Nghiên cứu ứng dụng anten beamforming vào hệ thống UWB

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 Cơng trình hoàn thành TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS TĂNG TẤN CHIẾN Phản biện 1: Phản biện 2: Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật điện tử họp 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 Trường Đại học Bách khoa Thư viện Khoa Điện tử-Viễn thông, Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Việc nghiên cứu UWB xem hướng nghiên cứu cơng nghệ UWB chưa sử dụng rộng rãi Việt Nam UWB – ultra wideband – hệ thống sử dụng băng thông cực rộng tần số cao với công suất phát thấp truyền dẫn khơng dây Mục đích nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu đề tài vấn đề cải thiện dung lượng chất lượng việc sử dụng băng UWB cách ứng dụng Anten Beamforming Cụ thể hơn, ứng dụng phương pháp định tia Anten Beamforming vào băng cực rộng để nhằm mục tiêu cải thiện hai yếu tố: dung lượng chất lượng Đối tượng phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu  Anten mảng thích nghi phương pháp định tia  Hệ thống đa truy cập phổ biến UWB : DS - UWB TH - UWB  PAM (Pulse Amplitude Modulation) phương pháp điều chế biên độ xung mà theo giá trị bit tin giá trị kí hiệu xác định mức điện áp tín hiệu xung Phạm vi nghiên cứu Đề tài sử dụng hệ thống TH – 2PAM để khảo sát vấn đề cải thiện chất lượng dung lượng sử dụng Anten Beamforming công nghệ UWB Tức hệ thống kết hợp phương pháp đa truy cập nhảy thời gian điều chế PAM hai mức viết tắt hệ thống truyền TH - 2PAM Phương pháp nghiên cứu Đầu tiên luận văn giới thiệu số phương pháp xử lí cho băng rộng 2 Thứ hai, thực áp dụng phương pháp định tia tối ưu vào anten mảng phải đảm bảo thông số mảng AF hướng thu mong muốn miền tần số đồng thời có khả giảm nhiễu cho hệ thống Thứ ba, chứng minh giải pháp kết hợp Anten Beamforming vào băng cực rộng có cải thiện dung lượng chất lượng truyền thông thông thường hai phương diện : lý thuyết mô Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Với anten đẳng hướng, tính chọn lọc định hướng anten thấp Điều dẫn tới can nhiễu hướng khác dễ dàng xâm nhập vào thu Hơn nữa, tính định hướng mạnh hướng phát mong muốn nên phạm vi sử dụng anten hẹp Hạn chế cải thiện sử dụng thuật toán định tia Anten Beamforming Ngoài ra, phương pháp anten beamforming thay đổi cách mềm dẻo để phù hợp với băng tần khác mà can thiệp phần học anten khoảng cách phần tử anten, vị trí anten không gian Cấu trúc luận văn Bố cục luận văn chia làm chương:  Chương I: Tổng quan công nghệ UWB anten beamforming  Chương II: Phương pháp định tia cách chia băng miền tần số để áp ứng dụng anten beamforming vào công nghệ UWB  Chương III: Mô đánh giá kết 3 CHƯƠNG 1- TỔNG QUAN CƠNG NGHỆ UWB VÀ ANTEN BEAMFORMING 1.1 Cơng nghệ UWB 1.1.1 Giới thiệu 1.1.2 Sơ lược lịch sử công nghệ UWB [8] 1.1.3 Đặc tả luật công nghệ UWB FCC qui định [5] 1.1.4 Các ưu điểm công nghệ UWB [5] 1.1.5 UWB định lí Shannon [5] Theo định lý Shannon: S  C  B log 1   N   (1.3) Dung lượng tỉ lệ thuận với băng thông sử dụng với loga số tín hiệu nhiễu Mà băng thơng tín hiệu UWB lớn, điều có nghĩa ta có dung lượng truyền lớn Nếu áp dụng biện pháp nâng cao tỉ số SNR rõ ràng, công nghệ UWB cung cấp dung lượng kênh truyền cực lớn 1.1.6 Dạng tín hiệu phổ tín hiệu [5] Dạng tín hiệu xung UWB dạng xung Gauss đôi (doublet) Dạng xung chọn dễ tạo Khi khảo sát băng thơng tín hiệu thu, ta thường xét đến dạng tín hiệu vi phân xung Gauss đôi 1.1.7 Mặt nạ phổ (spectral mask) 1.1.8 Các phương pháp điều chế [5] Có phương pháp điều chế theo thời gian phương pháp điều chế theo dạng xung 4 Hình 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 dùng để truyền tín hiệu hệ thống Đối với PAM , biểu thức toán học  xt    An pt  nTs  (1 1) n 0 với An = 0,1,2,…M Ts thời gian kí hiệu Nếu kí hiệu có mức thời gian bit Trường hợp đặc biệt An = 0,1 điều chế PAM trở thành điều chế OOK 5 1.1.9 Đa truy cập 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 phát UWB [5] Bộ thu hoạt động ngược lại với phát Ở thu, ta phải thực đồng với dãy xung đến, sau lấy tương quan với tín hiệu đến để tách tín hiệu người dùng mong muốn Lấy tích phân so sánh để tái tạo lại chuỗi bit Hình Sơ đồ khối 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 mảng anten 1.2.3.1 Anten mảng tổng quát 1.2.3.2 Anten mảng tuyến tính Hình Anten mảng tuyến tính điều khiển pha [2] Khi dãy anten nằm trục 0z :  n  sin  sin  n cos   n   cos  cos n   n  , n 0  cos  (1.22) Hệ số mảng : AF  N 1 e  jnx cos  n 0 wn (1.23) Trong β = 2π/λ = 2πc/f với f tần số tín hiệu đến 1.2.4 Phương pháp định tia thích nghi Có phương pháp định tia truyền thông băng hẹp mạng định tia cố định, định tia biết trước góc đến 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 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 sử dụng anten đẳng hướng 2.2 Hạn chế phương pháp Beamforming thông thường 2.3 Giải pháp chia băng miền tần số 2.3.1 Cố định làm đồng búp tia hướng quan sát theo tần số 2.3.2 Mỗi tần số có tập trọng số tối ưu riêng 2.3.3 Nhóm tần số lân cận thành băng [1] Tần số lấy mẫu cao, số mẫu lớn dẫn tới số lượng tính tốn nhiều Băng hẹp băng mà hệ số mảng anten khơng thay đổi Do đó, hồn tồn xấp xỉ cách chọn tần số đại diện cho băng để tính tốn trọng số, sau áp dụng cho tất tần số khác băng hẹp 8 Hình 2.4 Các tần số gần xếp thành băng, có trọng số [1] 2.3.4 Cập nhật trọng số theo phương pháp định tia tối ưu giải thuật LMS Phương pháp cập nhật trọng số tiến hành theo hai bước sau: Tối thiểu hóa cơng suất nhiễu với điều kiện đảm bảo đáp ứng tần số hướng quan sát imize hH  k  R f  k  h  k  h k  k  0,1, , J   h H  k  S0  Điều kiện ràng buộc hướng quan sát đảm bảo cho hướng quan sát 2.3.5 Sơ đồ khối mơ giải thuật Hình 2.6 Sơ đồ khối hệ thống mơ Tín hiệu nhiễu giao thoa, nhiễu trắng đưa vào tính toán tối ưu để cập nhật trọng số Để tiết kiệm thời gian số lượng tính tốn, tính tốn trọng số khơng thực tính trọng số tất tần số Thay vào đó, băng tần chia thành nhiều băng hẹp (thỏa mãn tỉ số băng thơng tần số sóng mang nhỏ 0.01) Mỗi băng nhỏ đại diện tần số cao băng Các trọng số đại diện cho băng hẹp áp dụng cho toàn băng hẹp Khối thứ hai, Block2, có chức lấy tương quan, chọn ngưỡng tách tín hiệu mong muốn Block2 có cấu trúc bên mơ tả hình 1.8 Bên khối có dãy xung tín hiệu cục hoạt động đồng với tín hiệu thu (từ khối Block1 đưa vào) Hai tín hiệu lấy tương quan qua tích phân Bộ so sánh đối chiếu với ngưỡng để tách tín hiệu bit mong muốn Luồng bit thu so sánh với chuỗi bit phát để đo sai số lỗi bit Qua xác định xác suất lỗi bit tương ứng 10 2.3.5.1 Sơ đồ khối tính tốn trọng số tối ưu Hình 2.7 Sơ đồ khối tính tốn trọng số 2.3.5.2 Lưu đồ giải thuật khối ước lượng trọng số Hình 2.7 Sơ đồ khối tính tốn trọng số 2.4 Kết luận chương 11 CHƯƠNG 3- MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 3.1 Các tham số mô 3.2 Các trường hợp thực mơ Tóm tắt tham số trường hợp mô qua bảng sau: Bảng 3.2 Các trường hợp khảo sát 12 Bảng 3.1 Các thông số mô 3.3 Các mô nhận xét kết 3.3.1 Hệ số mảng hệ anten Hình 3.1b có nhiều nhấp nhô miền tần số Trái lại, hình 3.1a cho thấy tần số thay đổi, giản đồ tia đồng theo góc đến Ở hình 3.1d, ta thấy với cách hướng tia xạ hướng cần quan sát theo kiểu băng hẹp (góc quan sát có giá trị 600) đường nối đỉnh hướng có xạ lớn theo tần số bị xiên (vùng khoanh viền trắng) Điều nghĩa hướng xạ thay đổi theo tần số Điều chấp nhận dùng giải thuật tối thiểu can nhiễu theo hướng quan sát Hình 3.1c cho kết đường nối đỉnh thẳng, suy hướng quan sát, đáp ứng giống tất tần số Vì vậy, cung cấp trọng số định tia miền trọng số đảm bảo đồng 13 hệ số mảng theo tần số, đảm bảo điều kiện để giải thuật định tia tối ưu thực Hình 3.1 Giản đồ tia trường hợp định tia miền tần số định tia thơng thường Điều giải thích sau: công thức (2.19) X  f k ,    j 2 f  Yg  f k  e j N 1    j 2 f k  Yg  f k  e j N 1  sin  N  sin    f  f sin  Nd  k  cos   cos    m cos    f f      fk  fm sin  d   cos   cos    cos    f0    f0 Khi fk tần số nằm băng thứ k fm tần số cao băng đó, với độ rộng băng 5MHz độ thay 14 đổi tần số nhỏ nhiều so với khoảng cách tần số sóng mang f0 tần số nằm khảng biên thấp băng f1 Hơn băng cập nhật hướng thu mong muốn  cos   cos 0  Như phụ thuộc AF vào tần số hướng quan sát cải thiện công thức xạ điện trường phương pháp beamforming thông thường 3.3.2 SINR cải thiện số anten tăng SINR trường hợp anten đẳng hướng hoàn toàn giống với SINR ngõ vào Vì đặc tuyến trường hợp L = gần tuyến tính.Trường hợp nhiều anten số lượng anten tăng, SINR cải thiện So sánh hình thấy khơng đồng khoảng cách tăng SINR ngõ so với ngõ vào Trường hợp L = 4, Hình 3.2 Biểu đồ SINR ngõ so với ngõ vào, trường hợp can nhiễu EbNo đầu vào tăng 0,3,6 dB theo khoảng cách tăng 3dB đầu giảm từ -8.04 đến -8.86 lại tăng lên -6.18 Trong khoảng EbNo từ 0dB đến 9dB chưa thể rõ cải thiện SINR đầu ra, mức EbNo đầu vào cao , SINR ngõ vào tăng SINR ngõ tăng 15 Hình 3.3 Biểu đồ SINR ngõ so với ngõ vào, trường hợp can nhiễu Hình 3.4 Biểu đồ SINR ngõ so với ngõ vào, trường hợp can nhiễu Luận văn chứng minh tần số phương pháp định tia tuân theo phương pháp định tia tối ưu băng hẹp trình bày chương Vì vậy, tần số có cải thiện SINR theo số phần tử anten công thức (1.78) (1.86) SNR tồn tín hiệu tổng cơng suất tín hiệu tổng cơng suất nhiễu tần số nên kết SINR ngõ tồn tín hiệu cải thiện tăng theo số lượng anten 3.3.3 Giảm xác suất lỗi bit 16 Ở hình 3.5, BER trường hợp dãy anten L = không cải thiện so với BER anten đẳng hướng Trong BER trường hợp L = giảm mạnh Hình 3.5 BER anten đẳng hướng anten dùng giải thuật tối ưu DFT trường hợp có can nhiễu Hình 3.6 BER anten đẳng hướng anten dùng giải thuật tối ưu DFT trường hợp có can nhiễu Hình (3.5), (3.6), (3.7)} cho thấy BER dãy anten có cải thiện so với anten đẳng hướng Đặc biệt L = xác suất lỗi bít giảm nhanh 17 Hình 3.7 BER anten đẳng hướng anten dùng giải thuật tối ưu DFT trường hợp có can nhiễu Bắt đầu EbNo từ 18dB trở xác suất lỗi bit trường hợp anten giảm mạnh Khi lượng nhiễu tăng khác biệt trường hợp nhiều anten anten đẳng hướng rõ rệt Xác suất lỗi bit cải thiện tốt nhiều so với anten đẳng hướng Xác suất lỗi bít giảm theo chiều tăng phần tử anten 3.3.4 Cải thiện dung lượng Nếu chất lượng tín hiệu đánh giá qua xác suất lỗi bit BER, dung lượng hệ thống đánh giá qua công thức Shannon Do tăng băng thơng tín hiệu nên dung lượng tăng Do cải thiện SINR nên dung lượng tăng 18 Hình 3.8 Dung lượng (Mbps), trường hợp can nhiễu Hình 3.9 Dung lượng (Mbps), trường hợp nhiễu giao thoa Tại mức EbNo 27dB hình 3.8 tốc độ liệu L = 2.2Gbps so với 500MBps L = Hình 3.9 1.8Gbps so với 500Mbps Hình 3.10 1.3Gbps so với 500Mbps 19 Hình 3.10 Dung lượng (Mbps), trường hợp 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 luận văn chứng tỏ sử dụng phương pháp định tia miền tần số đảm bảo hệ số mảng hệ anten đồng theo tần số Và anten mảng sử dụng phương pháp tối ưu LMS có xác suất lỗi bit dung lượng cải thiện anten đẳng hướng Mặt khác, SNR tỉ lệ thuận theo số phần tử anten L, tương ứng xác suất lỗi bit giảm theo chiều tăng phần tử anten Tốc độ liệu tỉ lệ thuận với số anten với điều kiện số lượng can nhiễu phải nhỏ L - 20 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI Kết luận Với đề cập lí thuyết chương một, phương pháp định tia tần số chương hai, kết mô chương ba Luận văn đạt kết sau:  Luận văn đạt mục tiêu áp dụng phương pháp định tia tối ưu băng hẹp vào băng cực rộng miền tần số cách chia băng thông cực rộng thành nhiều băng hẹp với tần số đại diện tần số cao, búp tia xoay góc quan sát tần số Sau đó, trọng số băng tính tốn 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 cơng suất nhiễu  Về lý thuyết: + Khắc phục vấn đề không đồng hệ số mảng băng cực rộng Qua công thức (2.19) thể vấn đề băng hẹp ta lái tia xạ hướng quan sát tần số với giải pháp định tia miền tần số làm cho búp tia đồng hướng quan sát + Giảm số lượng tính tốn cách nhóm tần số lân cận thành băng con, chọn tần số đại diện cho băng để tính tốn trọng số sau áp dụng cho tất tần số băng Kết dạng sóng ngõ khơng giống hồn tồn xấp xỉ lúc chưa nhóm thành băng  Về mơ phỏng: + Đảm bảo hướng xạ tần số để thực giải thuật tối thiểu can nhiễu theo hướng quan sát 21 + Có cải thiện dung lượng chất lượng đáng kể áp dụng phương pháp định tia băng hẹp cho băng cực rộng Phương pháp chuyển sang miền tần số DFT có ưu xử lí song song, trọng số để lái tia hướng quan sát áp vào tần số Với công nghệ vi điện tử nay, việc áp dụng phương pháp xử lí song song hồn tồn đáp ứng Hướng phát triển đề tài Do giới hạn thời gian hoàn thành luận văn lực có hạn, tác giả chưa hiểu sâu sắc chất anten kỹ thuật beamforming tiên tiến hơn, nên luận văn có số điểm hạn chế là:  Thuật toán LMS chưa đáp ứng tốc độ hội tụ môi trường nhiễu thay đổi nhanh rộng Do LMS phải giải tốn chọn giá trị µ, thỏa mãn điều kiện ổn định khơng thỏa mãn yêu cầu tốc độ ngược lại  Sử dụng phương pháp DFT nên khơng thể xử lí thời gian thực Phương pháp TDL có ưu thực xử lí thời gian thực, thời gian để hội tụ trọng số tối ưu lớn Trái lại, phương pháp xử lí miền tần số phải xử lí dạng khối tín hiệu có thời gian để hội tụ tối ưu nhanh Vì vậy, tác giả kiến nghị kết hợp hai mơ hình Cụ thể cập nhật trọng số tối ưu phương pháp miền tần số, sau chuyển trọng số sang miền thời gian tương ứng hệ thống hoạt động theo mơ hình TDL Giải pháp có triển vọng góp phần giảm chi phí phần cứng cải thiện tốc độ xử lí Nếu phương pháp định tia tối ưu băng hẹp áp dụng cho băng cực rộng có đem lại cải thiện phương pháp định tia khác triển khai 22 Tuy cố gắng đạt mục tiêu đề song chắn không tránh khỏi thiếu sót q trình thực luận văn Tác giả mong nhận giúp đỡ đóng góp ý kiến tất thầy hội đồng bảo vệ để hoàn thiện nghiên cứu Cuối cùng, để hồn thành luận văn em xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy PGS TS Tăng Tấn Chiến, người trực tiếp hướng dẫn cung cấp tài liệu thông tin khoa học cần thiết, tận tình giúp đỡ động viên tơi suốt trình thực đề tài Xin gởi lời cảm ơn chân thành đến Tập thể Thầy Cô giáo khoa Điện Tử Viễn Thông, trường Đại học Bách Khoa, thuộc Đại học Đà Nẵng giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả suốt q trình học tập hồn thành đề tài  ... Mục đích nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu đề tài vấn đề cải thiện dung lượng chất lượng việc sử dụng băng UWB cách ứng dụng Anten Beamforming Cụ thể hơn, ứng dụng phương pháp định tia Anten Beamforming. .. băng miền tần số để áp ứng dụng anten beamforming vào công nghệ UWB  Chương III: Mô đánh giá kết 3 CHƯƠNG 1- TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ UWB VÀ ANTEN BEAMFORMING 1.1 Công nghệ UWB 1.1.1 Giới thiệu 1.1.2... ĐHĐN MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Việc nghiên cứu UWB xem hướng nghiên cứu công nghệ UWB chưa sử dụng rộng rãi Việt Nam UWB – ultra wideband – hệ thống sử dụng băng thông cực rộng tần số cao với