TỔNG QUAN VỀ ĂNTEN THÔNG MINH

TỔNG QUAN VỀ ĂNTEN THÔNG MINH 1.1 M λ đầu Những năm gần đây, cùng với sự phát triển không ngừng của thông tin di động, công nghệ ănten trong hệ thống thông tin di động đang rất được quan tâm và đã có nhiều công trình nghiên cứu nhằm đáp ứng nhu cầu về chất lượng phục vụ cho mạng di động. Hệ thống ănten thông minh là một trong những thành tựu quan trọng trong công nghệ ănten với nhiều ưu điểm đã cải thiện đáng kể chất lượng, dung lượng mạng thông tin di động. Trong chương này, chúng ta sẽ đi tìm hiểu những nội dung cơ bản nhất của ănten thông minh và các vấn đề liên quan. 1.2 Hệ thống ănten thông minh 1.2.1 Khái niệm Ănten thông minh là một hệ thống dàn ănten gồm nhiều phần tử ănten có độ lợi thấp được bố trí trong không gian theo một trật tự nhất định và kết nối với nhau thông qua một mạch kết nối. Ănten thông minh có khả năng thay đổi đồ thị bức xạ thu hay phát (hay nói cách khác là các búp sóng) một cách linh hoạt sao cho thích hợp với môi trường tín hiệu trong cell di động. Chức năng của các phần tử ănten là giám sát tín hiệu theo không gian và thời gian. Khác với ănten thu đơn là chỉ thu cố định tín hiệu λ một vị trí không gian, ănten thông minh có khả năng thích ứng với các chuyển động cơ học của các thiết bị vô tuyến. Thường thì thuật ngữ “ănten” chỉ bao gồm chuyển đổi cấu trúc cơ học từ sóng điện từ tự do sang tín hiệu tần số vô tuyến truyền sóng trong môi trường cáp và ngược lại. Với ănten thông minh, thuật ngữ “ănten” có ý nghĩa m λ rộng hơn: nó bao gồm một mạng phân chia hoặc kết hợp và một đơn vị điều khiển (UC- Unit Control). Đơn vị điều khiển thể hiện sự thông minh của ănten, nó dùng các thuật toán phức tạp để điều khiển ănten. Thông thường UC là một bộ xử lý tín hiệu số DSP điều chỉnh các tham số của ănten dựa vào nhiều đầu vào, để tối ưu đường truyền thông tin. Như vậy, ănten thông minh tốt hơn nhiều so với ănten thông thường nhưng đồng thời nó cũng phức tạp hơn rất nhiều. Hình 1.1: Dàn ănten thông minh 1.2.2 Nguyên lý hoạt động của ănten thông minh Lúc đầu ănten chỉ đơn giản là bức xạ và nhận năng lượng như nhau theo mọi hướng. Để truyền tín hiệu đến thuê bao, nó phát sóng đẳng hướng theo phương ngang, Khi truyền tín hiệu như vậy thì nó không có ý thức nào về vùng lân cận thuê bao, năng lượng tín hiệu truyền đi một cách phân tán, phần năng lượng tín hiệu truyền đến thuê bao chỉ là một phần rất bé so với năng lượng mà ănten truyền ra môi trường xung quanh.Do hạn chế này mà công suất tín hiệu phát phải lớn hơn đầu thu mới nhận đủ một năng lượng tín hiệu cần thiết (SNR tại nơi thu đủ lớn). Trong trường hợp có nhiều thuê bao đồng kênh, khi nâng công suất truyền, phần năng lượng không đến được thuê bao mong muốn lại tr λ thành nguồn nhiễu đồng kênh cho các thuê bao khác. ý tư λng của hệ thống ănten thông minh là đồ thị bức xạ năng lượng tại các cell không cố định nữa mà là rất linh hoạt. Hệ thống ănten thông minh chỉ tập trung năng lượng về phía thuê bao mong muốn mà nó đang phục vụ. Mỗi thuê bao được phục vụ b λi một đồ thị bức xạ của riêng nó. Trước đây, chỉ có trạm gốc mới có khả năng tích hợp ănten thông minh, các thuê bao vẫn phát và nhận năng lượng một cách đẳng hướng. Nhưng với những nghiên cứu mới đây, ănten thông minh đã được đưa vào sử dụng tại máy cầm tay. Và đây cũng chính là một trong những nội dung mà đồ án đi vào nghiên cứu. 1.2.3 Cấu trúc sắp xếp của các phần tử ănten Vị trí của các phần tử ănten luôn đóng một vai trò quan trọng trong việc tạo ra chất lượng của đồ thị bức xạ. Một đồ thị bức xạ đạt chất lượng cao trong ănten thông minh là búp sóng chính lớn hơn rất nhiều so với các búp phụ khác và hướng về phía thuê bao mong muốn, các nút sóng chỉ về phía các thuê bao nhiễu đồng kênh trong cell đó. Hình 1.2: Các loại cấu trúc ănten thông minh Cấu trúc dàn đường thẳng : Đây là cấu trúc thông dụng nhất vì nó đơn giản, được sử dụng khi BS được chia thành nhiều vùng phủ sóng hình quạt. Trong cấu trúc này, khoảng cách giữa các phần tử là x. Búp sóng chính của hệ thống có thể phủ sóng trong một hình quạt. ∆ Cấu trúc dàn hình tròn: Các phần tử ănten tạo với tâm hệ thống một góc . Búp sóng chính của đồ thị bức xạ phủ toàn vùng ngang. Cấu trúc dàn chữ nhật và cấu trúc dàn lập phương: Điều khiển búp sóng theo cả hai phương dọc và ngang. Hai cấu trúc này cần thiết cho môi trường truyền sóng phức tạp (đô thị đông đúc). Về mặt lý thuyết nếu hệ thống có L phần tử ănten, có thể tạo L-1 nút sóng hướng về phía các thuê bao nhiễu đồng kênh trong cell.Tuy nhiên trong môi trường đa đường thì con số này có thể nhỏ hơn. 1.2.4 Các tham số dàn ănten Dưới đây là một số các định nghĩa được sử dụng để mô tả hệ thống ănten: Mẫu bức xạ: Mẫu bức xạ của một ănten là sự phân phối tương đối công suất bức xạ như một hàm hướng trong không gian. Mẫu bức xạ của một ănten là kết quả của một mẫu phần tử và hệ số dàn, hai cái này được định nghĩa bên dưới. Nếu là mẫu bức xạ của mỗi phần tử ănten và là hệ số dàn thì mẫu bức xạ của dàn, , được gọi là mẫu búp sóng được cho b λi phương trình dưới đây: (1.1) Hình 1.3 là một ví dụ của đáp ứng phần tử ănten đã được cách điệu hoá, một hệ số dàn của dàn ănten tuyến tính 8 phần tử với một khoảng cách giữa các ănten phần tử là hướng tại 0 0 và mẫu bức xạ, kết quả của việc kết hợp hai thành phần trên. Hệ số dàn: Hệ số dàn, , là mẫu bức xạ trường xa của dàn ănten gồm các phần tử bức xạ đẳng hướng, trong đó là góc phương vị và là góc ngẩng. Búp sóng chính: Búp sóng chính của một mẫu bức xạ ănten là búp sóng chứa hướng của công suất bức xạ lớn nhất. 2 / N π ∆Φ = ),( φθ f ),( φθ F ),( φθ G ),(),(),( φθφθφθ FfG = 2/ λ ),( φθ F θ φ Búp sóng phụ: Búp sóng phụ là các búp sóng không tạo thành búp sóng chính. Chúng cho phép các tín hiệu được nhận theo các hướng khác hướng của búp sóng chính do đó, các búp sóng này là không mong muốn nhưng không thể tránh khỏi. Độ rộng búp sóng: Độ rộng búp sóng của một ănten là độ rộng góc của búp sóng chính. Độ rộng búp sóng 3 dB là độ rộng góc giữa các điểm trên búp sóng chính đạt giá trị 3 dB bên dưới đỉnh của búp sóng chính. Độ rộng búp sóng nhỏ hơn là kết quả của một dàn có kích thước rộng hơn nghĩa là khoảng cách giữa hai phần tử xa nhất của dàn. Hiệu suất ănten: Hiệu suất ănten là tỉ số của tổng công suất bức xạ của ănten trên tổng công suất đầu vào ănten. Búp sóng nhiễu xạ: Khi khoảng cách giữa các phần tử dàn ănten d > thì xảy ra hiện tượng lấy mẫu không gian của sóng mang tần số vô tuyến nhận được, gây ra hiện tượng tối đa thứ cấp, được gọi là các búp sóng nhiễu xạ, xuất hiện trong mẫu bức xạ, chúng ta có thể thấy trong hình 1.4. Hiện tượng lấy mẫu không gian dẫn đến sự không rõ ràng trong hướng của các tín hiệu đến, điều này có nghĩa là xuất hiện những bản sao của búp sóng chính trong những hướng không mong muốn. Hiện tượng búp sóng nhiễu xạ trong lấy mẫu không gian tương tự với hiệu ứng gán biệt danh trong lấy mẫu thời gian. Do đó khoảng cách d giữa các phần tử trong dàn phải được chọn nhỏ hơn hoặc bằng , để tránh các búp sóng nhiễu xạ . Tuy nhiên, khoảng cách không gian giữa các phần tử lớn hơn sẽ cải thiện giải pháp không gian cho dàn ănten, tức là giảm độ rộng búp sóng 3dB như trong hình 1.4, và giảm tính tương quan giữa các tín hiệu đến tại các phần tử ănten. 2 λ 2/ λ 2/ λ Hình 1.3: Hệ số dàn của dàn ănten tuyến tính với khoảng cách ănten là được định hướng tại 0 0 , đáp ứng của mỗi phần tử dàn ănten và mẫu bức xạ do kết hợp cả hai điều kiện trên. 1.3 Mô hình tín hiệu Xét một dàn ănten gồm L thành phần ănten vô hướng đặt tại vùng xa của một nguồn điểm hình sin như λ hình 1.5. Giả thiết khoảng cách các phần tử dàn là d và mặt sóng phẳng m λ rộng trên dàn tại góc đối với pháp tuyến dàn, mặt sóng đến phần tử thứ l+1 trước khi đi đến phần tử thứ l . Khi đó, khoảng cách mà mặt sóng phải đi từ phần tử thứ l+1 đến phần tử thứ l là . Tuy nhiên, đối với một dàn gồm L phần tử tuỳ ý, giả thiết điểm có độ trễ bằng không, thì các độ trễ tương ứng là : (1.2) Trong đó, c là tốc độ truyền sóng, tức là tốc độ của ánh sáng, và là toạ độ x và y của phần tử thứ l đối với điểm gốc có toạ độ (0,0). Thuật ngữ cosin phụ do độ lệch y có thể 2/ λ θ θ sind Ll c yx t ll l , 1, cossin )( = + = θθ θ l x l y có từ toạ độ x của các phần tử dàn bằng 0, và do đó bị loại bỏ, như trong hình 1.5. Tín hiệu, , được tạo ra trong phần tử thứ l do nguồn thứ i có thể được biễu diễn như sau: , (1.3) Hình 1.4: Hệ số dàn của dàn ănten tuyến tính đồng nhất 8 phần tử với khoảng cách các ănten con là và 3 . Với chỉ hàm điều chế phức. Phương trình này dựa trên giả thiết băng tần hẹp đối với xử lý tín hiệu dàn, cái này giả thiết rằng băng tần của tín hiệu tương đối nhỏ, để hệ số trọng số duy trì một biến pha hằng xuyên qua tất cả các phần tử dàn ănten. Giả thiết có M nguồn có hướng và tạp âm nền đẳng hướng, tín hiệu tổng tại phần tử thứ l là: , (1.4) , ( ) l i x t ( ) , ( ) ( ) l j t l i i x t m t e ω θ = 2/ λ 2/ λ )(tm i ( ) ( ) ( ) l M j t l i l i x m t e n t ω θ = = + ∑ 1 Hình 1.5: Sơ đồ thu tín hiệu của dàn ănten tuyến tính không gian Trong đó là thành phần tạp âm ngẫu nhiên trên phần tử ănten thứ l, gồm có tạp âm nền và tạp âm điện. Giả thiết tạp âm trắng có bình phương trung bình bằng 0 và phương sai . Hệ số dàn được tính toán như sau: (1.5) Trong đó là trọng số phức được áp dụng cho phần tử thứ l để điều khiển búp sóng ănten trong hướng của . Giá trị lớn nhất của đạt được khi . ( ) l n t 2 n σ ( )F θ ( ) ( ) l L j t l l F e − ω θ = θ = ω ∑ 1 l ω 0 θ ( )F θ 0 θθ = Hình 1.6: Bộ tạo búp sóng cộng các tín hiệu phần tử ănten gán trọng số, thu được tín hiệu y(t) = Xét sóng λ băng tần hẹp, như thấy λ hình 1.6, trong đó tín hiệu từ mỗi phần tử được nhân lên b λi một trọng số phức, , l = 1,2, , L và tính tổng để tạo nên đầu ra của dàn. Đầu ra dàn, λ hình 1.6 tại thời điểm có công thức: , (1.6) Trong đó * chỉ liên hợp phức, là tín hiệu đến từ phần tử thứ l của dàn, và là trọng số được áp dụng cho thành phần thứ l . Các trọng số của bộ tạo búp sóng biễu diễn như sau: , (1.7) Và các tín hiệu thực hiện trong tất cả các thành phần là: (1.8) ∑ = L l l tx 1 1 * )( ω l ω )(ty t ∑ = = L l ll txty 1 * )()( ω )(tx l l ω ], .,,[ 21 L ωωωω = ,)](), .,(),([ 21 T L txtxtxx = Đầu ra của bộ thu tạo búp sóng λ hình 1.6 tr λ thành: , (1.9) Với T và H, tương ứng xác định ma trận chuyển vị và ma trận chuyển vị liên hợp phức của một vectơ hay một ma trận. Cho R xác định ma trận tương quan L L của tín hiệu thu b λi L phần tử: , (1.10) Trong đó H xác định chuyển vị Hermitian (tức là chuyển vị kết hợp với liên hợp phức). Ma trận tương quan R có thể biễu diễn λ dạng m λ rộng như sau: (1.11) Phần tử r(0) trên đường chéo chính luôn có giá trị thực. Đối với dữ liệu giá trị phức, các phần tử còn lại của R được giả thiết là có giá trị phức. Ma trận tương quan của quá trình ngẫu nhiên rời rạc tĩnh là Hermitian, tức là R H = R. Kết quả là r(-k) = r * (k), với r(k) là hàm tự tương quan của quá trình ngẫu nhiên đối với độ trễ của l . Do đó, phương trình (1.11) được viết lại như sau: )()( txty T ω = × [ ]                           == )( .)()( )( . )( )( )]()([ ** 2 * 1 2 1 txtxtx tx tx tx EtxtxER L L H             − − +−+− − = )0( . )2( )1( . . . . )2( . )0( )1( )1( . )1( )0( r Lr Lr Lr r r Lr r r R [...]... lượng kênh 1.5 Tổng kết Chương này đã trình bày một cách tổng quan nhất những vấn đề cơ bản nhất về ănten thông minh bao gồm khái niệm, nguyên lý hoạt động, cấu trúc sắp xếp cũng như các tham số của dàn ănten Bên cạnh đó, chương cũng đã đưa ra một mô hình tín hiệu của dàn ănten gồm có L phần tử vô hướng, từ mô hình tín hiệu này, để có thể rút ra được ma trận tương quan của một dàn ănten Ma trận này... phần này, chúng ta sẽ thấy rằng ănten thông minh cũng được dùng để tăng diện tích phủ sóng trong khi vẫn đảm bảo được mức tín hiệu Giả thiết rằng kích thước của cell là không thay đổi và công suất phát của máy di động là cố định hướng tới các phần tử ănten thu 1.4.7.1 Mức độ vùng phủ của ănten thu đơn phần tử Để tính được mức độ tăng vùng phủ sóng khi sử dụng ănten thông minh, trước hết ta phải tính vùng... Ưu điểm của ănten thông minh trong thông tin di động 1.4.1 Giảm trải trễ và pha đinh đa đường Trải trễ do đường truyền đa đường gây ra, trong đó một tín hiệu đến từ các hướng khác nhau sẽ bị trễ do đi theo các khoảng cách khác nhau λ phía phát, một ănten thông minh có thể tập trung năng lượng theo hướng yêu cầu, hỗ trợ trong việc giảm phản xạ đa đường và do đó giảm trải trễ λ phía thu, dàn ănten có thể... hướng, từ mô hình tín hiệu này, để có thể rút ra được ma trận tương quan của một dàn ănten Ma trận này có ý nghĩa rất quan trọng trong việc xác định các trọng số dàn ănten Cuối cùng, chương đã đề cập đến những ưu điểm khi sử dụng dàn ănten thông minh trong thông tin di động so với khi sử dụng ănten đơn phần tử vô hướng Cụ thể những ưu điểm đó là: giảm trải trễ và phađinh đa đường, giảm nhiễu đồng kênh, tăng... phân tích ưu điểm của ănten thông minh, thì trước hết biết rằng công suất tín hiệu thu là hàm của khoảng cách Pmin(d) = P0(d0/d)n (1.22) Po là công suất tại khoảng cách đa tiêu chuẩn, d là khoảng cách thu phát, n là hệ số mũ suy hao đường truyền Khi một ănten L phần tử thì SNR tối thiểu là: γ min = L2Pmin(dL)/L.N0 = LPmin(dL)/N0 (1.23) Hình 1.9 : Hệ số tầm sóng theo số phần tử của ănten Trong đó dL là... trận , R, xác định mối tương quan giữa tín hiệu đầu ra của các phần tử ănten khác nhau trong hình 1.6 Ví dụ, Rij xác định mối tương quan giữa phần tử thứ i và thứ j của dàn Cho rằng vectơ điều khiển có quan hệ với hướng θi hay nguồn thứ i có thể được mô tả vectơ phức L hướng si : s i = [exp( jω 1 (θi )), , exp( jωt L (θi ))] t T , (1.13) Trong đó, L là số phần tử của dàn ănten, và ti là trễ thời gian... phủ của ănten thu L phần tử Giả sử cell có bán kính không thay đổi và hệ thống có nhiễu giới hạn, khi đó ta có thể tăng diện tích vùng phủ sóng bằng cách sử dụng một dàn ănten L phần tử Như đã đề cập λ trên dàn ănten L phần tử sẽ tăng công suất tín hiệu lên L2 lần và công suất nhiễu chỉ tăng lên L lần Kết quả này chỉ đúng khi nhiễu λ phần tử ănten này không tương tác với nhiễu λ những phần tử ănten khác... tố này sẽ là một ưu điểm quan trọng cho máy cầm tay 1.4.9 Cải thiện chất lượng tín hiệu Sử dụng ănten thông minh sẽ làm tăng SINR và giảm BER tại đầu thu của hệ thống số Đối với ứng dụng thoại và video thì giảm BER cũng có nghĩa là tăng chất lượng tín hiệu thu Nói chung, với một kênh giới hạn nhiễu, mức ngưỡng tín hiệu nhỏ nhất giảm xuống 10log10L, trong đó L là số phần tử ănten 1.4.10 Tăng tốc độ... do đó cần những thông tin về quyền ưu tiên vị trí của chúng 1.4.3 Tăng dung lượng hệ thống và cải thiện hiệu suất phổ Hiệu suất phổ của một mạng liên quan đến lưu lượng mà một hệ thống cho trước với sự phân phối phổ nhất định có thể điều khiển được Việc tăng số lượng người dùng của hệ thống thông tin di động mà không làm mất mát hiệu năng sẽ tăng hiệu suất phổ Dung lượng kênh liên quan đến tốc độ dữ... vẫn có thể liên lạc với trạm gốc trong khi đó vẫn đảm bảo được chất lượng của tín hiệu Khả năng mà ănten thông minh có thể m λ rộng được tầm sóng là do tăng được tỷ lệ tín hiệu thu trên nhiễu Giả sử, chúng ta có L phần tử ănten và nhiễu chính giới hạn, tín hiệu kết hợp chồng pha đơn giản, đến L phần tử ănten thì sẽ thu được công suất tín hiệu tăng lên L 2 lần trong khi công suất nhiễu tăng lên chỉ có . của ănten thông minh và các vấn đề liên quan. 1.2 Hệ thống ănten thông minh 1.2.1 Khái niệm Ănten thông minh là một hệ thống dàn ănten gồm nhiều phần tử ănten. TỔNG QUAN VỀ ĂNTEN THÔNG MINH 1.1 M λ đầu Những năm gần đây, cùng với sự phát triển không ngừng của thông tin di động, công nghệ ănten trong hệ thống thông