định, có nghĩa là hiệu suất phổtốt hơn Chất lượng của dịch vụ, khi sử dụng anten thông minh để giảm nhiễu đồng kênh và pha đinh đa đường, có thể bị thay đổi theo sự gia tăng số lượng của người sử dụng

Hình 1.9: Phổ Doppler tại trạm di động, khi sử dụng một ănten có hướng tại

trạm gốc, và một ănten vô hướng tại trạm di động, được so sánh với mô hình

Clarke, R = 1km, D= 3km, f m = 100 Hz

1.3.4 Tăng hiệu suất truyền dẫn

Một dàn anten có hướng trong tự nhiên, có độ khuyếch đại cao trong hướng mà búp sóng hướng đến Tính năng này có thể được tận dụng để mở rộng dải tần của trạm gốc, làm kích thước của cell lớn hơn hay có thể được

sử dụng để giảm công suất phát của các máy di động Việc sử dụng anten có hướng cho phép trạm gốc nhận một tín hiệu yếu hơn so với anten vô hướng Điều này có nghĩa là máy di động có thể phát công suất thấp hơn và tuổi thọ của pin sẽ dài hơn, hay nó có thể sử dụng pin nhỏ hơn, do đó sẽ có trọng lượng và kích thước nhỏ hơn, điều này có ý nghĩa rất quan trọng đối với máy

di động điều khiển bằng tay Khi đó, trạm gốc cũng giảm công suất phát và cho phép sử dụng các thành phần điện tử có chỉ tiêu công suất thấp hơn nên chi phí cũng sẽ thấp hơn

1.3.5 Giảm chuyển giao

Khi lưu lượng trong một cell tăng vượt quá dung lượng của cell đó thì việc phân tách cell thường được sử dụng để tạo ra những cell mới, mỗi một cell sẽ có một trạm gốc và một tần số cố định Việc giảm kích thước cell dẫn đến tăng số lượng chuyển giao được thực hiện Bằng cách sử dụng ănten thông minh để tăng dung lượng của cell, số lượng chuyển giao cần thiết có

thể được giảm Vì mỗi búp sóng chỉ hướng đến một thuê bao, chuyển giao làkhông cần thiết trừ khi các búp sóng sử dụng cùng tần số giao nhau.

1.3.6 Mở rộng tầm phủ sóng

Tầm sóng được định nghĩa là khoảng cách lớn nhất mà người sử dụng vẫn có thể liên lạc với trạm gốc trong khi đó vẫn đảm bảo được chất lượng của tín hiệu Khả năng mà anten thông minh có thể mở rộng được tầm sóng

là do tăng được tỷ lệ tín hiệu thu trên nhiễu Giả sử, chúng ta có L phần tử anten và nhiễu chính giới hạn, tín hiệu kết hợp chồng pha đơn giản, đến L phần tử ănten thì sẽ thu được công suất tín hiệu tăng lên L2 lần trong khi công suất nhiễu tăng lên chỉ có L lần

(1.7)

Trong đó P min (d 1 ) là công suất tín hiệu thu yêu cầu so với bộ thu một

phần tử tương ứng khi thu phát riêng biệt ở khoảng cách d1 và N0 là công suất nhiễu Để phân tích ưu điểm của anten thông minh, thì trước hết biết rằng công suất tín hiệu thu là hàm của khoảng cách

P min (d) = P 0 (d 0 /d) n

(1.8)

P o là công suất tại khoảng cách đa tiêu chuẩn, d là khoảng cách thu phát,

n là hệ số mũ suy hao đường truyền Khi một anten L phần tử thì SNR tối

thiểu là:

L2Pmin(dL)/L.N0 = LPmin(dL)/N0 (1.9)

Hình 1.10 : Hệ số tầm sóng theo số phần tử của ănten

Trong đó dL là tầm xa tối đa của anten L phần tử.Từ phương trình 1.22 và 1.23 có :

Pmin (dL) = (1/L)Pmin(d1) (1.10)

Từ (1.8) và (1.10) ta lại có:

Pmin(d1)/Pmin(dL) = (d1/dL)n = L (1.11)Giải dL ta được: dL = M1/nd1 (1.12)

Trên hình 1.10 thể hiện hệ số cải thiện của tầm sóng anten bằng hàm của số phần tử anten đối với nhiều hệ số mũ suy hao đường truyền Kết quả này chothấy tầm sóng được mở rộng nhiều hơn đối với môi trường có suy hao đườngtruyền thấp

1.3.7 Tăng diện tích vùng phủ sóng

Trong phần này, chúng ta sẽ thấy rằng ănten thông minh cũng được dùng

để tăng diện tích phủ sóng trong khi vẫn đảm bảo được mức tín hiệu Giả thiết rằng kích thước của cell là không thay đổi và công suất phát của máy di động là cố định hướng tới các phần tử ănten thu

1.3.7.1 Mức độ vùng phủ của anten đơn phần tử

Để tính được mức độ tăng vùng phủ sóng khi sử dụng anten thông minh, trước hết ta phải tính vùng phủ sóng của một phần tử anten Vì tăng vùng phủ đạt được bằng mảng anten là tăng vùng phủ của từng phần tử anten.Giả sử độ lớn tín hiệu được xác định bằng khoảng cách từ trạm gốc Nên, khi công suất tín hiệu thu P được tính bằng dB, hàm mật độ xác suất của công suất tín hiệu thu là:

(1.13)Trong đó P: công suất tín hiệu thu được

: trung bình bình phương tính theo dB

(1.14)

Với erf(x) là hàm lỗi chuẩn Phương trình (1.14) cho biết xác suất chất

lượng tín hiệu thu khi hàm mật độ xác suất của công suất tín hiệu thu có dạng như trong phương trình (1.13) Nhưng do suy hao đường truyền của tín hiệu thu trung bình rất khác nhau theo khoảng cách truyền dẫn Giả sử suy

hao đường truyền tỷ lệ thuận với d -n , trong đó d là khoảng cách giữa trạm

gốc và thuê bao di động, n là hệ số mũ suy hao đường truyền, thì ta có mức

Hình 1.11 : Mức độ phủ phân đoạn cell đối với anten thu đơn phần tử.

cung đánh nhãn tương ứng với các tương tác ở biên cell Tăng mức độ phủ biên cell sẽ làm tăng mức độ vùng phủ trong cell Đồ thị cũng cho thấy mức

độ vùng phủ của cell giảm khi tăng mức lệch chuẩn của hiệu ứng màn chắn

1.3.7.3 Mức độ vùng phủ của anten L phần tử.

Giả sử cell có bán kính không thay đổi và hệ thống có nhiễu giới hạn, khi

đó ta có thể tăng diện tích vùng phủ sóng bằng cách sử dụng một dàn anten Lphần tử Như đã đề cập ở trên dàn anten L phần tử sẽ tăng công suất tín hiệu lên L2 lần và công suất nhiễu chỉ tăng lên L lần Kết quả này chỉ đúng khi

nhiễu ở phần tử anten này không tương tác với nhiễu ở những phần tử anten khác.

Khi công suất nhiễu tăng lên L lần, để SNR được đảm bảo thì mức công suất tín hiệu cũng phải tăng lên L lần Do đó, mức công suất ngưỡng tính theo dB của dàn anten là:

(1.18)

nữa, khi sử dụng dàn kết hợp thì tín hiệu thu được ở mỗi phần tử có công suất tăng lên L2 lần Vì vậy công suất đầu ra là:

(1.19)

Xác suất để công suất tín hiệu mong muốn cao hơn mức ngưỡng

của mảng anten được xác định bởi:

ta có thể thấy, vùng phủ sóng được tăng lên khi sử dụng dàn anten Cũng từ

sơ đồ này, ta có thể xác định được số phần trăm tăng lên khi sử dụng dàn anten trong mỗi phân đoạn cell Phần trăm tăng lên được tính như sau:

G = (F l - F u )/F u (1.36)

Hình 1.12 : Mức độ phủ phân đoạn cell đối với anten thu nhiều phần tử

1.3.8 Giảm công suất phát trạm di động.

Khi sử dụng dàn ănten L phần tử thì tín hiệu thu ở trạm gốc tăng lên, do

đó công suất phát ở máy di động có thể giảm xuống L lần Vì vậy mà tuổi thọ pin của máy di động lâu hơn, đồng thời lại có thể giảm được kích thước của pin, cả hai yếu tố này sẽ là một ưu điểm quan trọng cho máy cầm tay

1.3.9 Cải thiện chất lượng tín hiệu.

Sử dụng ănten thông minh sẽ làm tăng SINR và giảm BER tại đầu thu của hệ thống số Đối với ứng dụng thoại và video thì giảm BER cũng có nghĩa là tăng chất lượng tín hiệu thu Nói chung, với một kênh giới hạn

phần tử ănten

1.3.10 Tăng tốc độ giữ liệu.

Tăng SINR được sử dụng để tăng số bit trên ký tự trong bộ ghép kênh bằng tốc độ chuyển mạch cao hơn Điều này sẽ làm tăng số bit hay có nghĩa

là làm tăng dung lượng kênh

1.4 Tổng kết.

Chương này đã trình bày một cách tổng quan nhất những vấn đề cơ bản nhất về ănten thông minh bao gồm khái niệm, nguyên lý hoạt động, cấu trúc sắp xếp cũng như các tham số của dàn ănten

Cuối cùng, chương đã đề cập đến những ưu điểm khi sử dụng dàn ănten thông minh trong thông tin di động so với khi sử dụng anten đơn phần tử vô hướng Cụ thể những ưu điểm đó là: giảm trải trễ và phađinh đa đường, giảmnhiễu đồng kênh, tăng dung lượng hệ thống và cải thiện hiệu suất phổ, tăng hiệu suất truyền dẫn, giảm chuyển giao, mở rộng tầm sóng, tăng diện tích vùng phủ sóng, giảm công suất phát trạm di động, cải thiện chất lượng tín hiệu, tăng tốc độ dữ liệu

Chương tiếp theo của đồ án sẽ tập trung đi sâu vào kĩ thuật anten thông minh búp sóng cố định Đây là vấn đề chính mà đồ án tập trung nghiên cứu

Khi hệ thống mới phát triển, số lượng người đăng kí tham gia còn thấp, mục dích chính lúc này là mở rộng cực đại vùng phủ của mỗi khu vực Khi

số lượng người sử dụng trong mạng tăng, số người sử dụng ở mỗi cell và sector cũng tăng theo Vì có thêm người sử dụng nên công suất phát ở trạm gốc cũng như tổng công suất phát bởi người sử dụng tăng, dẫn đến nhiễu ở

cả đường lên và đường xuống đều tăng Hệ thống đến trạng thái đầy

(capacity) hay đạt đến giới hạn nhiễu

Một trong những cách phổ biến nhất để xử lí vấn đề nhiễu là sector hóa(Sectorization)

2.2 Sector hóa truyền thống

Trạm gốc sử dụng anten vô hướng (Omnidirectional), công suất phát được phát đi mọi hướng khác nhau Điều này dẫn đến việc lãng phí, vì có phần công suất truyền đến cell nhưng lại không được người sử dụng nhận Đồng thời công suất lãng phí này còn tạo thành nhiễu đường xuống với các

BS khác hay các người sử dụng trong những cell khác

Cũng tương tự như vậy, mỗi người sử dụng thêm vào cell lại làm tăng nhiễu cũng như mức tạp âm trên đường lên Điều này dẫn đến sự suy giảm tỷ

số tín hiệu trên tạp âm SNR, từ đó làm giảm chất lượng của quá trình tách sóng và giải điều chế

Có một cách để giảm nhiễu là chia cell thành một số những sector nhỏ hơn bằng cách sử dụng anten định hướng Phổ biến nhất là sử dụng 3 anten

1200-hay còn gọi là một site 3 sector

Hình 2.1: đồ thị phương hướng của một site 3 sector với bề rộng các búp sóng

khác nhau.

Như ta thấy ở hình 2.1, trong một site 3 sector, đồ thị phương hướng của anten hướng tính cho phép nó nhận được mức công suất cao hơn hẳn từ chính sector của mình so với tín hiệu nhận được từ 2 sector còn lại Sector hóa là một phương pháp hiệu quả để tăng dung lượng của hệ thống

Vì sung lượng của hệ thống CDMA bị giới hạn bởi tạp âm và nhiễu, giả thiết đồ thị phương hướng của anten là lí tưởng, dung lượng của một cell Ns

sector sẽ lớn gấp Ns lần cell của anten đẳng hướng bình thường Độ lợi dung lượng này thường được gọi là tăng ích sector hóa (Sectorization Gain-SG).Trong thực tế, sự chồng chập vùng phủ sector do sự không lí tưởng của giãn đồ hướng tính anten sẽ làm tăng nhiễu đa đường sử dụng, giảm SG.Dung lượng mềm của CDMA được cân đối giữa tỉ số SNR đòi hỏi bởi mỗi người sử dụng và độ lợi xử lí trải phổ (Processing Gain-PG) cho bởi công thức:

W

PG R



(2.1)

W: dải tần của tín hiệu trải phổ.

biểu thị nhiễu trên cùng một cell (Same Cell) Từ đây có thể nhận thấy rằng giảm mức nhiễu sẽ làm tăng số người sử dụng cực đại mà hệ thống có thể hỗ trợ trong cell

Dung lượng của một sector đơn lẻ cho bởi công thức:

Hình 2.2 biểu diễn sự phụ thuộc của tăng ích sector hóa SG vào số sector

Ns

Hình 2.2: tăng ích sector hóa.

Tăng ích sector hóa tăng khi số sector trong một cell tăng Với site 2 sector, từ đồ thị ta có thấy SG=1.8, tức là dung lượng phục vụ có thể cải thiện gấp 1.8 lần với site 3 sector, SG=2.4, tức là dung lượng phục vụ có thểcải thiện gấp 2.4 lần Trong thực tế mạng CDMA, con số này là 2.5

Có thể thấy tăng ích sector SG phụ thuộc rất lớn vào lượng nhiễu triệt được bởi anten, mà lượng nhiễu triệt được lại là hàm của độ rộng búp sóng anten với kích thước vùng chồng lấn (Overlap Region)

Để thấy rõ ảnh hưởng của vùng chồng lấn đối với hiệu suất sector hóa, taxem xét một site 3 sector với những vùng chồng lấn hoặc chuyển giao mềm hơn (Softer Handoff) dưới góc θ SH

Hình 2.3: những khu vực chồng lấn chuyển giao mềm

Kết quả của việc 3 sector đè lên nhau là, thay vì giảm nhiễu 3 lần như trong trường hợp lí tưởng thì chỉ có 120

Hình 2.4: Hiệu suất sector

Nếu so sánh giữa trường hợp vùng chuyển giao hẹp θ SH=40 với trường hợp vùng chuyển giao rộng θ SH=200, từ đồ thị có thể nhận thấy sự sụt giảm đáng kể của hiệu suất sector hóa (hơn 10% từ 97% xuống còn 86%) Như vậy giảm kích thước vùng chuyển giao cũng góp phần tích cực cải thiện lưu lượng hệ thống

Sector hóa và chuyển giao mềm/mềm hơn cũng ảnh hưởng đến dung lượng của đường xuống của hệ thống CDMA Ở đường xuống, dạng đơn giản của dung lượng có thể được viết như sau:

N FL= 1−P báo hi ệu

P l ư u l ư ợ ng H v (2.9)Với P báo hi ệu tổng công suất trên kênh báo hiệu, P l ư u l ư ợ ng là tổng công suất lưu lượng trung bình phụ thuộc vào tỉ số Eb/Nt.v là hệ số voice activity Còn

H là hệ số suy giảm chuyển giao

Khi người sử dụng ở trong vùng chuyển giao mềm/mềm hơn, hệ thống cần cung cấp thêm công suất ở đường xuống, do đó dung lượng đường xuống giảm Tuy nhiên, để đạt mức tỉ lệ lỗi khung (FER) cho phép, tỉ số Eb/

động không có chuyển giao mềm/mềm hơn, vậy nên sector hóa cũng cung cấp ít nhiều độ lợi dung lượng đường xuống

2.3 Những hạn chế của phương pháp sector hóa truyền thống

Dạng phổ biến nhất của phương pháp sector hóa sử dụng anten phân tập không gian cho tín hiệu thu và anten đơn cho truyền dẫn, như hình 2.5, các