Trong hệ thống sử dụng anten thông minh, các búp sóng của anten hướng chính xác thuê bao, do vậy công suất phát chỉ phát đúng đến hướng cần thiết và tránh phát tín hiệu về phía nguồn can
Trang 1Khoa Công Nghệ Thông Tin
BÀI TIỂU LUẬN
Môn: Thực Tập Chuyên Đề Viễn Thông
Đề Tài: Tìm Hiểu Về Anten Thích Nghi
Giáo viên hướng dẫn: Đỗ Văn Quyền
Sinh viên thực hiện : Ngô Hữu Hưng
Phạm Thị Lan Hương
Hoàng Văn Lâm
Lê Ngọc Khánh
Thái Nguyên,tháng 10 năm 2010
Trang 2MỤC LỤC
1.Giới thiệu chung 3
2 Thuật ngữ về anten thông minh thích nghi 3
3 Công nghệ anten thông minh 4
3.1 Mở rộng vùng phủ sóng 4
3.2 Giảm nhiễu đường truyền 4
3.3 Đa truy nhập phân chia theo không gian 5
4 Hệ thống Anten thích nghi 6
5 Cơ sở kỹ thuật xử lý tín hiệu trong hệ thống smart antenna kết hợp điều khiển công suất 8
5 Mục đích của hệ thống anten thích nghi 11
6 Sự khác nhau giữa anten thường và anten thích nghi 12
7 Những ưu điểm chủ yếu của anten thông minh 13
Hệ Thống Anten Thông Minh
Trang 31.Giới thiệu chung
Hệ thống anten thông minh là một hệ thống gồm nhiều phần tử anten kết hợp với khả năng xử lý tín hiệu để tối ưu hoá phát xạ và/hoặc thu nhận tự động đáp ứng với môi trường tín hiệu Vậy anten đóng vai trò gì trong hệ thống thông tin? Câu trả lời là anten đóng vai trò là cổng truyền năng lượng tần số vô tuyến (RF) được ghép với bộ phát tới môi trường bên ngoài và ngược lại đến bộ thu từ môi trường bên ngoài.Anten thông minh còn được gọi bằng một tên khác là
“Anten thích nghi”
2 Thuật ngữ về anten thông minh thích nghi
Để hiểu rõ hệ thống anten thông minh làm việc, hãy nhắm mắt và tưởng tượng có người đi quanh phòng Bạn sẽ nhận thấy bạn có thể xác định vị trí của họ
mà không nhìn thấy họ bởi vì:
• Bạn nghe thấy tín hiệu của người nói qua hai tai, cảm giác âm thanh
• Giọng nói đến tai vào các thời điểm khác nhau
• Não của bạn, một bộ xử lý tín hiệu chuyên nghiệp, thực hiện rất nhiều tính toán và phối hợp thông tin tính ra vị trí người nói
Não của bạn cũng thêm thông tin về cường độ tín hiệu từ hai tai nên bạn có thể cảm nhận được âm thanh theo một hướng đã chọn to hơn nhiều so với hướng khác Các hệ thống anten thích nghi cũng thực hiện giống như vậy, sử dụng anten thay vì tai Kết quả là 8, 10 hay 12 tai có thể được sự dụng để chỉnh và tăng tín hiệu thông tin Vì anten thực hiện cả hai chức năng nghe và nói, nên hệ thống anten thích nghi có thể gửi tín hiệu ngược lại trên cùng hướng đã phát đi Điều này
có nghĩa là hệ thống anten không chỉ nghe được lớn hơn gấp 8, 10 hay 12 lần mà còn trả lời đáp lại to và trực tiếp hơn Đi thêm một bước nữa, nếu có thêm người nói, hệ thống xử lý tín hiệu nội có thể chỉnh các nhiễu không mong muốn và sau
đó tập trung vào một cuộc nói chuyện tại một thời điểm Do đó, các hệ thống dàn thích nghi nâng cao có khả năng tương tự phân biệt giữa các tín hiệu mong muốn
và tín hiệu không mong muốn
Trang 43 Công nghệ anten thông minh
Một hệ thống anten thông minh bao gồm một dãy anten, với phần cứng vô tuyến và khối điều khiển để thay đổi giản đồ phủ sóng theo điều kiện môi trường
vô tuyến nhằm tăng cường hiệu năng của một hệ thống thông tin
3.1 Mở rộng vùng phủ sóng
Ở các vùng mật độ thuê bao thấp, tối ưu phủ sóng là hướng tới mục tiêu là tăng độ rộng vùng phủ và tăng khoảng cách phủ sóng Khi sử dụng anten thông minh ở các khu vực này cho phép tăng bán kính phủ sóng của trạm nhiều lần so với anten đẳng hướng hay anten sector như mô tả trong Hình 1
Hình 1: Mở rộng vùng phủ sóng sử dụng anten thông minh
3.2 Giảm nhiễu đường truyền
Ở nơi có mật độ thuê bao cao, mục tiêu tối ưu phủ sóng là tăng dung lượng Hai kỹ thuật chính được sử dụng để tăng dung lượng là giảm nhiễu xuyên kênh trên đường xuống và khử nhiễu ở đường lên Trong hệ thống sử dụng anten thông minh, các búp sóng của anten hướng chính xác thuê bao, do vậy công suất phát chỉ phát đúng đến hướng cần thiết và tránh phát tín hiệu về phía nguồn can nhiễu Nhiễu xuyên kênh kiểu đồng kênh chỉ xảy ra nếu các thuê bao này cùng nằm trong một búp sóng khá hẹp (5o đến 10o) Do đó, nhiễu đồng kênh sẽ giảm được rất nhiều so với trường hợp dùng anten đẳng hướng (3600) hay anten sector (600, 900,
1200) ở kênh đường xuống
Trang 5Nhiễu xuyên kênh đường lên có thể loại trừ bằng cách hướng búp sóng về đúng hướng thuê bao và bằng không tại các hướng có các thuê bao đồng kênh
Như vậy, giảm nhiễu đồng kênh được thực hiện bằng cách lái búp sóng hoặc chuyển mạch búp sóng Nhờ việc sử dụng các búp sóng định hướng, nhiễu giữa các trạm phủ sóng dùng cùng tập kênh tần số cũng giảm đáng kể so với trường hợp anten đẳng hướng như mô tả trong Hình 2 Trong trường hợp lý tưởng,
số lượng trạm phủ sóng cần có thể giảm xuống, tăng hiệu quả sử dụng băng tần dung lượng
Hình 2: Giảm nhiễu đường xuống và loại trừ nhiễu đường lên dùng anten thông minh
3.3 Đa truy nhập phân chia theo không gian
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.SDMA nghĩa
là phục vụ các cuộc gọi theo các anten định hướng búp sóng hẹp Với kỹ thuật này thì không gian phủ sóng được sector hoá Không gian phủ sóng sẽ được sẽ được chia ra thành các miền không gian hẹp (ví dụ như tổng không gian phủ sóng là 360
độ thì được chia ra thành 3 phần – 120 độ) hay ta còn gọi là sector hoá không gian Với kỹ thuật này sẽ giảm được hiện tượng giao thoa tần số, nhiễu đồng kênh,nhiễu
đa đường …cho phép tăng dung lượng hệ thống SDMA có thể áp dụng cho bất kỳ
hệ thống thông tin di động nào Hiện nay kỹ thuật này được sử dụng ngay tại hệ thống anten để có thể xử lí tín hiệu, chọn lọc tín hiệu và điều khiển búp sóng của
Trang 6chính nó sao cho phù hợp với khoảng cách của thuê bao.Kỹ thuật SDMA là một
kỹ thuật được đưa ra từ lâu nhưng chưa thực sự được sử dụng trong hệ thống thông tin quảng bá mà chỉ được sử dụng cho mục đích quân sự
4 Hệ thống Anten thích nghi
Hệ thống anten thích nghi thực chất là một hệ thống gồm nhiều anten cấu thành mạng,các anten thành phần đó hoàn toàn giống nhau Cấu trúc mạng anten rất đa dạng tuỳ theo từng mục đích như: kiểu tuyến tính, vòng tròn, planar, khối…
Hình 3: Hệ thống Anten tuyến tính
Cho dù hình dạng và kiến trúc khác nhau nhưng tất cả đều phải đảm bảo các điều kiện sau:
• Các anten thành phần phải như nhau về mọi mặt: tính chất vật lí, kích thước, khoảng cách giữa các phần tử…và biểu đồ hướng sóng của mỗi anten
• Không có sự tác động qua lại giữa các anten thành phần
• Không có sự biến đổi biên độ giữa các anten
• Tín hiệu thu được phải độc lập, có thể rời rạc hoá trên mặt phẳng sóng
Hệ thống anten thích nghi sử dụng hai kỹ thuật xử lí tín hiệu.
• Switched beam (Chuyển mạch búp sóng) sử dụng mạng anten trong đó
các anten thành phần thu phát một cách độc lập, biểu đồ hướng anten sẽ thay đổi chuyển từ anten thành phần này sang anten thành phần khác để bám theo đối tượng khi thuê bao di chuyển Tuy nhiên dung lượng hệ thống bị giới hạn vì phụ thuộc vào số lượng anten thành phần trong mạng anten, biểu đồ hướng sóng anten 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 thông tin di động hiện nay Tuy nhiên hệ thống này vẫn còn một số nhược điểm cần khắc phục như: dung lượng hệ thống
Trang 7phụ thuộc vào số lượng anten thành phần trong mạng anten, không tận dụng được tính chất đa đường để tăng cường tín hiệu…
Hình 4: hệ thống chuyển mạch búp sóng
• Adaptive array - mạng tương thích: biểu đồ hướng sóng không xác định,
mang tính chất động và các biểu đồ hướng sóng anten đó có thể điều chỉnh theo thời gian thực Hệ thống này tất nhiên là phức tạp hơn hệ thống anten trên tuy nhiên lại có ưu điểm hơn vì nhờ tính chất động của hệ thống anten nên dung lượng của hệ thống có thể thay đổi một cách linh hoạt, khắc phục những nhược điểm cơ bản của hệ thống trên như lợi dụng tính chất đa đường để tăng cường tín hiệu…
Trang 8Hình 5: Hệ thống mạng anten tương thích
5 Cơ sở kỹ thuật xử lý tín hiệu trong hệ thống smart antenna kết hợp điều khiển công suất
Hệ thống anten thích nghi hay thông minh là vì trong bất cứ môi trường truyền sóng nào hệ thống anten cũng đều tự động điều chỉnh biểu đồ hướng anten của mình theo những hướng có thuê bao Triệt tiêu những hướng không cần thiết
và nhiễu Về mặt cấu trúc như đã biết toàn bộ hệ anten là một mạng N kênh, mỗi
kênh được xử lí với trọng số riêng Các trọng số này được điều khiển theo hiệu ứng tổng hợp ở đầu ra của hệ thống
Trang 9Hình 6: Sơ đồ khối tổng quát của anten thích nghi
Như trên đã trình bày hai kỹ thuật xử lí tín hiệu trong hệ thống Smart antenna Do đó sẽ có những đặc trưng riêng thể hiện ưu điểm của mỗi kỹ thuật Tuy nhiên cả hai phương pháp trên đều phải thông qua các công đoạn xử lí chung sau:
• Xác nhận các đáp ứng của hệ thống anten: ma trận các vector trọng số
sóng Đây mới chỉ là phản ứng sơ bộ của hệ thống anten khi có các tín hiệu thuê bao tác động lên, thời điểm này chưa có sự điều khiển tương thích với sóng mong muốn Đồng thời xác định được vết không gian của các tín hiệu, thông số định lượng khả năng đáp ứng của mạng anten và các thông số về góc tới của sóng, thời gian trễ, cường độ tín hiệu…Bước này rất quan trọng vì có vai trò rất quan trọng cho những bước xử lí chọn lọc và tương thích sau này
• Tiếp theo tín hiệu được đưa tới từng bộ lọc của từng nhánh, ở đó tín hiệu được tối ưu hoá, các thông số được xác định một cách chính xác, như việc xác định thông số DOA (góc tới của sóng) - việc xác định thông số này cần có sự tham gia của phần mềm xử lí tín hiệu như: MUSIC (Thuật toán phân loại đa tín hiệu), ESPRIT (Thuật toán định lượng các thông số tín hiệu thông qua kỹ thuật bất biến luân phiên)… Đây là một thông số rất quan trọng kết hợp với các thông số ở bước trước để sau này hệ thống thực hiện chọn lọc tín hiệu hay tương thích và loại bỏ những tín hiệu không mong muốn và điều khiển công suất thu sao cho hợp lí
• Tương thích: là khâu yêu cầu sự tính toán rất phức tạp và chính xác
Trong hệ thống xử lí luôn có một ma trận các vector trọng số mẫu để làm tín hiệu tham chiếu với ma trận các vector trọng số sóng nhận được Trên cơ sở biết được yêu cầu cần kết nối ta xác định được các vector trọng số sóng mong muốn thông qua thuật toán xử lí tương thích như: MMSE (Minimum Mean Square Error - thuật toán lỗi bình phương sai phân tối thiểu) hay thuật toán thích nghi mù….khi đó tín hiệu không mong muốn sẽ bị triệt tiêu trên cơ sở kỹ thuật đa truy nhập theo tần số trực giao (OFDM – Othogornal Frequency Division Multiple), qúa trình điều khiển công suất hoạt động song song với quá trình xử lí tín hiệu nhận dạng thuê
Trang 10bao để tránh hiện tượng chèn ép kênh và hao phí công suất…Ta minh hoạ sơ đồ khối thuật toán xử lí tương thích tổng quát trong hệ thống thông tin di động như sau:
Hình 7: Phần mềm hệ thống anten thích nghi
• Sau khi nhận được tín hiệu mong muốn thì ta phải định lượng được cường
độ tín hiệu, nghĩa là phải có giá trị cao hơn giá trị ngưỡng cho trước thì mới có thể đưa tới bộ giải điều chế Tín hiệu có cường độ nhỏ hơn giá trị ngưỡng thì hệ thống
sẽ phải lặp lại sự tương thích lại với sự thay đổi hệ số tương thích - thay đổi công suất thu
• Cuối cùng những tín hiệu mong muốn lớn hơn giá trị ngưỡng sẽ được đưa tới bộ kết hợp tạo ra tín hiệu đầu ra có cường độ cực đại Tại đây người ta sử dụng
bộ thu RAKE - điều chỉnh thời gian trễ tín hiệu, lợi dụng tính chất đa đường để nâng cao công suất tín hiệu và loại bỏ nhiễu trong tín hiệu mong muốn
Hệ thống anten thích nghi hoạt động rất phức tạp Tuy nhiên nó lại là thiết
bị không thể thiếu để hỗ trợ cho các hệ thống thông tin di động tiên tiến
Trang 115 Mục đích của hệ thống anten thích nghi
Mục đích của hệ thống anten thông minh là tăng chất lượng tín hiệu và tăng dung lượng hệ thống Các đặc trưng và lợi ích của anten thông minh được liệt kê trong bảng 1
Bảng 1: Các đặc trưng và lợi ích của hệ thống anten thích nghi
Tăng ích tín hiệu: Các tín hiệu vào
từ các phần tử anten được kết hợp
với nhau để tối ưu hoá công suất
sẵn có nhằm tạo được một mức độ
phủ sóng nhất định
Vùng phủ sóng rộng hơn: Tập trung
năng lượng được phát đi trong tế bào làm tăng bán kính phủ sóng của trạm gốc Yêu cầu công suất thấp hơn giúp cho tuổi thọ của nguồn pin dài hơn, cũng như kích cỡ thiết bị nhỏ gọn hơn
Loại bỏ nhiễu: Mẫu anten có thể
phát về phía nguồn nhiễu cùng
kênh, nhờ đó cải thiện được tỉ số tín
hiệu trên nhiễu của các tín hiệu thu
được
Dung lượng tăng: Điều khiển chính
xác mức không của tín hiệu, giảm nhiễu, kết hợp với giảm khoảng cách tái sử dụng tần số sẽ làm tăng dung lượng Nhiều công nghệ thích nghi hỗ trợ khả năng tái sử dụng tần số trong cùng một tế bào
Phân tập không gian: Thông tin
tổng hợp từ dàn được sử dụng để tối
thiểu hoá fađinh và các hiệu ứng
không mong muốn khác của truyền
sóng đa đường
Loại bỏ hiệu ứng đa đường: có thể
giảm trải trễ của kênh một cách hiệu quả, hỗ trợ tốc độ bit cao hơn mà không cần các bộ cân bằng
Tiết kiệm công suất: Kết hợp các tín
hiệu vào từ các phần tử để tối ưu
hoá tăng ích xử lý trong hướng
xuống
Giảm chi phí: Chi phí cho bộ khuếch
đại công suất thấp hơn, công suất tiêu thụ ít hơn và độ tin cậy cao hơn
Trang 126 Sự khác nhau giữa anten thường và anten thích nghi
Hình 8: Vùng bức xạ của anten thường và anten thích nghi
Theo hình 8 ta có thể nhận thấy sự khác biệt giữa vùng bức xạ của hệ thống anten thường và của anten thích nghi Anten thích nghi có những búp sóng (beam) hẹp hơn và có tính định hướng cao hơn so với anten thường
Vì sao Anten thông minh có thể đạt được tính “thông minh” như vậy ?
Thực ra, trong hệ thống Anten thông minh, bản thân các phần tử Anten
không thông minh, mà sự thông minh được tạo ra do quá trình xử lý số tín hiệu
các tín hiệu đến các phần tử Anten Quá trình kết hợp tín hiệu và sau đó tập trung bức xạ theo một hướng đặc biệt được gọi là Beamforming
Hình 9: Sơ đồ tổng quát của anten thông minh
Trang 13Từ sơ đồ ta thấy tín hiệu đến các phần tử Anten, sau đó được nhân với một
bộ trọng số rồi tổng lại để được tín hiệu ngõ ra Chính bộ trọng số này giúp Anten
có thể tập trung bức xạ theo hướng mong muốn Bằng cách sử dụng các giải thuật thích nghi trong quá trình beamforming, bộ trọng số này luôn được cập nhật để Anten thông minh có thể bám theo user khi họ di chuyển.Biên độ của trọng số
quyết định độ rộng búp sóng chính và pha của bộ trọng số quyết định hướng của
búp sóng chính.(RF Module bao gồm các bộ khuếch đại nhiễu thấp, bộ đổi tần và
bộ lọc analog )
7 Những ưu điểm chủ yếu của anten thông minh
• Cải thiện chất lượng tín hiệu của các hệ thống truyền thông vô tuyến bằng cách triệt can nhiễu, loại bỏ hiệu ứng đa đường và thu/ phát đúng hướng mong muốn
• Cải thiện dung lượng hệ thống do tăng khả năng sử dụng lại tần số trong cùng một cell
• Công suất phát thấp cho phép thời gian sử dụng năng lượng lâu hơn, và do
đó có thể giảm kích thước và khối lượng của các thiết bị đầu cuối Hơn nữa, việc phát công suất thấp sẽ làm giảm ảnh hưởng đến các kênh kế cận
• Anten thông minh thích hợp với hầu hết các hệ thống truyền thông vô tuyến hiện nay