TỔNG QUAN VỀ ANGTEN THÔNG MINH.doc

TỔNG QUAN VỀ ANGTEN THÔNG MINH

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĂNTEN THÔNG MINH

1.1 Mở 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 ở 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 mở 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 trở thành nguồn nhiễu đồng kênh cho các thuê bao khác.

ý tưởng 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

bởi 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

2 / N

  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 f(,) là mẫu bức xạ của mỗi phần tử ănten và F(,) là hệ số dàn thì mẫu bức xạ của dàn, G( ,), được gọi là mẫu búp sóng được cho bởi phương trình dưới đây:

G(,)f(,)F(,) (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

2 /

 hướng tại 00 và mẫu bức xạ, kết quả của việc kết hợp hai thành phần trên

Hệ số dàn: Hệ số dàn, F( ,), 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.

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 > 2 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 /2, để tránh các búp sóng nhiễu xạ Tuy nhiên, khoảng cách không gian giữa các phần tử lớn hơn /2 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.

Hình 1.3: Hệ số dàn của dàn ănten tuyến tính với khoảng cách ănten là /2được địnhhướng tại 00, 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 ở hình 1.5 Giả thiết khoảng cách các phần tử dàn là d và mặt sóng

phẳng mở 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 dsin 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 : Trong đó, c là tốc độ truyền sóng, tức là tốc độ của ánh sáng, x và ly là toạ độ xlvà 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 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, x t , được tạo ra trong phần tử thứ l do nguồn thứ i có thể đượcl i,( ) biễu diễn như sau:

Với mi(t)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

Hình 1.5: Sơ đồ thu tín hiệu của dàn ănten tuyến tính không gian

Trong đó n tl( ) 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 Trong đó l là trọng số phức được áp dụng cho phần tử thứ l để điều khiển búp

sóng ănten trong hướng của 0 Giá trị lớn nhất của ( )F  đạt được khi  0.

Hình 1.6: Bộ tạo búp sóng cộng các tín hiệu phần tử ănten gán trọng số,

thu được tín hiệu y(t) = 

l 1l*x1(t)

Xét sóng ở 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, l = 1,2, , L và tính tổng để tạo nên đầu ra

của dàn Đầu ra dàn, y(t) ở hình 1.6 tại thời điểm t có công thức: Trong đó * chỉ liên hợp phức, xl(t) là tín hiệu đến từ phần tử thứ l của dàn, và llà trọng số được áp dụng cho thành phần thứ l Các trọng số của bộ tạo búp sóng biễu

diễn như sau:

 [1,2, ,L], (1.7) Và các tín hiệu thực hiện trong tất cả các thành phần là:

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 bởi L phần tử:

Phần tử r(0) trên đường chéo chính luôn có giá trị thực Đối với dữ liệu giá trịphức, các phần tử còn lại của R được giả thiết là có giá trị phức Ma trận tương quancủa quá trình ngẫu nhiên rời rạc tĩnh là Hermitian, tức là RH = 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:

Các phần tử của ma 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 i hay

nguồn thứ i có thể được mô tả vectơ phức L hướng si :

Trong đó, L là số phần tử của dàn ănten, và ti là trễ thời gian gây ra do sóng phẳng

đến từ nguồn thứ i, đặt tại hướng i, và được đo từ phần tử ban đầu, khi đó ma trận

tương quan, R, của các tín hiệu đầu ra tại các phần tử dàn trong hình 1.6 có thể được

biễu diễn như sau: Với S E s s[ iHi ] là ma trận hiệp biến của các đầu ra của các phần tử dàn trong hình 1.6, A [s1,s2, ,sM] là ma trận L  M của các vectơ diều khiển Hơn nữa, ma

trận chéo  diag[1,2, ,L]được tạo thành bởi các giá trị riêng thực của R,trong khi đó U gồm các vectơ riêng chuẩn đơn vị của R.

1.4 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 ở 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 ở phía thu, dàn ănten có thể thực hiện kết hợp tối ưu sau khi bù trễ cho các tín hiệu đa đường tới dàn Những tín hiệu mà trễ không thể bù đắp có thể bị xoá bỏ do hình thành các nút sóng trong hướng của chúng.

Trạng thái hướng của một dàn ănten cũng dẫn đến hiện tượng trải phổ nhỏ hơn của các tần số Doppler tại máy di động Đối với một ănten vô hướng tại cả trạm gốc và tại máy di động, hướng góc đến ở máy di động được phân bố giống nhau Do đó phổ Doppler được cho b λi mô hình Clarke như sau:

Trong đó, A0 là công suất trung bình được phát và fm v  là độ dịch Doppler lớn nhất, với v là vận tốc của máy di động và  là độ dài bước sóng mang Tuy nhiên, nếu một ănten có hướng được sử dụng tại trạm gốc thì mật độ phổ công suất được tính

Trong đó v là hướng di chuyển của máy di động so với đường thẳng nối trạm gốc đến máy di động và f() là PDF của DOA các thành phần đa đường tại máy di động, có công thức tính như sau:

Hình 1.7:Minh hoạ thành phần truyền thẳng từ trạm gốc đến trạm di động cho thấy

hướng di chuyển của trạm di động, v

Hơn nữa, 2 là độ rộng búp sóng của ănten có hướng gọi là ‘flat- top’ lý tưởng, có độ lợi bằng 0, ngoại trừ trải góc 2, trong khi đó độ lợi là 1, R là bán kính của khuvực tròn bao gồm tất cả các bộ tán xạ và D là khoảng cách riêng biệt giữa trạm gốc và

máy di động Cuối cùng, 1 và 2 là các hằng số được sử dụng để tính toán:

Hình 1.8 đưa ra những ví dụ của phổ Doppler cho độ rộng búp sóng là 2, 10, 20 độ đối với máy di động di chuyển tại góc 0, 45, 90 so với thành phần LOS, trong đó khoảng cách trạm gốc đến máy di động là 3 km, nơi mà các bộ tán xạ được đặt trong

Hình 1.8: Phổ Doppler tại trạm di động, khi sử dụng một ănten có hướng tại trạm

gốc, và một ănten vô hướng tại trạm di động, được so sánh với mô hình Clarke, R =1km, D= 3km, fm = 100 Hz

1.4.2 Giảm nhiễu đồng kênh

Dàn ănten cho phép sử dụng phương pháp lọc không gian, phương pháp này được áp dụng cho cả bên thu cũng như bên phát để giảm nhiễu đồng kênh Khi phát, ănten được sử dụng để tập trung năng lượng phát xạ nhằm tạo ra một búp sóng có hướng

trong vùng có bộ thu Điều này có nghĩa là có ít nhiễu hơn trong các hướng khác mà búp sóng không hướng đến Nhiễu đồng kênh bên phát có thể giảm bằng cách hình thành những nút sóng trong hướng của các bộ thu khác Lược đồ này mục đích là giảm năng lượng phát trong hướng của các bộ thu đồng kênh và 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 liệu lớn nhất mà một kênh có một độ rộng băng tần cho trước có thể duy trì được Dung lượng kênh được cải tiến sẽ dẫn đến khả năng phục vụ nhiều người sử dụng hơn với một tốc độ dữ liệu xác định, có nghĩa là hiệu suất phổ tốt hơn Chất lượng của dịch vụ, khi sử dụng ănten thông minh để giảm nhiễu đồng kênh và pha đinh đa đường, có thể bị thay đổi theo sự gia tăng số lượng của người sử dụng.

1.4.4 Tăng hiệu suất truyền dẫn

Một dàn ănten có hướng trong tự nhiên, có độ khuyếch đại cao trong hướng mà búp sóng hướng đến Tính năng này có thể được tận dụng để mở rộng dải tần của trạm gốc, làm kích thước của cell lớn hơn hay có thể được sử dụng để giảm công suất phát của các máy di động Việc sử dụng ănten có hướng cho phép trạm gốc nhận một tín hiệu yếu hơn so với ănten vô hướng Điều này có nghĩa là máy di động có thể phát công suất thấp hơn và tuổi thọ của pin sẽ dài hơn, hay nó có thể sử dụng pin nhỏ hơn, do đó sẽ có trọng lượng và kích thước nhỏ hơn, điều này có ý nghĩa rất quan trọng đối với máy di động điều khiển bằng tay Khi đó, trạm gốc cũng giảm công suất phát và cho phép sử dụng các thành phần điện tử có chỉ tiêu công suất thấp hơn nên chi phí cũng sẽ thấp hơn.

1.4.5 Giảm chuyển giao

Khi lưu lượng trong một cell tăng vượt quá dung lượng của cell đó thì việc phân tách cell thường được sử dụng để tạo ra những cell mới, mỗi một cell sẽ có một trạm gốc và một tần số cố định Việc giảm kích thước cell dẫn đến tăng số lượng chuyển giao được thực hiện Bằng cách sử dụng ănten thông minh để tăng dung lượng của cell, số lượng chuyển giao cần thiết có thể được giảm Vì mỗi búp sóng chỉ hướng đến một thuê bao, chuyển giao là không cần thiết trừ khi các búp sóng sử dụng cùng tần số giao nhau.