nghien cứu về ăng-ten thông minh

Contents -tuthienbao.com ĐẶT VẤN ĐỀ Do nhu cầu truyền thông di động không ngừng gia tăng, nhu cầu cần vùng phủ sóng chất lượng đường truyền tốt hơn, đặt toán để sử dụng hiểu phổ vơ tuyến Hệ thống anten thơng minh có khả sử dụng hiệu tần số vô tuyến, mang đến giải pháp đầy hứa hẹn cho hệ thống khơng dây nay, đạt tốc độ đường truyền liệu cao với độ đáng tin cậy cao Trong thực tế, hệ thống ăng ten thông minh bao gồm số lĩnh vực quan trọng mảng thiết kế ăng ten cá nhân, xử lý tín hiệu thuật tốn, xử lý khơng gian thời gian, mơ hình kênh khơng dây mã hóa, hiệu suất mạng Hơm nay, nhóm em xin trình bày sơ lược ăng-ten thơng minh, qua làm rõ khái niệm, phân loại, cấu trúc, ứng dụng, ưu nhược điểm anten thông minh, kỹ thuật sử dụng anten thông minh ý nghĩa thơng tin di động GIỚI THIỆU Khái niệm anten thông minh: Anten thông minh hệ thống gồm hai hay nhiều anten (phần tử dãy) bố trí phù hợp mặt hình học kết nối liên thông điện để tạo giản đồ phát xạ định hướng mong muốn Ănten thơng minh có khả thay đổi đồ thị xạ thu hay phát (hay nói cách khác búp sóng) cách linh hoạt cho thích hợp với mơi trường tín hiệu cell di động Nhiều người đề cập đến hệ thống ăng ten thông minh “ăng-ten thông minh”, thực tế ăng-ten tự khơng thơng minh Mà hệ thống thông minh gồm ăng ten kết hợp với khả xử lý tín hiệu kỹ thuật số Mặc dù anten thơng minh cơng nghệ mới, nguyên lý tảng đề cập vào năm đầu thập niên 70 kỷ 20, qua hai báo “ứng dụng anten truyền phát” IEEE Và kỹ thuật tương tự sử dụng chiến II, chiến tranh điện tử biện pháp đối phó gây nhiễu điện tử Tuy nhiên, phát triển mạnh mẽ vi xử lý tín hiệu số giá rẻ, phần mềm dựa kỹ thuật xử lý tín hiệu tiên tiến (thuật tốn), hệ thống ăng ten thông minh dần thương mại hóa Tại cần anten thơng minh? Khơng giống hệ thống thông tin liên lạc hữu tuyến, hệ thống thông tin liên lạc không dây, đặt số thách thức đặc biệt, là:  Mật độ phân bố phổ hạn chế giới hạn cơng suất  Mơi trường truyền sóng vơ tuyến di chuyển người sử dụng làm phát sinh pha đinh tín hiệu, phân bố theo thời gian, khơng gian tần số  Tuổi thọ pin hạn chế thiết bị di động đặt hạn chế cơng suất Ngồi ra, hệ thống truyền thơng khơng dây di động phải đối mặt với can thiệp tái sử dụng tần số Nỗ lực nghiên cứu điều tra công nghệ hiệu để giảm thiểu tác động diễn hai mươi lăm năm qua Tuy nhiên, cách thức mà lượng tần số vô tuyến phân bố vào thu thập từ khơng gian có ảnh hưởng sâu sắc việc sử dụng hiệu phổ tần, chi phí việc thiết lập mạng lưới thơng tin liên lạc cá nhân chất lượng dịch vụ cung cấp mạng Việc áp dụng thương mại hóa kỹ thuật ăng ten thơng minh lời hứa tuyệt vời để giải vấn đề suy hao mơi trường truyền thơng khơng dây Hình 1.1: Suy hao hệ thống không dây Sự khác anten thơng minh so với anten thường Hình 8: Vùng xạ anten thường anten thích nghi Theo hình ta nhận thấy khác biệt vùng xạ hệ thống anten thường anten thích nghi Anten thơng minh có búp sóng (beam) hẹp có tính định hướng cao so với anten thường KHÁI QUÁT NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG Hệ thống ăng ten thông minh phát triển dựa ý tưởng hoạt động quan thính giác người Một người có khả xác định hướng truyền đến âm trình giai đoạn sau: -Tai người hoạt động cảm biến âm thu tín hiệu -Bởi khoảng cách hai tai, nên tai nhận tín hiệu với thời gian trễ khác -Não người, xử lý đặc biệt, thực hàng trăm phép tính để phân tích thơng tin tính tốn vị trí âm thu Để cung cấp nhìn cụ thể hoạt động hệ thống ăng ten thông minh, tưởng tượng người tiến hành trò truyện phòng biệt lập minh họa hình vẽ Người nghe có khả xác định vị trí người nói di chuyển phòng âm người nói đến tai (hay cảm biến âm thanh) khoảng thời gian khác Não người (hay xử lý tín hiệu) tính tốn phương hướng người nói từ khoảng thời gian hay độ trễ nhận tai, sau đó, não thêm chiều dài tín hiệu từ tai để tập trung vào âm phương hướng tính tốn Dùng q trình tương tự, não người có khả phân biệt nhiều tín hiệu có hướng đến khác Do đó, người tham gia vào nói chuyện, nảo tăng cường tín hiệu thu từ người nói đáng quan tâm bỏ ngồi âm nhiễu khơng mong muốn Vì thế, người nghe có khả phân biệt giọng nói người nhiều người nói đồng thời, tập trung vào hội thoại thời gian Bằng cách này, âm nhiễu không mong muốn giảm bớt Ngược lại, người nghe đáp trả lại hướng hướng người nói việc định hướng miệng (hay phát) người hướng phía người nói Hệ thống Ăng ten điện thông minh làm việc tương tự cách sử dụng ăng ten thay cho tai, xử lý tín hiệu số thay cho “bộ não” hình Do đó, dựa thời gian trễ tín hiệu ảnh hưởng yếu tố ăng ten, xử lý tín hiệu số tính tốn hướng đến (Direction of arrival: DOA) tín hiệu quan tâm (Signal of interest: SOI), điều chỉnh kích thích (pha độ lợi tín hiệu) để sản sinh kiểu xạ tập chung vào SOI loại bỏ tín hiệu nhiễu tín hiệu không quan tâm (SNOI: Signals not of interest) Truyền đạt ý tưởng tương tự cho hệ thống truyền thông di động, trạm sở hoạt động đóng vai trò người nghe, máy di động đóng vai trò vài âm nghe tai người Nguyên lý cho hệ thống ăng ten thông minh minh họa hình Bộ xử lý tín hiệu số đặt trạm sở làm việc kết hợp với dàn ăng ten chịu trách nhiệm điều khiển thông số hệ thống khác để loại bỏ vài tín hiệu nhiễu SNOI gia tăng SOI Vì hệ thống tạo mẫu xạ cách thích ứng, đáp ứng tự động mơi trường tín hiệu thay đổi • Kỹ thuật định dạng búp sóng Beamforming Ý tưởng định dạng búp sóng thích nghi - Bộ xử lý tín hiệu số anten thơng minh xử lý tín hiệu theo tiêu chuẩn… PHÂN LOẠI ANTEN THƠNG MINH Về bản, anten thơng minh gồm loại anten chuyển mạch búp sóng (Switched beam Antena) anten mảng thích nghi (Adaptive array atennas) a Anten chuyển mạch búp sóng (Switched beam antennas: SBA) sử dụng mạng anten anten thành phần thu phát cách độc lập, biểu đồ hướng anten thay đổi chuyển từ anten thành phần sang anten thành phần khác để bám theo đối tượng thuê bao di chuyển Tuy nhiên dung lượng hệ thống bị giới hạn phụ thuộc vào số lượng anten thành phần mạng anten, biểu đồ hướng sóng anten xác định trước dạng kết hợp (các sector) Hệ thống tương đối đơn giản, dễ lắp đặt hệ thống thông tin di động Tuy nhiên hệ thống số nhược điểm cần khắc phục như: dung lượng hệ thống phụ thuộc vào số lượng anten thành phần mạng anten, khơng tận dụng tính chất đa đường để tăng cường tín hiệu… Hình 4: hệ thống chuyển mạch búp sóng • Cấu tạo: Anten SBA có cấu tạo đơn giản Hệ thống SB có cấu trúc giống với anten thơng thường, ngồi trang bị thêm phận để phát triển mở rộng hệ thống tế bào, người ta bổ sung cách cộng thêm địa thông minh cần thiết mạng sau tính tốn kỹ Hình mơ tả hệ thống SB đơn giản gồm tạo tia , chuyển mạch RF( Radio Frequency: Tần số vô tuyến ) logic điều khiển để lựa chọn tia đặc biệt • Cơng dụng : Hệ thống SBA nâng cao vùng phủ trạm gốc từ 20% đến 200% so với hệ thống phân vùng tế bào cổ điển phụ thuộc vào hồn cảnh mơi trường phần cứng phần mềm dùng Vùng phủ sóng cộng thêm tiết kiệm nguồn nhân lực , giá sở hạ tầng thực tế giá trung bình cho người tiêu dùng thấp b Anten giàn thích ứng(AAA : Adaptive Array Antenna) Biểu đồ hướng sóng khơng xác định, mang tính chất động biểu đồ hướng sóng anten điều chỉnh theo thời gian thực Hệ thống tất nhiên phức tạp hệ thống anten nhiên lại có ưu điểm nhờ tính chất động hệ thống anten nên dung lượng hệ thống thay đổi cách linh hoạt, khắc phục nhược điểm hệ thống lợi dụng tính chất đa đường để tăng cường tín hiệu… Hình 5: Hệ thống mạng anten tương thích Một giàn thích ứng (AAA) hệ thống bao gồm giàn chấn tử anten xử lý thích ứng thời gian thực cho phép điều khiển búp sóng tự động thông qua tiêu chuẩn lựa chọn thuật tốn Một giàn anten thích ứng có cấu trúc đưa hình c So sánh anten chuyển mạch búp sóng anten mảng thích nghi CẤU TRÚC HỆ THỐNG ANTEN THÔNG MINH Hệ thống anten thích nghi thực chất hệ thống gồm nhiều anten cấu thành mạng,các anten thành phần hồn toàn giống Cấu trúc mạng anten đa dạng tuỳ theo mục đích như: kiểu tuyến tính đều, dãy tròn đồng đều, dãy khơng gian phẳng đồng Hình 3: Các loại cấu trúc anten thơng minh Các chấn tử giàn anten thích ứng xếp theo cấu trúc hình học khác , cầu trúc phổ biến xếp theo dạng giàn đường thẳng , tròn , giàn phẳng ( dạng hình chữ nhật ) hình 2.1 Giàn đường thẳng giàn anten bao gồm chấn tử xếp dọc theo đường thẳng ,nếu khoảng cách chấn tử gọi giàn cách tuyến tính (LUSA: Linear Uniform Space Array: Giàn chấn tử cách tuyến tính) Tương tự , giàn hình tròn giàn anten bao gồm chấn tử xếp nằm hình tròn đồng Và cuối , giàn phẳng giàn bao gồm dãy phần tử anten bề mặt độ lợi thấp , đồng phân cức phân bố đồng theo không gian hướng theo hướng chấn tử giàn mặt phẳng Trong giàn đường thẳng giàn tròn cho búp sóng đơn hướng ( hướng ngang ) , giàn phẳng cho búp sóng song hướng ( hướng ngang dọc ) Tuy có cấu trúc hình học khác , ngun lý giàn anten thích ứng hồn toàn giống Bằng phương pháp toàn học người ta đưa thêm cấu trúc hình học Cho dù hình dạng kiến trúc khác tất phải đảm bảo điều kiện sau: • Các anten thành phần phải mặt: tính chất vật lí, kích thước, khoảng cách phần tử…và biểu đồ hướng sóng anten • Khơng có tác động qua lại anten thành phần • Khơng có biến đổi biên độ anten • Tín hiệu thu phải độc lập, rời rạc hố mặt phẳng sóng CÁC KỸ THUẬT SỬ DỤNG TRONG ANTEN THƠNG MINH Đặc trưng Lợi ích Tăng ích tín hiệu: Các tín hiệu vào Vùng phủ sóng rộng hơn: Tập từ phần tử anten kết hợp với để tối ưu hố cơng suất sẵn có nhằm tạo mức độ trung lượng phát tế bào làm tăng bán kính phủ sóng trạm gốc u cầu cơng suất thấp giúp cho tuổi thọ nguồn pin dài phủ sóng định hơn, kích cỡ thiết bị nhỏ gọn Loại bỏ nhiễu: Mẫu anten phát phía nguồn nhiễu kênh, nhờ cải thiện tỉ số tín hiệu nhiễu tín hiệu thu Dung lượng tăng: Điều khiển xác mức khơng tín hiệu, giảm nhiễu, kết hợp với giảm khoảng cách tái sử dụng tần số làm tăng dung lượng Nhiều cơng nghệ thích nghi hỗ trợ khả tái sử dụng tần số tế bào Phân tập không gian: Thông tin tổng hợp từ dàn sử dụng để tối thiểu hoá fađinh hiệu ứng không mong muốn khác truyền sóng đa đường Loại bỏ hiệu ứng đa đường: giảm trải trễ kênh cách hiệu quả, hỗ trợ tốc độ bit cao mà không cần cân Tiết kiệm công suất: Kết hợp tín Giảm chi phí: Chi phí cho hiệu vào từ phần tử để tối ưu khuếch đại cơng suất thấp hơn, cơng hóa tăng ích xử lý suất tiêu thu thấp độ tin cậy cao Mở rộng vùng phủ sóng Ở vùng mật độ thuê bao thấp, tối ưu phủ sóng hướng tới mục tiêu tăng độ rộng vùng phủ tăng khoảng cách phủ sóng Khi sử dụng anten thông minh khu vực cho phép tăng bán kính phủ sóng trạm nhiều lần so với anten đẳng hướng hay anten sector mô tả Hình Hình Mở rộng vùng phủ sóng sử dụng anten thông minh Giảm nhiễu đường truyền Ở nơi có mật độ thuê bao cao, mục tiêu tối ưu phủ sóng tăng dung lượng Hai kỹ thuật sử dụng để tăng dung lượng giảm nhiễu xuyên kênh đường xuống khử nhiễu đường lên Trong hệ thống sử dụng anten thông minh, búp sóng anten hướng xác th bao, công suất phát phát đến hướng cần thiết tránh phát tín hiệu phía nguồn can nhiễu Nhiễu xuyên kênh kiểu đồng kênh xảy thuê bao nằm búp sóng hẹp (5o đến 10o) Do đó, nhiễu đồng kênh giảm nhiều so với trường hợp dùng anten đẳng hướng (360 0) hay anten sector (600, 900, 1200) kênh đường xuống Nhiễu xuyên kênh đường lên loại trừ cách hướng búp sóng hướng thuê bao không hướng có thuê bao đồng kênh Như vậy, giảm nhiễu đồng kênh thực cách lái búp sóng chuyển mạch búp sóng Nhờ việc sử dụng búp sóng định hướng, nhiễu trạm phủ sóng dùng tập kênh tần số giảm đáng kể so với trường hợp anten đẳng hướng mô tả Hình Trong trường hợp lý tưởng, số lượng trạm phủ sóng cần giảm xuống, tăng hiệu sử dụng băng tần dung lượng Hình Giảm nhiễu đường xuống loại trừ nhiễu đường lên dùng anten thông minh Đa truy nhập phân chia theo không gian Hệ thống anten thông minh cho phép trạm phủ sóng liên lạc với hay nhiều thuê bao sử dụng tần số sử dụng công nghệ đa truy nhập phân chia theo không gian (SDMA – Space Division Multiple Access), cho phép hệ thống sử dụng tài nguyên mạng hiệu ƯU ĐIỂM VÀ HẠN CHẾ CỦA ANTEN THƠNG MINH - Ưu điểm: • Cải thiện chất lượng tín hiệu hệ thống truyền thơng vô tuyến cách triệt can nhiễu, loại bỏ hiệu ứng đa đường thu/ phát hướng mong muốn • Cải thiện dung lượng hệ thống tăng khả sử dụng lại tần số cell • Công suất phát thấp cho phép thời gian sử dụng lượng lâu hơn, giảm kích thước khối lượng thiết bị đầu cuối Hơn nữa, việc phát công suất thấp làm giảm ảnh hưởng đến kênh kế cận • Anten thơng minh thích hợp với hầu hết hệ thống truyền thông vô tuyến - Nhược điểm: ỨNG DỤNG ANTEN TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG - Ứng dụng khối thu phát vô tuyến hệ 3G, WiMAX, LTE, WLAN