Ứng dụng kỹ thuật búp sóng sử dụng anten mảng cho hệ thống thông tin tế bào

i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn kết nghiên cứu thân với hướng dẫn TS Trịnh Anh Vũ Nếu có sai sót xin chịu hoàn toàn trách nhiệm Hà Nội, tháng 12 năm 2008 Người viết cam đoan NGUYỄN HÀ DUY ii LỜI CẢM ƠN Em muốn cảm ơn sâu sắc tới TS Trịnh Anh Vũ – thầy giáo hướng dẫn Thầy tận tình hướng dẫn, gợi ý cho em hoàn thành luận văn thạc sĩ Cảm ơn lời nhận xét quý giá thầy Em xin cảm ơn chân thành tới thầy cô giáo Trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội giúp đỡ, góp ý cho em trình thực luận văn Em xin gửi lời cảm ơn tới gia đình bạn bè, người có nhiều động viên, khuyến khích em sống học tập Cuối cùng, em muốn gửi lời cảm ơn tới tất người hỗ trợ giúp đỡ em trình hòan thành luận văn thạc sĩ Hà Nội, tháng 12 năm 2008 Nguyễn H Duy iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤCLỤC iii DANH MỤC HÌNH VẼ … .v DANH MỤC BẢNG ….……….………………………………………… .….vi THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ………….…………………… .…………… vii MỞ ĐẦU ………… .………………………………………… .……… CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT BÚP SÓNG …… .… …… 1.1 Giới thiệu……………………… ………………………… .…………3 1.2 Tổng quan kỹ thuật búp sóng ………………………… …… 1.2.1 Kỹ thuật búp sóng…………………………………… …………5 1.2.2 Phân loại kỹ thuật búp sóng…………………… .… …… 1.3 Ứng dụng kỹ thuật búp sóng…………… ……… ………12 1.4 Tổng kết chương …………………………………… … ……… 15 CHƯƠNG KỸ THUẬT TẠO BÚP SÓNG …………………… …… 17 2.1 Búp sóng chuyển mạch…………… …………………….… …… 17 2.2 Búp sóng thích nghi…………………………….…………………………21 2.2.1 Hệ anten mảng tuyến tính…………….………………………………….24 2.2.2 Một tạo búp sóng đơn giản……….………………………………… 27 2.2.3 Tiêu chuẩn tối ưu trọng số………………………………………… 30 2.2.3.1 Trung bình bình phương phương sai nhỏ (MMSE)…… 31 2.2.3.2 Tỷ số tín hiệu nhiễu lớn (MSIR)…… … 34 2.2.3.3 Phương sai nhiễu đầu nhỏ (LCMV)…………… … 35 2.2.3.4 Mối liên hệ tiêu chuẩn ……………… ……… ……36 2.2.4 Các thuật toán thích nghi ………………… …………………… …….37 2.2.4.1 Thuật toán trung bình bình phương tối thiểu (LMS) ………….38 2.2.4.2 Nghịch đảo ma trận liên hiệp lấy mẫu nhỏ (SMI) ………39 2.2.4.3 Thuật toán bình phương tối thiểu (RLS) …………………… 40 iv 2.3 Tổng kết chương…………………………………………………….…….43 CHƯƠNG ƯỚC LƯỢNG HƯỚNG ĐẾN (DOA)………………………… 44 3.1 Giới thiệu ………………………… …….………………………………44 3.2 Các phương pháp ước lượng DOA truyền thống …… ………….…….46 3.2.1 Phương pháp ước lượng phổ (delay - and - sum) ……… ………….… 46 3.2.2 Phương pháp phương sai nhỏ Capon ……………… ….…… 49 3.3 Các phương pháp ước lượng DOA dựa không gian ………….51 3.3.1 Thuật toán MUSIC ……………………………………… …………… 51 3.3.2 Các thuật toán MUSIC cải tiến …………… ……………………………57 3.3.2.1 Thuật toán Root-MUSIC ………….…….…………….……… 57 3.3.2.2 Thuật toán Cyclic-MUSIC …………… ……………….…… 58 3.3.3 Thuật toán ESPRIT 60 3.4 Các kỹ thuật giống nhiều (ML: Maximum Likelihood) … 65 3.5 Ước lượng DOA với tín hiệu có liên quan chặt với 67 3.5.1 Các kỹ thuật làm mượt không gian 68 3.5.2 MUSIC đa chiều 70 3.6 Ước lượng số lượng tín hiệu đến .71 3.7 Tổng kết chương 73 CHƯƠNG ỨNG DỤNG KỸ THUẬT BÚP SÓNG SỬ DỤNG ANTEN MẢNG CHO HỆ THỐNG THÔNG TIN TẾ BÀO 75 4.1 Tham số CIR .76 4.2 Các chương trình mô tính toán CIR .78 4.3 Các kết mô .83 4.4 Tổng kết chương 87 KẾT LUẬN 88 TÀI LIỆU THAM KHẢO .90 PHỤ LỤC 92 v DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1-1 Anten đẳng hướng mô hình phủ sóng……………………………… Hình 1-2 Anten Sector vùng phủ sóng .4 Hình 1-3 Vùng phủ sóng anten sử dụng kỹ thuật búp sóng .6 Hình 1-4 Sơ đồ khối anten mảng M phần tử Hình 1-5 Mô tả kỹ thuật búp sóng chuyển mạch ………………………………….9 Hình 1-6 Mô tả kỹ thuật búp sóng thích nghi ……………………………………10 Hình 1-7 Vùng phủ với hệ anten sử dụng kỹ thuật búp sóng chuyển mạch búp sóng thích nghi .10 Hình 1-8 Anten thu phát theo kỹ thuật SDMA………………………………… 13 Hình 2-1 Ma trận Butler tạo búp sóng đầu 19 Hình 2-2 Dạng búp sóng đầu ma trận tạo búp Butler tần số 2.400 Ghz 19 Hình 2-3 Sơ đồ khối anten mảng sử dụng kỹ thuật búp sóng thích nghi .22 Hình 2-4 Phần mềm hệ thống anten mảng sử dụng kỹ thuật búp sóng thích nghi 24 Hình 2-5 Hệ anten mảng tuyến tính 25 Hình 2-6 Mảng hai phần tử đẳng hướng .28 Hình 2-7 Hệ thống tạo búp sóng tổng quát 30 Hình 2-8 Bộ tạo búp sóng thích nghi 31 Hình 2-9 Sơ đồ thực thuật toán LMS 39 Hình 2-10 Sơ đồ thực thuật toán RLS 42 Hình 3-1 Các tín hiệu đến mảng anten với góc khác .45 Hình 3-2 Sơ đồ tạo búp sóng cổ điển 47 Hình 3-3 So sánh chất lượng phương pháp ước lượng phổ phương pháp phương sai nhỏ Capon 50 Hình 3-4 So sánh chất lượng phương pháp phương sai nhỏ Capon thuật toán MUSIC 56 Hình 3-5 Mô hình mảng anten theo thuật toán ESPRIT ……………………….…61 Hình 3-6 So sánh thuật toán MUSIC truyền thống thuật toán MUSIC sử dụng kỹ thuật làm mượt không gian việc xác định DOA 70 vi Hình 4-1 Sử dụng kỹ thuật búp sóng trạm sở hệ thống thông tin tế bào 76 Hình 4-2 Mối quan hệ trạm sở trạm di động 78 Hình 4-3 Mô hình xắp xếp tế bào mô hình mô phỏng: (a) 19 tế bào sử dụng tần số, (b) lựa chọn tế bào kích thước cluster 7, (c) lựa chọn tế bào kích thước cluster 79 Hình 4-4 Biểu đồ trình mô 80 Hình 4-5 Vị trí trạm sở tế bào sử dụng tần số 81 Hình 4-6 Cải thiện tham số CIR ………………………………………………… 84 Hình 4-7 Cải thiện tham số CIR trường hợp tính đến hiệu ứng sigma …… 85 Hình 4-8 Cải thiện tỷ số CIR đồng thời sử dụng kỹ thuật búp sóng trạm di động trạm sở …………………………………………………… 86 DANH MỤC BẢNG Bảng 2-1 Đầu ma trận Butler .19 Bảng 4-1 Chức chương trình sử dụng 78 vii THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 2G Second-Generation wireless telephone technology - mạng điện thoại di động hệ thứ 3G Third-Generation wireless telephone technology - mạng điện thoại di động hệ thứ ABF Analog BeamForming – Kỹ thuật búp sóng tương tự ADCs Analog Digital Converter – Bộ chuyển đổi tương tự sang số AIC Akaike Information theoretic Criteria – Tiêu chuẩn lý thuyết thông tin Akaike AWGN Additive White Gaussian Noise – Tạp âm trắng cộng BER Bit Error Rate – Tỉ lệ lỗi bit BF Beamformer – Bộ tạo búp sóng BFN BeamForming Network – Mạch định dạng búp sóng BTS Base Transceiver Station – Trạm thu phát gốc CDMA Code Division Multiple Access – Đa truy nhập phân mã CIR Carrier to Interference Ratio - Tỷ số công suất tín hiệu mong muốn tổng công suất tín hiệu giao thoa đồng kênh DAMPS Digital Advanced Mobile Phone System - Hệ thống điện thoại số DBF Digital BeamForming- Kỹ thuật búp sóng số DFT Discrete Fourier Transform – Biến đổi Fourier rời rạc DOA Direction Of Arrival – Hướng tới ESPRIT Estimate of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques Ước lượng tham số tín hiệu thông qua kỹ thuật bất biến luân phiên FDMA Frequency Division Multiple Access - Đa truy cập phân chia theo mã FFT Fast Fourier Transform – Biến đổi Fourier nhanh GSM Global System for Mobile Communications – Hệ thống GSM viii LCMV Linearly constrained Minimum variance - Phương sai nhiễu đầu nhỏ LMS Least Mean Squares - Trung bình bình phương tối thiểu MDL Rissanen Minimum Descriptive Length – Tiêu chuẩn MDL Rissanen ML Maximum Likehood – Giống lớn MMSE Minimum Mean Square Error – Trung bình bình phương sai số nhỏ MS Mobile Staion – Máy di động MSINR Maximum Signal to Interference ratio - Tỷ số tín hiệu nhiễu lớn MUSIC MUltipe Signal Classification – Phân loại tín hiệu đa đường MVDR Minimum Variance Distortionless Response - Đáp ứng không méo phương sai nhỏ OFDM Orthogonal Frequency - Division Multiplexing - đa truy nhập theo tần số trực giao RAKE Máy thu RAKE RLS Recursive Least Squares - Thuật toán bình phương tối thiểu SDMA Spatial Division Multipe Access - Đa truy nhập theo không gian SH Sequential Hypothesis – giả thuyết theo dãy SIR Signal-to-Interference Ratio – Tỉ số tín hiệu nhiễu SINR Signal-to-Interference plus Noise Ratio - Tỉ số tín hiệu nhiễu tạp âm SMI Direct Sample Covariance Matrix- Ngịch đảo ma trận liên hiệp lấy mẫu nhỏ TD-SCDMA Time Division - Synchronous Code Division Multiple Access - Đa truy nhập theo mã đồng phân kênh theo thời gian ix TDMA Time Division Multiple Access – Đa truy nhập phân thời gian TSL Total Least Squares Criterion - Tiêu chuẩn tổng bình phương nhỏ UMTS Universal Mobile Telecommunications System – Hệ thống thông tin di động UMTS Luận văn Thạc sỹ MỞ ĐẦU Các hệ thống thông tin di động tế bào ngày phát triển nhằm phục vụ cho nhu cầu dịch vụ ngày lớn khách hàng Do vậy, kỹ thuật, công nghệ cần nghiên cứu triển khai để đáp ứng nhu cầu Trong thời gian gần đây, hệ thống anten sử dụng kỹ thuật búp sóng dùng cho hệ thống thông tin di động công nghệ quan tâm nghiên cứu rộng rãi thu kết khả quan, bao gồm thuật toán, thử nghiệm sản phẩm thương mại Đến nay, hệ thống anten sử dụng kỹ thuật không khái niệm xa lạ vài năm trước xem công nghệ đầy hứa hẹn cho hệ thống thông tin di động 3G sau 3G nhằm đáp ứng yêu mở rộng dung lượng, vùng phủ tăng chất lượng dịch vụ di động Ngoài phương thức đa truy nhập truyền thống TDMA, FDMA CDMA, với việc sử dụng kỹ thuật búp sóng cho hệ thống anten, hệ thống hỗ trợ phương thức đa truy nhập mới, đa truy nhập theo không gian SDMA, cho phép sử dụng tối đa tài nguyên hệ thống truy nhập vô tuyến (thời gian, tần số, mã không gian) Nhận thấy việc ứng dụng kỹ thuật búp sóng hệ thống anten giải tốt việc cải thiện dung lượng chất lượng hệ thống thông tin di động, nên em chọn đề tài: “ứng dụng kỹ thuật búp sóng sử dụng anten mảng cho hệ thống thông tin tế bào” Đề tài bố cục thành chương, với nội dung sau: Chương 1: Giới thiệu tổng quan kỹ thuật búp sóng Chương trình bày khái quát kỹ thuật búp sóng, phân loại kỹ thuật búp sóng ứng dụng kỹ thuật búp sóng Chương 2: Kỹ thuật tạo búp sóng Nghiên cứu kỹ thuật sử dụng để tạo búp sóng sử dụng với mảng anten, bao gồm búp sóng chuyển mạch búp sóng thích nghi Kỹ thuật tạo búp sóng chuyển mạch đơn giản độ tăng ích chất lượng… Các thuật toán tạo búp sóng thích nghi sử dụng Nguyễn Hà Duy – K11 Đ2 81 Luận văn Thạc sỹ Chương trình mô gồm hai phần thiết lập giá trị ban đầu (Status initialization) lặp (loop), cụ thể sau: [Status initialization] Đầu tiên, kích thước cluster định cách thiết lập tham số I J Kích thước cluster tính thông qua công thức sau: I + J + I ⋅ J (4.2) Ví dụ, I=J=1 kích thước cluster Tiếp theo, dựa kích thước cluster, ta định cách xếp trạm sở (Việc xếp đưa hai chương trình set_D.m stationinit.m Trong đó, chương trình set_D.m xác định khoảng cách hai trạm sở hai tế bào đồng kênh chương trình stationinit.m xác định vị trí trạm sở này) Kết chương trình stationinit.m hình vẽ 4.5 Chúng ta chọn độ cao trạm sở bán kính tế bào (ở đây, ta giả sử bán kính tế bào r = 100 [m]) Hình 4.5 Vị trí trạm sở tế bào sử dụng tần số Nguyễn Hà Duy – K11 Đ2 82 Luận văn Thạc sỹ Thứ hai, ta xác định đặc điểm của độ lợi anten trạm gốc trạm di động Gọi trạm sở trạm di động tế bào thứ i Bi Mi Trong chương trình mô này, ta giả sử: G HBi (φ ) = G HM i (φ ) = GVBi (φ ) = GVM i (φ ) (i=0,…,18) (4.3) tất góc đến φ trường hợp Mặt khác ta gán giá trị cụ thể cho tham số độ lợi anten trường hợp hợp 1, cụ thể xấp xỉ sau: ⎧10 log10 cos n (φ ),−π / ≤ φ ≤ π / GHBi (φ ) = ⎨ (4.4) ⎩ x, φ ∉ [− π / 2, π / 2] Trong đó, x độ lợi anten theo hướng ngược Tham số n sử dụng để xác định độ rộng búp sóng φ Giá trị không 3dB Giá trị tham số n xác định theo công thức sau: n= log10 / (4.5) log10 cos(θπ / 180) Ta dùng công thức (4.4) để xác định giá trị GHB (φ ) , GHM (φ ) , GVB (φ ) i i i GVM (φ ) i [Loop] Vị trí trạm di động tế bào xác định cách ngẫu nhiên Đầu tiên ta tính toán khoảng cách Mi Bi để xác định công suất yêu cầu Pi Mi (i=0,…,18) Bằng cách điều khiển Pi, ta thực kỹ thuật điều khiển công suất Kỹ thuật cách có hiệu để cải thiện CIR điều khiển búp sóng Sử dụng kỹ thuật trạm di động điều khiển công suất truyền cho phù hợp với khoảng cách trạm di động trạm gốc mong muốn Thứ hai, ta tính toán khoảng cách trạm gốc trung tâm B0 trạm di động Mi −α tế bào thứ i để tìm mát đường truyền d i Thứ ba, ta tính góc theo phương nằm ngang phương thẳng đứng θ HB , i θ VB từ Bi đến Mi Trong trường hợp 1, Mi có giá trị độ lợi anten lớn i Nguyễn Hà Duy – K11 Đ2 83 Luận văn Thạc sỹ Bi Cụ thể G HM có đỉnh φ = theo (4.4), G HM (0) đạt i i hướng θ HB (i = 0, ,18) Cũng tương tự vậy, độ lợi lớn theo phương nằm i ngang GVM (0) đạt hướng θ VB Tiếp theo, ta tính góc theo i i phương thẳng đứng nằm ngang θ HB θ VB trạm trung tâm B0 Mj 0 (j=1,…18) Sự khác θ HB θ HB , θ VB θ VB sử dụng để tính i i giá trị GHM (θ HB ) GVM (θVB ) j j Tương tự vậy, ta tính góc theo phương nằm ngang phương thẳng đứng θ HM θVM trạm di động M0 trạm gốc B0, giá trị GHB (0) GVB (0) lớn 0 0 tương ứng với góc θ HM θVM Tiếp theo, ta tính góc theo 0 phương thẳng đứng nằm ngang θ HM θVM Mj (j=1,…,18) B0 Sự khác j j θ HM θ HM , θVM θVM sử dụng để tính giá trị j j 0 GHB0 (θ HM j ) GVB0 (θVM j ) Cuối cùng, dựa vào công thức (4.1), ta tính CIR cho đường lên trạm gốc trung tâm cho hai trường hợp Sau kết thúc trình lặp (loop), thống kê CIR cho hai trường hợp đưa 4.3 Các kết mô Hình vẽ 4.6 đưa kết việc cải thiện CIR đường lên trạm sở trung tâm, ta thấy khác biệt lớn hai trường hợp Các tham số dùng chương trình mô sau: • I = 1, J=1; • G HB (φ ) xác định theo (4.4), đó, x = -100[dB], n=2.41 i ( θ = 60 ); • GVB (φ ) = G HM (φ ) = GVM (φ ) = với góc φ trường hợp không i i i sử dụng kỹ thuật búp sóng; • Độ lệch chuẩn hiệu ứng sigma 0; Nguyễn Hà Duy – K11 Đ2 Thank you for evaluating AnyBizSoft PDF Splitter A watermark is added at the end of each output PDF file To remove the watermark, you need to purchase the software from http://www.anypdftools.com/buy/buy-pdf-splitter.html [...]... sở và bán kính của tế bào (ở đây, ta giả sử rằng bán kính tế bào là r = 100 [m]) Hình 4.5 Vị trí các trạm cơ sở của các tế bào sử dụng cùng tần số Nguyễn Hà Duy – K11 Đ2 82 Luận văn Thạc sỹ Thứ hai, ta xác định các đặc điểm của của độ lợi anten tại cả trạm gốc và trạm di động Gọi trạm cơ sở và trạm di động của tế bào thứ i lần lượt là Bi và Mi Trong chương trình mô phỏng này, ta giả sử: G HBi (φ ) =... động trong mỗi tế bào được xác định một cách ngẫu nhiên Đầu tiên ta tính toán khoảng cách giữa Mi và Bi để xác định công suất yêu cầu Pi của Mi (i=0,…,18) Bằng cách điều khiển Pi, ta có thể thực hiện kỹ thuật điều khiển công suất Kỹ thuật này cũng là một cách có hiệu quả để cải thiện CIR và điều khiển búp sóng Sử dụng kỹ thuật này tại mỗi trạm di động có thể điều khiển công suất truyền sao cho phù hợp... xác định theo (4.4), trong đó, x = -100[dB], n=2.41 i ( θ = 60 ); • GVB (φ ) = G HM (φ ) = GVM (φ ) = 0 với mọi góc φ trong trường hợp không i i i sử dụng kỹ thuật búp sóng; • Độ lệch chuẩn của hiệu ứng sigma bằng 0; Nguyễn Hà Duy – K11 Đ2 Thank you for evaluating AnyBizSoft PDF Splitter A watermark is added at the end of each output PDF file To remove the watermark, you need to purchase the software... các 0 0 phương thẳng ứng và nằm ngang θ HM và θVM giữa Mj (j=1,…,18) và B0 Sự khác j j nhau giữa θ HM và θ HM , giữa θVM và θVM được sử dụng để tính các giá trị j j 0 0 GHB0 (θ HM j ) và GVB0 (θVM j ) Cuối cùng, dựa vào công thức (4.1), ta tính được CIR cho đường lên tại trạm gốc trung tâm cho cả hai trường hợp 1 và 2 Sau khi kết thúc quá trình lặp (loop), các thống kê về CIR cho cả hai trường hợp... tất cả các góc đến φ trong trường hợp 2 Mặt khác ta gán các giá trị cụ thể cho các tham số độ lợi anten trong trường hợp hợp 1, cụ thể là xấp xỉ như sau: ⎧10 log10 cos n (φ ),−π / 2 ≤ φ ≤ π / 2 GHBi (φ ) = ⎨ (4.4) ⎩ x, φ ∉ [− π / 2, π / 2] Trong đó, x là độ lợi anten theo hướng ngược Tham số n được sử dụng để xác định độ rộng búp sóng φ Giá trị này không quá 3dB Giá trị của tham số n được xác định theo... phương thẳng ứng và nằm ngang θ HB và θ VB đối với trạm trung tâm B0 và Mj 0 0 (j=1,…18) Sự khác nhau giữa θ HB và θ HB , giữa θ VB và θ VB được sử dụng để tính i 0 i 0 các giá trị GHM (θ HB ) và GVM (θVB ) j 0 j 0 Tương tự như vậy, ta tính các góc theo phương nằm ngang và phương thẳng ứng θ HM và θVM giữa trạm di động M0 và trạm gốc B0, các giá trị GHB (0) và GVB (0) lớn 0 0 0 0 nhất tương ứng với các... trạm gốc mong muốn Thứ hai, ta tính toán khoảng cách giữa trạm gốc trung tâm B0 và trạm di động Mi −α trong tế bào thứ i để tìm mất mát đường truyền d i Thứ ba, ta tính các góc theo phương nằm ngang và phương thẳng ứng θ HB , i θ VB từ Bi đến Mi Trong trường hợp 1, mỗi Mi có một giá trị độ lợi anten lớn nhất i Nguyễn Hà Duy – K11 Đ2 83 Luận văn Thạc sỹ đối với Bi Cụ thể là G HM có đỉnh khi φ = 0 như... và J Kích thước cluster được tính thông qua công thức sau: I 2 + J 2 + I ⋅ J (4.2) Ví dụ, khi I=J=1 thì kích thước cluster là 3 Tiếp theo, dựa trên kích thước cluster, ta quyết định cách sắp xếp các trạm cơ sở (Việc sắp xếp này được đưa ra bởi hai chương trình set_D.m và stationinit.m Trong đó, chương trình set_D.m xác định khoảng cách giữa hai trạm cơ sở của hai tế bào đồng kênh và chương trình stationinit.m