Nghiên cứu ứng dụng anten beamforming vào hệ thống UWB

 PAM Pulse Amplitude Modulation là phương pháp điều chế biên độ xung mà theo đó giá trị bit tin hoặc giá trị kí hiệu sẽ xác định mức điện áp của tín hiệu xung Phạm vi nghiên cứu Đề tài

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA



TRỊNH XUÂN HOÀNG

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG ANTEN

BEAMFORMING VÀO HỆ THỐNG UWB

Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử

Mã số: 60.52.02.03

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

Đà Nẵng - Năm 2017

Công trình được hoàn thành tại

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS TĂNG TẤN CHIẾN

Phản biện 1: Phản biện 2:

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật điện tử họp tại Trường Đại học Bách

khoa vào ngày 15 tháng 07 năm 2017

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

 Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học

Bách khoa

Thư viện Khoa Điện tử-Viễn thông, Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN

MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của đề tài

Việc nghiên cứu về UWB có thể xem là hướng nghiên cứu mới

vì hiện tại công nghệ UWB chưa được sử dụng rộng rãi ở Việt Nam UWB – ultra wideband – là hệ thống sử dụng băng thông cực rộng ở tần số cao với công suất phát thấp trong truyền dẫn không dây

Mục đích nghiên cứu

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài là vấn đề cải thiện dung lượng

và chất lượng của việc sử dụng băng UWB bằng cách ứng dụng Anten Beamforming Cụ thể hơn, là ứng dụng phương pháp định tia của Anten Beamforming vào băng cực rộng để nhằm mục tiêu cải thiện hai yếu tố: dung lượng và chất lượng

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu

 Anten mảng thích nghi và các phương pháp định tia

 Hệ thống đa truy cập phổ biến trong UWB là : DS - UWB và

TH - UWB

 PAM (Pulse Amplitude Modulation) là phương pháp điều chế biên độ xung mà theo đó giá trị bit tin hoặc giá trị kí hiệu sẽ xác định mức điện áp của tín hiệu xung

Phạm vi nghiên cứu

Đề tài sử dụng hệ thống TH – 2PAM để khảo sát vấn đề cải thiện chất lượng và dung lượng khi sử dụng Anten Beamforming trong công nghệ UWB Tức là một hệ thống kết hợp bởi phương pháp đa truy cập nhảy thời gian và điều chế PAM hai mức được viết tắt là hệ thống truyền TH - 2PAM

Phương pháp nghiên cứu

Đầu tiên luận văn giới thiệu một số phương pháp xử lí cho

Thứ hai, thực hiện áp dụng phương pháp định tia tối ưu vào anten mảng nhưng phải đảm bảo thông số mảng AF ở hướng thu mong muốn là như nhau đối với mọi miền tần số và đồng thời có khả năng giảm nhiễu cho hệ thống

Thứ ba, chứng minh rằng giải pháp kết hợp Anten Beamforming vào băng cực rộng có cải thiện về dung lượng và chất lượng đối với truyền thông thông thường trên hai phương diện : lý thuyết và mô phỏng

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Với một anten đẳng hướng, tính chọn lọc và định hướng của anten này rất thấp Điều này dẫn tới các can nhiễu ở các hướng khác nhau dễ dàng xâm nhập vào bộ thu Hơn nữa, do không có tính định hướng mạnh về hướng phát mong muốn nên phạm vi sử dụng của anten

sẽ hẹp Hạn chế này được cải thiện khi sử dụng thuật toán định tia trong Anten Beamforming

Ngoài ra, phương pháp anten beamforming có thể thay đổi một cách mềm dẻo để phù hợp với các băng tần khác nhau mà không phải can thiệp ở phần cơ học của anten như khoảng cách giữa các phần tử anten, vị trí của anten trong không gian

Cấu trúc của luận văn

Bố cục luận văn được chia làm 3 chương:

 Chương I: Tổng quan công nghệ UWB và anten beamforming

 Chương II: Phương pháp định tia bằng cách chia băng con ở miền tần số để áp ứng dụng anten beamforming vào công nghệ UWB

 Chương III: Mô phỏng và đánh giá kết quả

CHƯƠNG 1- TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ UWB VÀ ANTEN

BEAMFORMING

1.1 Công nghệ UWB

1.1.1 Giới thiệu

1.1.2 Sơ lược lịch sử công nghệ UWB [8]

1.1.3 Đặc tả và các luật cơ bản của công nghệ UWB do FCC qui định [5]

1.1.4 Các ưu điểm của công nghệ UWB [5]

1.1.5 UWB và định lí Shannon [5]

Theo định lý Shannon:

2log 1 S

số 2 của tín hiệu trên nhiễu Mà băng thông của tín hiệu UWB cực kì lớn, điều đó có nghĩa là ta sẽ có một dung lượng truyền lớn Nếu áp dụng các biện pháp nâng cao tỉ số SNR thì rõ ràng, công nghệ UWB sẽ cung cấp một dung lượng kênh truyền cực lớn

1.1.6 Dạng tín hiệu và phổ tín hiệu [5]

Dạng tín hiệu của xung UWB là dạng xung Gauss đôi (doublet) Dạng xung này được chọn vì dễ tạo ra Khi khảo sát băng thông của tín hiệu thu, ta thường xét đến dạng tín hiệu vi phân của xung Gauss đôi

1.1.7 Mặt nạ phổ (spectral mask)

1.1.8 Các phương pháp điều chế [5]

Có 2 phương pháp là điều chế theo thời gian và phương pháp điều chế theo dạng xung

Hình 1 1 Các giải pháp điều chế [5]

1.1.8.1 Điều chế theo vị trí xung PPM

1.1.8.2 Điều chế OOK - PAM

Điều chế PAM cũng được dùng để truyền tín hiệu trong hệ thống này

Đối với PAM , biểu thức toán học là

    





0

n

s

np t nT A

t

x (1 1) với An = 0,1,2,…M

Ts là thời gian của một kí hiệu Nếu kí hiệu này chỉ có 2 mức thì đó là thời gian bit

Trường hợp đặc biệt khi An = 0,1 thì điều chế PAM trở thành điều chế OOK

1.1.9 Đa truy cập trong UWB – đa truy cập theo kiểu nhảy thời gian [6]

1.1.9.1 Nhảy thời gian với tập nhảy lặp lại

1.1.9.2 Nhảy thời gian với tập giả ngẫu nhiên

1.1.10 Sơ đồ khối bộ phát UWB [5]

Bộ thu hoạt động ngược lại với bộ phát Ở bộ thu, ta phải thực hiện đồng bộ với dãy xung đến, sau đó lấy tương quan với tín hiệu đến

để tách ra tín hiệu của người dùng mong muốn Lấy tích phân và so sánh để tái tạo lại chuỗi bit

Hình 1 2 Sơ đồ khối bộ phát UWB [5]

1.2 Anten Beamforming Anten mảng thích nghi [2][4]

1.2.1 Giới thiệu chung

1.2.2 Ưu điểm vượt trội

1.2.3 Lý thuyết về mảng anten

1.2.3.1 Anten mảng tổng quát

1.2.3.2 Anten mảng tuyến tính

Hình 1 3 Anten mảng tuyến tính điều khiển bằng pha [2]

Khi dãy anten nằm ở trục 0z :

sin

sin

0 , 2

n

x n j

w e

Trong đó β = 2π/λ = 2πc/f với f là tần số của tín hiệu đến

1.2.4 Phương pháp định tia thích nghi

Có 3 phương pháp định tia cơ bản trong truyền thông băng hẹp

là mạng định tia cố định, định tia biết trước góc đến và định tia thích nghi

1.2.5 Phương pháp định tia tối ưu [4]

1.2.5.1 Định tia không ràng buộc (unconstrained beamformer)

1.2.5.1 Định tia có điều kiện ràng buộc

1.3 Các kỹ thuật ứng dụng anten beamforming vào công nghệ UWB

1.3.1 Kĩ thuật dùng dây trễ - TDL [4]

1.3.1 Phương pháp chia băng con chồng lấn [3]

1.4 Kết luận chương

CHƯƠNG 2- PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH TIA BẰNG CÁCH CHIA BĂNG CON Ở MIỀN TẦN SỐ ĐỂ ỨNG DỤNG ANTEN BEAMFORMING VÀO CÔNG NGHỆ UWB

2.1 Những hạn chế khi sử dụng anten đẳng hướng

2.2 Hạn chế của phương pháp Beamforming thông thường

2.3 Giải pháp chia băng con ở miền tần số

2.3.1 Cố định và làm đồng đều búp tia chính ở hướng quan sát theo tần số

2.3.2 Mỗi tần số có một tập các trọng số tối ưu riêng

2.3.3 Nhóm các tần số lân cận thành một băng con [1]

Tần số lấy mẫu càng cao, số mẫu càng lớn sẽ dẫn tới số lượng tính toán nhiều Băng hẹp là băng mà ở đó hệ số mảng của anten không thay đổi Do đó, chúng ta hoàn toàn có thể xấp xỉ bằng cách chọn ra một tần số đại diện cho băng đó để tính toán trọng số, sau đó áp dụng cho tất cả các tần số khác trong băng hẹp đó

Hình 2.4 Các tần số gần nhau được xếp thành một băng, có cùng trọng số

H f

Hình 2.6 Sơ đồ khối hệ thống mô phỏng

Tín hiệu nhiễu giao thoa, nhiễu trắng được đưa vào bộ tính toán tối ưu để cập nhật trọng số Để tiết kiệm thời gian và số lượng tính toán, bộ tính toán trọng số không thực hiện tính trọng số tại tất cả các tần số Thay vào đó, băng tần được chia thành nhiều băng hẹp (thỏa mãn tỉ số băng thông trên tần số sóng mang nhỏ hơn 0.01) Mỗi băng nhỏ được đại diện bởi tần số cao nhất của băng đó Các trọng số đại diện cho một băng hẹp được áp dụng cho toàn băng hẹp

Khối thứ hai, Block2, có chức năng lấy tương quan, chọn ngưỡng và tách ra tín hiệu mong muốn Block2 có cấu trúc bên trong được mô tả như hình 1.8 Bên trong khối có một dãy xung tín hiệu cục

bộ hoạt động đồng bộ với tín hiệu thu được (từ khối Block1 đưa vào) Hai tín hiệu này được lấy tương quan và đi qua bộ tích phân Bộ so sánh sẽ đối chiếu với ngưỡng để tách ra tín hiệu bit mong muốn Luồng bit thu được so sánh với chuỗi bit phát để đo sai số lỗi bit Qua đó xác định xác suất lỗi bit tương ứng

2.3.5.1 Sơ đồ khối tính toán trọng số tối ưu

Hình 2.7 Sơ đồ khối tính toán trọng số

2.3.5.2 Lưu đồ giải thuật khối ước lượng trọng số

Hình 2.7 Sơ đồ khối tính toán trọng số

2.4 Kết luận chương

CHƯƠNG 3- MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 3.1 Các tham số mô phỏng

3.2 Các trường hợp thực hiện mô phỏng

Tóm tắt các tham số và trường hợp được mô phỏng qua 2 bảng sau:

Bảng 3.2 Các trường hợp khảo sát

Bảng 3.1 Các thông số mô phỏng cơ bản

3.3 Các mô phỏng và nhận xét kết quả

3.3.1 Hệ số mảng của hệ anten

Hình 3.1b có nhiều sự nhấp nhô ở miền tần số Trái lại, hình 3.1a cho thấy khi tần số thay đổi, giản đồ tia vẫn đồng đều theo góc đến Ở hình 3.1d, ta thấy với cách hướng tia bức xạ về hướng cần quan sát theo kiểu băng hẹp (góc quan sát có giá trị 600) thì đường nối đỉnh hướng có bức xạ lớn nhất theo tần số bị xiên (vùng được khoanh viền trắng) Điều đó nghĩa là hướng bức xạ chính thay đổi theo tần số Điều này là không thể chấp nhận được khi dùng giải thuật tối thiểu can nhiễu theo hướng quan sát Hình 3.1c cho kết quả đường nối đỉnh thẳng, suy

ra ở hướng quan sát, đáp ứng là giống nhau ở tất cả các tần số Vì vậy,

sự cung cấp trọng số định tia ở miền trọng số đảm bảo được sự đồng

đều của hệ số mảng theo tần số, và đảm bảo điều kiện để giải thuật định tia tối ưu thực hiện được

Hình 3.1 Giản đồ tia trường hợp định tia ở miền tần số và định

tia thông thường

Điều này có thể giải thích như sau: trong công thức (2.19)

1 2 2

1

2 2

N j

đổi tần số là nhỏ hơn nhiều so với khoảng cách giữa tần số của sóng mang f0 và tần số nằm trong khảng biên thấp mỗi băng f1

Hơn nữa ở mỗi một băng con đều được cập nhật hướng thu mong muốn coscos0 Như vậy sự phụ thuộc của AF vào tần số và hướng quan sát đã được cải thiện hơn công thức bức xạ điện trường phương pháp beamforming thông thường

3.3.2 SINR cải thiện khi số anten tăng

SINR của trường hợp anten đẳng hướng hoàn toàn giống với SINR ngõ vào Vì thế đặc tuyến của trường hợp L = 1 gần như tuyến tính.Trường hợp nhiều anten số lượng anten càng tăng, SINR càng được cải thiện So sánh các hình có thể thấy sự không đồng nhất về khoảng cách tăng SINR ngõ ra so với ngõ vào Trường hợp L = 4, và

Hình 3.2 Biểu đồ SINR ngõ ra so với ngõ vào, trường hợp 1 can nhiễu

khi EbNo đầu vào tăng 0,3,6 dB theo khoảng cách tăng 3dB thì ở đầu

ra giảm từ -8.04 đến -8.86 rồi lại tăng lên -6.18 Trong khoảng EbNo từ 0dB đến 9dB chưa thể hiện được rõ sự cải thiện SINR đầu

ra, ở các mức EbNo đầu vào cao hơn , khi SINR ngõ vào tăng thì SINR ngõ ra tăng

Hình 3.3 Biểu đồ SINR ngõ ra so với ngõ vào, trường hợp 3 can nhiễu

Hình 3.4 Biểu đồ SINR ngõ ra so với ngõ vào, trường hợp 5 can nhiễu

Luận văn đã chứng minh tại mỗi tần số phương pháp định tia tuân theo phương pháp định tia tối ưu băng hẹp như được trình bày ở chương 1 Vì vậy, tại mỗi tần số có sự cải thiện SINR theo số phần tử anten ở công thức (1.78) và (1.86) SNR toàn tín hiệu là tổng công suất tín hiệu trên tổng công suất nhiễu tại mỗi tần số nên kết quả là SINR ngõ ra toàn tín hiệu cải thiện tăng theo số lượng anten

Ở hình 3.5, BER của trường hợp dãy anten L = 4 không cải thiện hơn so với BER của anten đẳng hướng là bao nhiêu Trong khi BER của trường hợp L = 8 giảm mạnh

Hình 3.5 BER giữa anten đẳng hướng và anten dùng giải thuật tối ưu

DFT trường hợp có 1 can nhiễu

Hình 3.6 BER giữa anten đẳng hướng và anten dùng giải thuật tối ưu

DFT trường hợp có 3 can nhiễu

Hình (3.5), (3.6), (3.7)} cho thấy BER của dãy anten có cải thiện so với anten đẳng hướng Đặc biệt khi L = 8 thì xác suất lỗi bít giảm rất nhanh

Hình 3.7 BER giữa anten đẳng hướng và anten dùng giải thuật tối ưu

DFT trường hợp có 5 can nhiễu

Bắt đầu khi EbNo từ 18dB trở đi thì xác suất lỗi bit của trường hợp 8 anten giảm mạnh

Khi lượng nhiễu càng tăng thì sự khác biệt giữa trường hợp nhiều anten và anten đẳng hướng càng rõ rệt Xác suất lỗi bit cải thiện tốt hơn rất nhiều so với anten đẳng hướng Xác suất lỗi bít giảm theo chiều tăng của các phần tử anten

3.3.4 Cải thiện dung lượng

Nếu chất lượng tín hiệu được đánh giá qua xác suất lỗi bit BER, còn dung lượng hệ thống được đánh giá qua công thức Shannon

Do sự tăng băng thông tín hiệu nên dung lượng sẽ tăng Do sự cải thiện SINR nên dung lượng sẽ tăng

Hình 3.8 Dung lượng (Mbps), trường hợp 1 can nhiễu

Hình 3.9 Dung lượng (Mbps), trường hợp 3 nhiễu giao thoa

Tại mức EbNo 27dB ở hình 3.8 tốc độ dữ liệu khi L = 8 là 2.2Gbps so với hơn 500MBps của L = 1 Hình 3.9 là 1.8Gbps so với 500Mbps Hình 3.10 là 1.3Gbps so với 500Mbps

Hình 3.10 Dung lượng (Mbps), trường hợp 5 nhiễu giao thoa

Khi sử dụng giải pháp anten beamforming, dung lượng đường

truyền tăng lên đáng kể so với trường hợp anten đẳng hướng

3.4 Kết luận chương

Phần mô phỏng luận văn đã chứng tỏ được khi sử dụng phương pháp định tia miền tần số đảm bảo được hệ số mảng của hệ anten đồng đều theo tần số

Và anten mảng sử dụng phương pháp tối ưu LMS có xác suất lỗi bit và dung lượng cải thiện hơn anten đẳng hướng Mặt khác, SNR cũng tỉ lệ thuận theo số phần tử anten L, tương ứng là xác suất lỗi bit giảm theo chiều tăng của các phần tử anten Tốc độ dữ liệu cũng tỉ lệ thuận với số anten với điều kiện số lượng can nhiễu phải nhỏ hơn hoặc bằng L - 2

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI

Kết luận

Với những đề cập về lí thuyết ở chương một, về phương pháp định tia tần số ở chương hai, và kết quả mô phỏng ở chương ba Luận văn đã đạt được các kết quả sau:

 Luận văn đã đạt được mục tiêu chính là áp dụng phương pháp định tia tối ưu băng hẹp vào băng cực rộng ở miền tần số bằng cách chia băng thông cực rộng thành nhiều băng hẹp với tần số đại diện là tần số cao, búp tia chính được xoay về góc quan sát tại mỗi tần số Sau đó, các trọng số tại mỗi băng được tính toán theo phương pháp định tia tối ưu có ràng buộc dùng giải thuật thích nghi LMS để xác định trọng số nhằm tối thiểu hóa công suất nhiễu

 Về lý thuyết:

+ Khắc phục được vấn đề không đồng nhất hệ số mảng khi băng

cực rộng Qua công thức (2.19) đã thể hiện được vấn đề ở băng

hẹp ta không thể lái tia bức xạ chính về đúng hướng quan sát ở mọi tần số nhưng với giải pháp định tia ở miền tần số thì làm cho búp tia chính đồng đều ở hướng quan sát

+ Giảm số lượng tính toán bằng cách nhóm các tần số lân cận thành 1 băng con, chọn ra 1 tần số đại diện cho băng đó để tính toán trọng số sau đó áp dụng cho tất cả tần số trong băng đó Kết quả dạng sóng ngõ ra tuy không giống hoàn toàn nhưng cũng xấp

xỉ lúc chưa nhóm thành băng con

 Về mô phỏng:

+ Đảm bảo hướng bức xạ chính ở mọi tần số để thực hiện giải thuật tối thiểu can nhiễu theo hướng quan sát