Bài viết này giới thiệu các khái niệm cơ bản về các hệ thống anten thông minh và các đặc tính vượt trội quan trọng của thiết kế hệ thông anten thông minh so với các phương pháp vô hướng truyền thống. Những điểm khác biệt để phân biệt giữa các công nghệ khác nhau cũng được đề cập đến. Các công nghệ này bao gồm các anten phân tập đơn giản đến các hệ thống dàn anten thích nghi. Đồng thời bài báo cũng đề cập đến vấn đề truyền tín hiệu trong thông tin vô tuyến và cuối cùng là nêu những ứng dụng của hệ thống anten thông minh.
Hệ thống anten thơng minh Nguyễn Thanh Hiếu 1. GIỚI THIỆU CHUNG Hệ thống anten thơng minh là một hệ thống gồm nhiều phần tử anten kết hợp với khả năng xử lý tín hiệu để tối ưu hố phát xạ và/hoặc thu nhận tự động đáp ứng với mơi trường tín hiệu. Vậy anten đóng vai trò gì trong hệ thống thơng tin? Câu trả lời là anten đóng vai trò là cổng truyền năng lượng tần số vơ tuyến (RF) được ghép với bộ phát tới mơi trường bên ngồi và ngược lại đến bộ thu từ mơi trường bên ngồi. Anten là hệ thống bị sao nhãng nhất trong các hệ thống truyền thơng cá nhân. Cách thức mà năng lượng được phát và thu từ khơng gian xung quanh có ảnh hướng lớn đến hiệu suất sử dụng phổ, chi phí thiết lập một mạng mới, và chất lượng dịch vụ do mạng cung cấp. Bài viết này giới thiệu các khái niệm cơ bản về các hệ thống anten thơng minh và các đặc tính vượt trội quan trọng của thiết kế hệ thơng anten thơng minh so với các phương pháp vơ hướng truyền thống. Những điểm khác biệt để phân biệt giữa các cơng nghệ khác nhau cũng được đề cập đến. Các cơng nghệ này bao gồm các anten phân tập đơn giản đến các hệ thống dàn anten thích nghi. Đồng thời bài báo cũng đề cập đến vấn đề truyền tín hiệu trong thơng tin vơ tuyến và cuối cùng là nêu những ứng dụng của hệ thống anten thơng minh. 2. Thuật ngữ về anten thơng minh thích nghi Để hiểu rõ hệ thống anten thơng 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 khơng 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 chun nghiệp, thực hiện rất nhiều tính tốn và phối hợp thơng tin tính ra vị trí người nói Não của bạn cũng thêm thơng 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 thơng 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 khơng 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 khơng 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 khơng mong muốn. 3. Anten và các hệ thống anten Anten Anten vơ tuyến nhân đơi năng lượng điện từ từ một mơi trường (khơng gian) đến mơi trường khác (ví dụ dây, cáp đồng trục, ống dẫn sóng). Thiết kế vật lý có thể thay đổi đáng kể. Anten vơ hướng 1 Từ khi xuất hiện truyền thơng khơng dây, có anten đơn cực, phát và nhận như nhau trong mọi hướng. Để tìm được đối tượng sử dụng, phần tử này phát quảng bá theo mọi hướng với giản đồ giống hệt nhau. Mơi trường tần số vơ tuyến (RF) khơng biết về đối tượng sử dụng, phương pháp này tán xạ các tín hiệu, khi tới được đúng đối tượng sử dụng thì năng lượng tín hiệu chỉ bằng một phần nhỏ tổng năng lượng đã phát xạ vào mơi trường. Sơ đồ vùng phủ sóng Sơ đồ vùng phủ sóng Anten Anten Nhìn ngang Nhìn từ trên xuống Hình 1. Anten vơ hướng và vùng phủ của nó Vì hạn chế này, chiến lược thiết kế anten đơn hướng cố gắng vượt qua những thách thức của mơi trường bằng cách đơn giản là nâng cao mức cơng suất của tín hiệu phát quảng bá. Trong một số lượng lớn các đối tượng sử dụng (và nhiễu), nó tạo ra tình huống xấu nhất là đối tượng sử dụng bị mất tín hiệu do nhiễu của các đối tượng trong cùng tế bào hoặc các tế bào liền kề. Trong ứng dụng hướng lên (đối tượng sử dụng đến trạm gốc), anten đơn hướng khơng cung cấp tăng ích mong muốn cho tín hiệu của đối tượng sử dụng dành riêng. Nói một cách khác, đối tượng sử dụng át năng lượng tín hiệu cạnh tranh. Tuy vậy, kĩ thuật một phần tử khơng thể loại bỏ có lựa chọn các tín hiệu gây nhiễu với các tín hiệu của đố i tượng sử dụng được phục vụ và khơng có khả năng định hướng đa đường khơng gian hay khả năng cân bằng. Các chiến lược đơn hướng trực tiếp và ngược lại ảnh hưởng đến hiệu suấ t phổ, tái sử dụng tần số. Những hạn chế này thúc đẩy các nhà thiết kế hệ thống và hoạch định mạng liên tục có các phát minh và điều chỉnh hiệu quả. Trong những năm gần đây, hạn chế về chất lượng, dung lượng và vùng phủ sóng của cơng nghệ anten phát quảng bá trong các hệ thống khơng dây đã đưa đến một cuộc cách mạng trong thiết kế nền tảng và vai trò của anten trong hệ thống khơng dây. Các anten định hướng Một anten định hướng được xây dựng để có các hướng phát và thu ưu tiên cố định. Như một giải pháp thay thế cho phương pháp bổ sung thêm các vị trí phát mới, rất nhiều tháp anten thơng thường ngày nay phân chia thành các tế bào hình quạt. Một vùng 3600 thường được phân chia thành 3 vùng nhỏ 1200, mỗi vùng này được bao phủ bởi phương pháp quảng bá hẹp. Để cân bằng hơn, các anten quạt cho độ tăng ích cao hơn trong những vùng hạn chế của góc phương vị khi so sánh với các anten đơn hướng. Điều này thường được biết đến như là tăng ích phần tử anten và khơng nên nhầm với tăng ích xử lý trong các hệ thống anten thơng minh. Khi các anten quạt nhân lên số kênh sử dụng, chúng khơng tránh khỏi những hạn chế của anten đơn hướng tiêu chuẩn như nhiễu đồng kênh, được miêu tả chi tiết ở phần sau. 2 Nhìn từ trên xuống Nhìn ngang Hình 2. Anten định hướng và vùng bao phủ của nó Các hệ thống anten Làm thế nào một anten có thể thơng minh hơn? Trước tiên, thiết kế vật lý của nó phải được thay đổi bằng cách thêm nhiều phần tử. Thứ hai, một anten có thể trở thành một hệ thống anten được thiết kế để dịch tín hiệu trước khi phát tại mỗi phần tử liên tiếp để đảm bảo có hiệu quả tổng hợp. Khái niệm phần cứng và mềm cơ bản được biết đến như anten mảng dịch pha. Phần sau tóm tắt phát triển theo thứ tự tăng dần về lợi ích và tính thơng minh. Các hệ thống phân vùng (quạt) Các hệ thống anten phân vùng nhận một vùng tế bào truyền thống và phân chia nó thành các phân vùng mà các phân vùng này được bao phủ bởi các ăng ten định hướng cùng một điểm trạm gốc. Về mặt hoạt động, mỗi vùng được xem như một tế bào riêng biệt, phạm vi lớn hơn trong trường hợp đơn hướng. Các anten phân vùng tăng khả năng tái sử dụng kênh tần số như hệ thống tế bào bằng cách giảm các nhiễu đáng kể ở tế bào gốc, và chúng được sử dụng rộng rãi cho mục đích này. Trên thực tế, dùng 6 phân vùng cho một tế bào. Khi kết hợp nhiều anten định hướng, trạm gốc có thể bao phủ mọi hướng. Nhìn từ trên xuống Nhìn ngang Hình 3. Anten quạt và vùng phủ của nó Các hệ thống phân tập Trong các thế hệ tiếp theo của anten thơng minh, hệ thống phân tập tích hợp hai phần tử anten ở trạm gốc, có một sự phân tách nhỏ về vật lý (phân tập khơng gian) để cải thiện khả năng thu. Phân tập giúp tăng cường cường độ hiệu dụng của tín hiệu thu được bằng cách sử dụng một trong hai phương pháp sau: Phân tập chuyển mạch: Giải thiết là có ít nhất một anten tại vị trí mong muốn ở một thời điểm cho trước, hệ thống này liên tục chuyển mạch giữa các anten (kết 3 nối mỗi kênh thu với anten phục vụ tốt nhất) nên ln ln sử dụng phần tử có tín hiệu lớn nhất. Trong khi giảm những ảnh hưởng tiêu cực của fađinh, chúng khơng làm tăng độ tăng ích vì vậy ở mỗi thời điểm chỉ sử dụng một anten. Kết hợp phân tập: Phương pháp này hiệu chỉnh sai pha giữa hai tín hiệu đa đường và kết hợp một cách hiệu quả cơng suất của cả hai tín hiệu để tạo độ tăng ích. Các hệ thống phân tập khác, như hệ thống kết hợp tỉ số cực đại, kết hợp các tín hiệu ra của tất cả các anten để cực đại hố tỉ số năng lượng tín hiệu thu được tổng hợp trên nhiễu. Vì các trạm gốc kiểu tế bào vĩ mơ thường phát cơng suất lớn hơn nhiều ở hướng xuống (từ trạm gốc tới đối tượng sử dụng) so với thiết bị đầu cuối di động phát trên hướng ngược lại, nên phần lớn các hệ thống anten phân tập được cải tiến để thực hiện ở hướng lên (từ đối tượng sử dụng tới trạm gốc). Hố đen Anten Vùng phủ đơn phần tử với fađinh Vùng phủ với phân tập chuyển mạch Hình 4. Phân tập chuyển mạch và vùng phủ Anten Vùng phủ đơn phần tử Vùng phủ phân tập kết hợp Hình 5. Kết hợp phân tập và vùng phủ Anten phân tập hồn tồn là thao tác chuyển mạch từ một phần tử đang làm việc sang một phần tử khác. Mặc dù phương pháp này làm giảm đáng kể fađinh đa đường, nhưng ở mỗi thời điểm nó chỉ dùng một phần tử nên khơng cải thiện tăng ích hướng lên so với phương pháp một phần tử. Trong mơi trường nhiễu cao, giải pháp đơn giản là khố tín hiệu mạnh nhất hoặc trích cơng suất tín hiệu cực đại từ anten thì khơng phù hợp và có thể gây ra việc thu tín hiệu nhiễu thay vì tín hiệu mong muốn. 4 Nhu cầu phát một số lượng lớn đối tượng sử dụng hiệu quả hơn mà khơng trộn lẫn nhiễu đưa đến những tiến bộ của các hệ thống anten, các hệ thống này tích hợp một cách thơng minh vận hành đồng thời của các phần tử anten phân tập. Tính thơng minh Việc sử dụng nhiều anten và xử lý tín hiệu phục vụ các tế bào tỏ ra thơng minh hơn. Trên thực tế, việc phát minh ra các bộ xử lý tín hiệu số (DSP), các bộ xử lý đa năng, cũng như phần mềm cho các kỹ thuật xử lý tín hiệu (các thuật tốn) đã tạo ra các anten thơng minh cho các hệ thống thơng tin tế bào. Ngày nay, khi các giải pháp sử dụng phổ hiệu quả đang gia tăng, các hệ thống như vậy sẽ cho vùng phủ sóng rộng hơn cho mỗi vị trí tế bào, khả năng loại bỏ nhiễu tốt hơn, cải thiện dung lượng nhiều hơn. 4. Thế nào là một hệ thống anten thơng minh? Thực tế, anten khơng thơng minh, mà phải một hệ thống anten mới thơng minh. Cùng được đặt ở một trạm gốc, một hệ thống anten thơng minh kết hợp một dàn anten với khả năng xử lý tín hiệu số để phát và thu với độ nhạy khơng gian cao và thích nghi tốt. Nói cách khác, một hệ thống như vậy có thể tự động thay đổi hướng của giản đồ bức xạ của nó để đáp ứng với mơi trường tín hiệu. Điều này làm tăng đáng kể các đặc tính chất lượng (như dung lượng) của một hệ thống vơ tuyến. Các loại hệ thống anten thơng minh Các thuật ngữ phổ biến thường được nhắc đến nhiều trong lĩnh vực cơng nghệ hệ thống anten thơng minh bao gồm anten thơng minh, dàn dịch pha, SDMA, xử lý khơng gian, tạo chùm số, hệ thống anten thích nghi. Các hệ thống anten thơng minh thường được phân loại thành chùm chuyển mạch và các hệ thống dàn thích nghi. Chùm chuyển mạch: một số hữu hạn các mẫu xác định trước, cố định hoặc kết hợp. Dàn thích nghi: Một số khơng xác định các mẫu được điều chỉnh theo thời gian thực. Anten chùm chuyển mạch Các hệ thống anten chùm chuyển mạch tạo ra các chùm cố định với độ nhạy được tăng lên theo các hướng đặc biệt. Các hệ thống anten này phát hiện cường độ tín hiệu, chọn từ các chùm cố định, xác định trước ra một chùm, và chuyển từ một chùm này sang chùm khác khi mà đối tượng sử dụng di động trong khắp vùng. Thay vì định dạng mẫu anten định hướng bằng các đặc tính kim loại và thiết kế vật lý một phần tử đơn, hệ thống chùm tia chuyển mạch kết hợp các đầu ra của các anten để tạo ra các chùm quạt (định hướng) với độ nhạy khơng gian cao hơn các phương pháp một phần tử thơng thường. 5 Hình 6. Vùng phủ của anten chùm Anten dàn thích nghi Cơng nghệ anten thích nghi giới thiệu một loại anten thơng minh tiên tiến hiện nay. Sử dụng các thuật tốn xử lý tín hiệu mới, hệ thống thích nghi đã tận dụng khả năng của nó để định vị có hiệu quả và tìm kiếm một cách chủ động các loại tín hiệu khác nhau để tối thiểu hố nhiễu và cực đại hố tín hiệu định thu. Cả hai phương pháp đều cố gắng tăng độ tăng ích theo vị trí người sử dụng, tuy nhiên chỉ hệ thống thích nghi là có độ tăng ích tối ưu trong khi cùng xác định, tìm và tối thiểu hố các tín hiệu nhiễu. Người dùng Nhiễu Hình 7. Vùng phủ của anten dàn thích nghi Mơ tả hệ thống Các anten đơn hướng khác biệt rõ ràng với các anten thơng minh ở số lượng anten được sử dụng. Tuy nhiên, các hệ thống dàn thích nghi và chùm chuyển mạch cùng chung khá nhiều đặc tính phần cứng và được phân biệt chủ yếu bởi tính thơng minh thích nghi. Để xử lý thơng tin có độ nhạy hướng cao cần phải có một dàn các phần tử anten (thường là từ 4 đến 12 phần tử), các tín hiệu vào từ các phần tử đó được kết hợp tạo ra tín hiệu phát được điều khiển thích nghi. Các phần tử anten có thể được sắp xếp theo đường thẳng, đường tròn, hay cấu hình mặt phẳng, và thường được lắp đặt ở trạm gốc, mặc dù chúng vẫn được sử dụng ở cả máy tính xách tay hay điện thoại di động. Tại sao chúng lại là anten thơng minh? Một anten đơn giản làm việc trong mơi trường tần số vơ tuyến (RF) đơn giản. Giải pháp anten thơng minh cần khi số lượng người sử dụng, nhiễu, độ phức tạp của mơi trường truyền sóng tăng lên. Sự thơng minh nằm ở khả năng xử lý tín hiệu số. Và nhờ định dạng số mà nó phát huy được thế mạnh về độ chính xác cũng như linh hoạt trong cách vận hành. Việc bắt đầu và kết thúc đàm thoại cũng tương tự như trong thơng tin tương tự. Nhưng hệ thống anten thơng minh bắt tín hiệu, chuyển đổi và điều chế tín hiệu tương tự và truyền đi dưới dạng tín hiệu số rồi lại đổ i ngược trở về thơng tin tương tự. Trong các hệ thống anten thích nghi, khả năng xử lý tín hiệu cơ bản còn được tăng lên nhờ áp dụng các thuật tốn tiên tiến để điều khiển thao tác khi ở trong những điều kiện hoạt động phức tạp. 5. Mục đích của hệ thống anten thơng minh Mục đích của hệ thống anten thơng minh là tăng chất lượng tín hiệu và tăng dung lượng hệ thống. Các đặc trưng và lợi ích của anten thơng minh được liệt kê trong bảng 1. Bảng 1: Các đặc trưng và lợi ích của hệ thống anten thơng minh Đặc trưng Lợi ích Tăng ích tín hiệu: Các tín hiệu vào từ các Vùng phủ sóng rộng hơn: Tập trung năng 6 phần tử anten được kết hợp với nhau để lượng được phát đi trong tế bào làm tăng tối ưu hố cơng suất sẵn có nhằm tạo bán kính phủ sóng của trạm gốc. u cầu được một mức độ phủ sóng nhất định cơng 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 Dung lượng tăng: Điều khiển chính xác phía nguồn nhiễu cùng kênh, nhờ đó mức khơng của tín hiệu, giảm nhiễu, kết cải thiện được tỉ số tín hiệu trên nhiễu hợp với giảm khoảng cách tái sử dụng tần của các tín hiệu thu được số sẽ làm tăng dung lượng. Nhiều cơng nghệ thích nghi hỗ trợ khả năng tái sử dụng tần số trong cùng một tế bào Phân tập khơng gian: Thơng tin tổng hợp Loại bỏ hiệu ứng đa đường: có thể giảm từ dàn sử dụng để tối thiểu hoá trải trễ của kênh một cách hiệu quả, hỗ trợ fađinh và hiệu ứng khơng mong tốc độ bit cao hơn mà khơng cần các bộ cân muốn khác của truyền sóng đa đường Tiết kiệm công suất: Kết hợp tín Giảm chi phí: Chi phí cho bộ khuếch đại hiệu vào từ các phần tử để tối ưu hố cơng suất thấp hơn, cơng suất tiêu thụ ít tăng ích xử lý trong hướng xuống hơn và độ tin cậy cao hơn. 6. Truyền sóng: Nhiễu đa đường và nhiễu cùng kênh Những suy luận về truyền sóng Chúng ta tưởng tượng là ném một hòn đá xuống một hồ nước. Các vòng sóng phát đi từ điểm ném hồn tồn đồng dạng mà chỉ khác về cường độ. Việc phát quảng bá hồn tồn đơn hướng này cũng giống như một tín hiệu của người gọi bắt đầu từ thiết bị đầu cuối và đi lên. Nó thể hiện một tín hiệu ở khắp mọi nơi mà nó truyền đi. Với một trạm gốc ở một cự ly nào đó từ sóng gốc. Nếu mẫu khơng bị nhiễu thì trạm gốc khơng gặp khó khăn trong việc nhận biết các sóng. Nhưng khi các sóng này chạm đến bờ thì nó phản xạ lại và giao với các sóng gốc ban đầu. Khi kết hợp với nhau chúng có thể bị yếu đi hay mạnh lên. Đây chính là vấn đề nhiễu đa đường. Bây giờ, nếu ném nhiều hòn đá vào những vùng khác nhau trong hồ nước, tương đương như nhiều cuộc gọi khác nhau cùng bắt đầu. Vậy thì trạm gốc ở một vị trí nào đó trong hồ sẽ làm thế nào để phân biệt được tín hiệu của nguồn nào và từ hướng nào đến. Vấn đề này được gọi là nhiễu cùng kênh. Đây là suy luận hai chiều, để phân biệt được những người gọi (hay các tín hiệu trong khơng gian), một trạm gốc phải đủ thơng minh để đặt thơng tin mà nó phân tích vào trong bối cảnh khơng gian. Đa đường Khi tín hiệu vơ tuyến phát đi bị phản xạ bởi những cấu trúc vật lý, gây ra nhiều đường tín hiệu giữa trạm gốc và thiết bị đầu cuối sử dụng. 7 Tín hiệu A hướng trực tiếp Trạm gốc Hình 8. Hiệu ứng đa đường Các vấn đề liên quan đến đa đường Một vấn đề do các tín hiệu phản xạ khơng mong muốn là pha của các sóng đến trạm thu khơng phù hợp với nhau. Hình 9 minh hoạ hai tín hiệu bị lệch pha với nhau tại máy thu. Tín hiệu mong muốn Thời gian Tín hiệu phản xạ Hình 9. Tín hiệu đa đường 2 pha Những vấn đề do hiện tượng đa đường gây ra: Fađinh: Khi sóng của các tín hiệu đa đường bị lệch pha, cường độ tín hiệu sẽ bị giảm. Hiện tượng này vẫn được biết đến là “fađinh Rayleigh” hay “fađinh nhanh”. Sự suy giảm là sự thay đổi liên tục, là hiện tượng 3 chiều. Cường độ tín hiệu thu bị thay đổi thất thường và rất nhanh chóng gây ra suy giảm về chất lượng. 8 Chu trình khơng giảm Biên độ tín hiệu Chu trình khơng giảm Ngưỡng Giảm Giảm Thời gian Hình 10. Hiệu ứng fađinh Rayleigh Triệt tiêu pha: Khi sóng của hai tín hiệu đa đường lệch pha nhau 1800 thì chúng sẽ triệt tiêu nhau, như vậy khó duy trì được cuộc gọi. Nói một cách khác, một cuộc gọi chỉ có thể duy trì được trong một khoảng thời gian nhất định khi khơng có tín hiệu mặc dù với chất lượng rất tồi. Hậu quả là khi tín hiệu kênh điều khiển bị mất, vùng phục vụ mà cuộc gọi được thiết lập sẽ khơng thể thực hiện được. Tín hiệu mong muốn Thời gian Tín hiệu phản xạ Hình 11. Triệt tiêu pha Trải trễ: Ảnh hưởng của hiện tượng đa đường đến chất lượng tín hiệu đối với giao diện khơng gian số có một chút khác biệt. Các tín hiệu phản xạ của cùng một tín hiệu có thể đến bộ thu ở những thời điểm khác nhau. Điều này gây ra nhiễu xun ký tự. Khi điều này xảy ra thì tỉ lệ lỗi bit tăng, thậm chí là chất lượng tín hiệu có thể bị suy giảm đáng kể. Time 1 Time 3 Time 2 Trạm gốc Hình 12. Đa đường gây nên trải trễ 9 Nhiễu đồng kênh: Hiện tượng này xuất hiện khi tần số sóng mang cùng đến một máy thu từ hai máy phát khác nhau, gây ra suy giảm chất lượng tín hiệu. Hình 13. Nhiễu giao thoa đồng kênh trong cùng một mạng tế bào Như chúng ta biết, cả anten quảng bá và hệ thống anten tập trung đều tán xạ tín hiệu trong vùng tương đối rộng. Các tín hiệu này có thể khơng đến được với đúng người sử dụng như ý muốn, chúng lại là nhiễu cho những người sử dụng khác ở cùng tần số trong cùng một tế bào hay các tế bào lân cận. Khi các anten phân vùng nhân số kênh sử dụng lên, chúng khơng khắc phục được nhược điểm này của anten quảng bá. Vấn đề quản lý nhiễu đồng kênh trở thành hạn chế đầu tiên trong việc cực đại hố dung lượng của hệ thống. Để khắc phục nhiễu cùng kênh, các hệ thống anten thơng minh khơng chỉ tập trung hướng vào đối tượng sử dụng như ý muốn mà trong nhiều trường hợp, những điểm vơ giá trị hoặc khoảng nhiễu có chủ tâm được hướng về phía các đối tượng khơng mong muốn 7. Kiến trúc của các hệ thống anten thơng minh Các hệ thống anten thơng minh làm việc như thế nào? Các hệ thống dàn thích nghi và chùm chuyển mạch truyền thống cho phép một trạm gốc đáp ứng u cầu về chùm tia mà chúng phát đi cho mỗi đối tượng sử dụng ở xa một cách hiệu quả nhờ điều khiển phản hồi nội bộ. Nói chung, mỗi lần sẽ tạo ra một búp sóng chính về phía các đối tượng sử dụng riêng biệt và cố gắng loại bỏ nhiễu hay tạp âm ngồi các búp sóng chính. Xử lý hướng lên Ở đây giả thiết là một anten thơng minh chỉ được lắp đặt ở trạm gốc mà khơng lắp đặt ở khối th bao. Các thiết bị đầu cuối vơ tuyến từ xa sẽ phát bằng cách dùng anten vơ hướng. Đến trạm gốc, sẽ tách biệt các tín hiệu mong muốn với nhiễu. Thơng thường, tín hiệu thu được từ các phần tử anten phân bố trong khơng gian sẽ được nhân với một trọng số, đây chính là sự điều chỉnh biên độ và pha. Các tín hiệu này được kết hợp để tạo ra mảng đầu ra. Một thuật tốn thích nghi điều khiển các trọng số này theo các mục đích xác định trước. Với một hệ thống chùm tia chuyển mạch, tiêu chí này có thể là độ khuếch đại tối đa, với một hệ thống dàn thích nghi, có thể còn phải xem xét đến nhiều yếu tố khác. Việc tính tốn động như vậy sẽ cho phép hệ thống có thể thay đổi được các mẫu bức xạ của nó để tối ưu hố tín hiệu thu. Xử lý hướng xuống 10 Nhiệm vụ phát có lựa chọn theo khơng gian là vấn đề cơ bản để phân biệt giữa các hệ thống chùm tia chuyển mạch và hệ thống dàn thích nghi. Như mơ tả dưới đây, các hệ thống chùm tia chuyển mạch thơng tin với các đối tượng sử dụng bằng cách thay đổi giữa các mẫu định hướng đặt trước, phần lớn dựa trên cường độ tín hiệu. Trong khi đó, hệ thống dàn thích nghi cố gắng nhận biết mơi trường RF tốt hơn và phát có chọn lọc hơn. Loại xử lý hướng xuống được sử dụng tuỳ theo hệ thống thơng tin sử dụng TDD, khi đó nó sẽ phát và thu cùng tần số (ví dụ PHS và DECT); hay FDD, khi đó nó sẽ dùng tần số phát và thu riêng biệt . Phần lớn, trong các hệ thống FDD, có thể xem xét các đặc tính truyền sóng và fading hướng lên và hướng xuống một cách độc lập. Trong khi đó, với các hệ thống TDD, các kênh hướng lên và hướng xuống có thể coi là tương hỗ. Vì vậy, kênh hướng lên trong các hệ thống TDD được sử dụng để phát chọn lọc theo khơng gian. Trong các hệ thống FDD, kênh hướng lên lại khơng thể sử dụng trực tiếp và cần phải xem xét các loại xử lý khác của xử lý hướng xuống. Các hệ thống chùm tia chuyển mạch Về khía cạnh các mẫu bức xạ, chùm tia chuyển mạch là mở rộng của phương pháp vi tế bào hiện tại hay phương pháp phân vùng tế bào của việc chia một tế bào thơng thường. Phương pháp này còn chia các vùng vĩ mơ thành nhiều vùng vi mơ nhằm cải thiện dung lượng và phạm vi. Mỗi một vùng vi mơ gồm một mẫu tia cố định được xác định trước với độ nhạy lớn nhất được đặt ở trung tâm của chùm tia còn độ nhạy thấp hơn được đặt ở các vị trí khác. Việc thiết kế hệ thống như vậy liên quan đến các phần tử anten có độ rộng chùm tia góc phương vị hẹp, tăng ích lớn. Hệ thống chùm tia chuyển mạch chọn một trong số các mẫu chùm tia cố định đã xác định trước (dựa trên sự kết hợp trọng số của các đầu ra anten) có cơng suất đầu ra lớn nhất trong kênh của đối tượng sử dụng ở xa. Sự lựa chọn này được định hướng bởi RF hay phần cứng và phần mềm của DSP băng gốc. Hệ thống chuyển mạch chùm tia của nó theo các hướng khác nhau trong tồn khơng gian bằng cách thay đổi pha tín hiệu dẫn đến các phần tử anten hay thu được từ các phần tử anten. Khi đối tượng sử dụng di động đi vào một vùng vĩ mơ nhất định, hệ thống này sẽ chọn vùng vi mơ có tín hiệu mạnh nhất. Trong suốt cuộc gọi, hệ thống sẽ giám sát cường độ tín hiệu và chuyển mạch nó sang các vùng vi mơ cố định khác khi cần thiết. Chiến lược chuyển mạch Chiến lược thích ứng Hình 14. Búp sóng chính và búp sóng khơng mà hệ thống chùm chuyển mạch và hệ thống dãy thích ứng có thể lựa chọn tín hiệu người sử dụng (đường xanh) và nhiễu đồng kênh (đường vàng) Hệ thống anten thơng minh thơng tin trực tiếp bằng cách tạo ra các mẫu chùm tia xác định. Khi một anten thơng minh hướng búp sóng chính của nó với độ tăng ích tăng cường trong hướng của đối tượng sử dụng, tự nhiên nó sẽ tạo ra các búp biên và khơng (hay các vùng tương ứng có độ tăng ích trung bình và tối thiểu so với búp sóng chính). 11 Sự khác biệt giữa hai hệ thống này là điều khiển các búp sóng chính và búp khơng với mức độ chính xác và độ linh hoạt biến thiên. Phương pháp anten thích nghi Các hệ thống anten thích nghi thơng tin giữa một đối tượng sử dụng và trạm gốc theo cách khác, có chịu ảnh hưởng về mặt khơng gian. Bằng cách điều chính mơi trường RF khi nó thay đổi, cơng nghệ anten thích nghi có thể thay đổi các mẫu tín hiệu một cách chủ động tới gần vơ cực để tối ưu hố chất lượng hệ thống vơ tuyến. Dàn thích nghi sử dụng các thuật tốn xử lý tín hiệu phức tạp để phân biệt một cách liên tục giữa các tín hiệu mong muốn, tín hiệu đa đường và tín hiệu nhiễu cũng như tính tốn hướng đến của chúng. Phương pháp này cập nhật liên tục hướng phát chiến lược của nó dựa vào việc thay đổi cả vị trí của tín hiệu mong muốn và nhiễu. Khả năng xác định đối tượng sử dụng với các búp sóng chính và nhiễu với búp khơng đảm bảo là quỹ dự trữ đường truyền ln ln cực đại vì khơng có các vùng vi mơ cũng như các mẫu xác định trước. Hình 15 minh hoạ vùng phủ sóng tương đối giữa hệ thống chùm tia chuyển mạch được phân vùng truyền thống và hệ thống anten thích nghi. Cả hai loại hệ thống anten thơng minh đều có độ tăng ích đáng kể so với hệ thống phân vùng truyền thống. Mức nhiễu thấp ở phía bên trái thể hiện cho một hệ thống vơ tuyến mới với các mức thâm nhập thấp hơn. Mức nhiễu lớn ở phía bên phải thể hiện cho hệ thống vơ tuyến có nhiều đối tượng sử dụng hoặc một đối tượng sử dụng nhiều mẫu tái sử dụng tần số lấn nhau hơn. Khi ấy, khả năng loại nhiễu của hệ thống thích nghi sẽ cho vùng phủ sóng đáng kể hơn so với hệ thống chùm tia chuyển mạch hay truyền thống Thích ứng Thích ứng Chùm chuyển mạch Chùm chuyển mạch Ơ quy ước Ơ quy ước Mơi trường Mơi trường nhiễu cao nhiễu thấp Hình 15. Vùng phủ với chùm chuyển mạch và anten thích nghi Những lợi ích và hạn chế của các hệ thống dàn thích nghi và chùm chuyển mạch Tích hợp: Các hệ thống chùm chuyển mạch được thiết kế để triển khai rộng rãi trong các hệ thống tế bào với xu hướng là có thể trang bị thêm. Trong khi đó, các hệ thống dàn thích khi được triển khai theo phương án tích hợp đầy đủ. Vùng phủ sóng: Các hệ thống chùm tia chuyển mạch có thể tăng bán kính phủ sóng của trạm gốc từ 20 đến 200% so với các hệ thống tế bào phân vùng thơng thường, tuỳ điều kiện mơi trường cũng như phần mềm và phần cứng sử dụng. Vùng phủ sóng tăng lên sẽ tiết kiệm cho nhà khai thác những chi phí cho cơ sở hạ tầng, và giá thành trung bình cho khách hàng sẽ thấp xuống. Việc chuyển mạch động từ chùm tia sang chùm tia sẽ tiết kiệm dung lượng vì hệ thống khơng cần phát tất cả các tín 12 hiệu theo mọi hướng. Tuy nhiên, các hệ thống dàn thích nghi có thể phủ sóng rộng hơn, và đồng đều hơn khi có cùng mức cơng suất như hệ thống chùm chuyển mạch. Nén nhiễu: Anten chùm chuyển mạch nén nhiễu đến từ các hướng, trừ hướng trung tâm của chùm chủ động. Đây là giải pháp thích hợp nhất để giảm thiểu mức độ nhiễu đồng kênh nhưng lại khó khăn trong việc phân biệt giữa tín hiệu mong muốn và tín hiệu nhiễu. Nếu tín hiệu nhiễu tại trung tâm của chùm tia được chọn, và người sử dụng ở xa trung tâm chùm tia thì tín hiệu nhiễu có thể tăng hơn rất nhiều so với tín hiệu mong muốn. Trong trường hợp này, chất lượng cho người sử dụng chịu sự suy giảm mạnh. Cơng nghệ dãy thích ứng hiện tại giúp loại bỏ nhiễu mạnh hơn. Bởi vì nó truyền ngun dạng của một tổ hợp nên nó tập trung hơn, tạo ra ít can nhiễu hơn so với trường hợp chùm chuyển mạch. Đa truy nhập phân chia theo khơng gian: Trong số các cơng nghệ phức tạp mà anten thơng minh sử dụng có đa truy nhập phân chia theo khơng gian SDMA để định vị, đánh dấu các thiết bị đầu cuối cố định hay di động, qt một cách thích nghi các tín hiệu phát về phía người sử dụng để tránh nhiễu. Cơng nghệ dàn thích nghi đạt được độ nén nhiễu cao nên việc tái sử dụng tần số có hiệu quả tốt hơn ở các mơ hình tái sử dụng tần số lục giác cố định tiêu chuẩn. Kỹ thuật này có thể cấp phát tần số thích nghi cho người sử dụng ở bất kỳ vị trí nào. Việc xử lý khơng gian động tạo ra mỗi vùng khác nhau cho mỗi người sử dụng và cấp phát tần số/kênh theo thời gian thực. Xử lý tín hiệu khơng gian tích hợp phân tích và đo tán xạ của mơi trường RF ở mức cao hơn. Trong khi kỹ thuật qt chùm cho một hướng phát chính xác về phía người sử dụng, xử lý khơng gian cực đại hố việc sử dụng các anten để kết hợp các tín hiệu trong khơng gian theo phương pháp một người sử dụng một chùm tia. Người dùng 1 Người dùng 2 Hình 16. Xử lý khơng gian đầy đủ có thể hỗ trợ hai th bao trên cùng một kênh Ai có thể sử dụng cơng nghệ anten thơng minh ? Cơng nghệ anten thơng minh có thể cải thiện đáng kể chất lượng và chi phí kinh tế. cho hệ thống vơ tuyến. Nó cho phép các nhà khai thác mạng PCS, tế bào và mạch vòng nội hạt vơ tuyến hiện thực hố việc tăng đáng kể về chất lượng tín hiệu, dung lượng và vùng phủ sóng. Các nhà khai thác thường đòi hỏi kết hợp những lợi ích khác nhau này tuỳ từng thời điểm. Do vậy, các hệ thống đó thường có độ linh hoạt cao về cấu hình và khả năng nâng cấp có hiệu quả nhất về mặt chi phí trong các giải pháp mang tính lâu dài. Các tiêu chuẩn áp dụng Các hệ thống anten thơng minh có thể áp dụng cho tất cả các chuẩn và giao thức vơ tuyến trong bảng 2, với một vài hiệu chỉnh. 13 Bảng 2: Các tiêu chuẩn áp dụng Phương thức truy nhập Phương thức song cơng Tương tự Đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA) (ví dụ: AMPS, TACS, NMT) Số Đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA) (ví dụ: GSM, IS136), đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA) ( ví dụ: IS95) Song cơng chia theo tần số (FDD), song cơng chia theo thời gian (TDD) Tính trong suốt với mạng Tính linh hoạt của cơng nghệ anten thơng minh thích nghi cho phép tạo ra các sản phẩm và dịch vụ giá trị gia tăng, điều này tạo cho các nhà khai thác nhiều ưu thế cạnh tranh Anten thơng minh thích nghi khơng bị giới hạn bởi định dạng điều chế đặc biệt hay giao thức giao diện khơng gian nào. Chúng phù hợp với tất cả các kỹ thuật điều chế giao diện khơng gian hiện hành. Ưu thế bổ sung của xử lý khơng gian Việc xử lý khơng gian đem lại lợi ích cho rất nhiều hệ thống thơng tin vơ tuyến như các hệ thống tế bào có tính di động cao, các hệ thống dải ngắn có tính di động thấp, các ứng dụng mạch vòng nội hạt vơ tuyến, thơng tin vệ tinh, mạng LAN vơ tuyến. Nhờ dùng một dàn anten, mà có thể nhân các kênh lên trong khơng gian, giống như trong tần số và thời gian. Để tăng dung lượng hệ thống, cần phải phát và thu theo khơng gian lựa chọn. Nhiều người đồng ý rằng những lợi ích của xử lý khơng gian sẽ ảnh hưởng khơng giới hạn tới các mặt trong thiết kế hệ thống vơ tuyến. TÀI LIỆU THAM KHẢO IEC Web tutorials ITUR documentations 14 ... 4. Thế nào là một hệ thống anten thơng minh? Thực tế, anten khơng thơng minh, mà phải một hệ thống anten mới thơng minh. Cùng được đặt ở một trạm gốc, một hệ thống anten thơng minh kết hợp một dàn anten với khả ... lượng (như dung lượng) của một hệ thống vơ tuyến. Các loại hệ thống anten thơng minh Các thuật ngữ phổ biến thường được nhắc đến nhiều trong lĩnh vực cơng nghệ hệ thống anten thơng minh bao gồm anten thơng minh, dàn dịch pha, SDMA, xử lý khơng gian, tạo... 5. Mục đích của hệ thống anten thơng minh Mục đích của hệ thống anten thơng minh là tăng chất lượng tín hiệu và tăng dung lượng hệ thống. Các đặc trưng và lợi ích của anten thơng minh được liệt kê trong bảng 1.