Thuật toán beamforming thích nghi trong anten thông minh

MỤC LỤC Lời cảm ơn Lời giới thiệu Chương I: TỔNG QUAN VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU I Giới thiệu vấn đề tình trạng II Nội dung phạm vi nghiên cứu - Chương II: ANTEN THOÂNG MINH I Lịch sử phát triển hệ thống Anten - II Hệ thống Anten thông minh 12 III Những ưu điểm ứng dụng chủ yếu hệ thống Anten thông minh 23 Chương III: THUẬT TOÁN BEAMFORMING THÍCH NGHI BĂNG THÔNG HẸP 28 Những ưu điểm chủ yếu Anten thông minh 28 Dãy Anten thích nghi - 35 2.1 Caùc khái niệm 35 2.2 Mô hình tín hiệu dãy Anten - 38 2.3 Beamforming thích nghi - 40 2.4 Các tiêu chuẩn tối ưu 45 2.5 Các thuật toán thích nghi 50 Beamforming thích nghi băng thông hẹp - 58 3.1 Cấu hình Beamforming thích nghi băng hẹp 58 3.2 Mô hình tín hiệu trình thích nghi 60 Chương IV: THUẬT TOÁN BEAMFORMING THÍCH NGHI BĂNG THÔNG RỘNG 65 Mô hình tín hiệu băng rộng dãy Anten - 65 Beamforming băng rộng miền thời gian 66 2.1 Mô hình tín hiệu - 66 2.2 Giải thuật thích nghi - 69 2.3 Tổ hợp vòm sóng dãy thích nghi băng rộng miền thời gian 70 Beamforming băng rộng miền tần số 71 3.1 FFT Beamforming - 71 3.2 Mô hình tín hiệu 73 3.3 Công suất ngõ dãy thích nghi băng rộng miền tần số 77 3.4 Ưu điểm xử lý Beamforming miền tần số - 78 Chương V: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI Kết mô với hệ thống Beamforming Băng thông heïp 79 Kết mô với hệ thống Beamforming Băng thông rộng 80 2.1 Miền thời gian 80 2.2 Miền tần soá 82 Kết luận - 84 Hướng phát triển đề tài 84 Tài liệu tham khảo Chương I: TỔNG QUAN VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU Chương I: TỔNG QUAN VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU I GIỚI THIỆU VẤN ĐỀ VÀ TÌNH TRẠNG HIỆN NAY Trong năm gần đây, hệ thống Viễn thông không dây ¾ (Wireless) phát triển cực nhanh, tạo cách mạng khoa học kỹ thuật, nhằm đáp ứng nhu cầu, đòi hỏi ngày cao người sử dụng số lượng chất lượng, lónh vực công nghệ khoa học kỹ thuật Các mạng viễn thông di động phát triển đến hệ mới, cung ¾ cấp cho người sử dụng dịch vụ tích hợp tốc độ cao Trong mạng viễn thông này, giao thoa liên ký tự (ISI: inter-symbol interference) fading đa đường giao thoa xuyên kênh (CCI: co-channel interference) tần số lặp lại nguyên nhân làm giảm chất lượng hệ thống Trong hệ thống truyền thông không dây nay, vấn đề đặt ¾ cần phải đáp ứng để tối ưu hoạt động hệ thống truyền thông là: - Đạt tốc độ liệu cao - Loại bỏ hiệu ứng đa đường (multipath) - Hoạt động tốt môi trường giao thoa mạnh (khả triệt nhiễu giao thoa tốt) - Có khả hoạt động với SDMA (Space Division Multiple Access – có nghóa đa truy cập phân chia không gian) nhằm sử dụng hiệu phổ radio - Truyền thông hiệu với đầu cuối di động Thực hiện: Ngô Thanh Hải Chương I: TỔNG QUAN VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU Giao thoa liên cell Đa đường Đa đường Trạm Tín hiệu fading Hình 1.1: Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động hệ thống truyền thông không dây ¾ Một giải pháp nhằm đáp ứng yêu cầu đặt khai thác hiệu chiều không gian Anten thông minh Anten thông minh xem phương tiện thực cải thiện đáng kể hiệu phổ (spectral), đáp ứng chất lượng dịch vụ, khả đáp ứng cao đồng thời giảm đáng kể giá thành lắp đặt trạm thu/phát hệ thống truyền thông ¾ Anten thông minh phát triển mạnh mẽ ứng dụng rộng rãi hệ thống truyền thông chất lượng cao Một loại anten thông minh tối ưu sử dụng rộng rãi đạt hiệu cao sử dụng Dãy anten tạo vòm sóng thích nghi (ABAA: Adaptive Beaforming Array Antenna) hệ thống truyền thông không dây chất lượng cao đặc tính ưu việt sau đây: + Vòm sóng quét liên tục + Tạo hình dạng thích nghi cho vòm sóng anten ¾ Khai thác chiều không gian công cụ hiệu nhằm tối ưu hoạt động hệ thống truyền thông không dây Một kỹ thuật sử dụng nhằm khai thác chiều không gian Đa truy cập phân Thực hiện: Ngô Thanh Hải Chương I: TỔNG QUAN VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU chia theo khoâng gian (SDMA: Space Division Multiplex Access) SDMA kỹ thuật mới, giúp cho việc cải thiện dung lượng chất lượng hệ thống truyền thông không dây Nó dựa việc sử dụng anten có khả lái vòm sóng, kết hợp mạng (network) tạo vòm sóng điều khiển Đã có nhiều tiêu chuẩn tổ chức quốc tế quy định cho loại anten thông minh ¾ Tóm lại, việc phát triển anten thông minh tạo hệ thống anten ngày thông minh định đáng kể đến việc nâng cao chất lượng nâng cao lực cạnh tranh hệ thống truyền thông vô tuyến, đáp ứng nhu cầu đòi hỏi ngày cao dịch vụ truyền thông đa phương tiện II NỘI DUNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU ¾ Anten thông minh nghiên cứu phát triển rộng rãi nhiều tổ chức nhà cung cấp Đã có nhiều tiêu chuẩn cho loại anten thông minh quy định tổ chức quốc tế Nâng cao chất lượng anten thông minh làm cho anten thông minh ngày thông minh mong muốn nhà xây dựng, hoạch định, thiết kế mạng Viễn thông ¾ Đã có nhiều nghiên cứu ứng dụng anten thông minh hệ thống truyền thông Băng thông hẹp (Narrowband) với tính toán xử lý hệ thống hoàn toàn miền thời gian Vấn đề đặt với ứng dụng Băng thông rộng (Wideband), với nhiều thành phần tần số phạm vi rộng, tính toán xử lý miền thời gian trở nên vô phức tạp không tạo đáp ứng tối ưu cho hệ thống Để xử lý vấn đề này, ta thực tính toán xử lý hệ thống anten miền tần số, tạo thích nghi cho tần số cụ thể, nhằm nâng cao thông Thực hiện: Ngô Thanh Hải Chương I: TỔNG QUAN VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU minh thích nghi anten thông minh Đây vấn đề mới, quan tâm nhiều tổ chức nhà sản xuất Và trọng tâm chủ yếu đề tài Đề tài gồm chương tập trung chủ yếu để giải vấn đề sau: Chương I: Tổng quan phạm vi nghiên cứu Chương II: Anten thông minh (Smart Antenna) Chương III: Beamforming Băng thông hẹp Chương IV: Beamforming Băng thông rộng Chương V: Kết nghiên cứu ) Chương II, đề cập chủ yếu đến cấu trúc chung hệ thống anten thông minh, phân loại Anten thông minh phạm vi ứng dụng chủ yếu ) Chương III, đề cập đến Anten thông minh loại Beamforming thích nghi (Adaptive Beamforming) sử dụng ứng dụng Băng thông hẹp (Narrowband) bao gồm: Mô hình toán học, thuật toán sử dụng loại anten phạm vi ứng dụng ) Chương IV, đề cập đến Anten thông minh loại Beamforming thích nghi (Adaptive Beamforming) sử dụng ứng dụng Băng thông rộng (Wideband) bao gồm: Xử lý miền thời gian (Đã ứng dụng nhiều thực tế) xử lý miền tần số (Là lónh vực mới, nghiên cứu chưa ứng dụng thực tế cách triệt để) ) Chương V, trình bày kết nghiên cứu đạt Kết trình bày cách mô hệ thống Anten thông minh sử dụng thuật toán Beamforming thích nghi hệ thống thông tin di động GSM với kênh truyền Rayleigh dùng ngôn ngữ Matlab ==========oOo========== Thực hiện: Ngô Thanh Hải ANTEN THÔNG MINH CHƯƠNG II: ANTEN THÔNG MINH (SMART ANTENNA) I LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA ANTEN VÀ CÁC HỆ THỐNG ANTEN Khái niệm: Anten có chức chuyển đổi lượng điện từ từ môi trường (từ không gian) thành tín hiệu điện môi trường khác (dây dẫn, cáp đồng trục ống dẫn sóng …) ngược lại Các thiết kế vật lý anten thay đổi nhiều tuỳ vào loại anten Lịch sử phát triển anten Anten có lịch sử phát triển với xuất hệ thống truyền thông không dây Nó nghiên cứu phát triển mạnh mẽ từ dạng đơn phần tử đơn giản đến hệ thống anten phức tạp nhằm mục đích đạt thông minh để tối ưu hoạt động hệ thống 2.1 Anten vô hướng (omnidirectional antenna): Ở thời kỳ hệ thống truyền thông không dây, anten sử dụng anten lưỡng cực (dipole antenna), anten thu phát theo tất hướng Để tìm người sử dụng mong muốn nó, thiết kế đơn phần tử (single – element) loại anten quảng bá tín hiệu hướng theo dạng tương tự xạ sóng xa bể nước Trong loại anten thích hợp với môi trường RF đơn giản mà rõ người sử dụng đâu, phương pháp thực phân tán tín hiệu, tín hiệu truyền đến người sử dụng mong muốn phần nhỏ lượng phát môi trường Thực hiện: Ngô Thanh Hải ANTEN THÔNG MINH Vùng phủ sóng Vùng phủ sóng Nhìn ngang Nhìn xuống Hình 2.1: Anten vô hướng tổ hợp xạ Do hạn chế loại anten này, để khắc phục khó khăn môi trường truyền, cần phải tăng công suất quảng bá phát Điều tạo nhược điểm lớn người sử dụng trở thành nguồn tín hiệu giao thoa người sử dụng khác vùng phủ sóng Trong ứng dụng uplink (giữa người sử dụng trạm nền), anten không đáp ứng tối ưu cho người sử dụng cường độ tín hiệu Những người sử dụng phải cạnh tranh với lượng tín hiệu Phương pháp anten đơn phần tử chọn lọc để loại bỏ giao thoa người sử dụng phục vụ làm giảm ảnh hưởng hiệu ứng đa đường (multipath) không gian hay khả cân khác Anten vô hướng không sử dụng hiệu phổ, giới hạn tần số lặp lại hệ thống thông tin di động cellular Các giới hạn tác động đến người thiết kế hệ thống nhà hoạch định mạng tính phức tạp giá thành cao Trong năm gần đây, giới hạn kỹ thuật anten băng rộng chất lượng, dung lượng khả phủ sóng mạng không dây tạo động lực cho Thực hiện: Ngô Thanh Hải ANTEN THÔNG MINH phát triển thiết kế vai trò anten hệ thống không dây 2.2 Anten định hướng (Directional Antennas): Một anten đơn cấu trúc để có hướng phát thu tín hiệu ưu tiên cố định Hiện nay, để hỗ trợ cho việc bổ sung vị trí máy phát mới, tháp anten truyền thống phân chia không gian thành cell hình quạt Không gian 3600 thường phân chia thành vùng 1200, vùng phủ phương pháp truyền thông quảng bá Các loại anten hình quạt cung cấp độ lợi lớn phạm vi có giới hạn góc phương vị so với anten vô hướng Đây dạng tham khảo phổ biến độ lợi phần tử anten sử dụng xử lý độ lợi liên quan đến phát triển hệ thống anten thông minh sau Trong anten hình quạt sử dụng nhiều kênh, không khắc phục nhược điểm chủ yếu anten vô hướng triệt giao thoa xuyên kênh Do đó, xem nhược điểm chủ yếu anten định hướng Nhìn ngang Nhìn xuống Hình 2.2: Anten định hướng tổ hợp xạ Thực hiện: Ngô Thanh Hải ANTEN THÔNG MINH 2.3 Các hệ thống anten: Làm để anten thông minh hơn? Thứ nhất, thiết kế vật lý sửa đổi cách thêm nhiều phần tử Thứ hai, anten trở thành hệ thống anten thực dịch pha tín hiệu trước phát/thu phần tử cho anten tạo tín hiệu tổng hợp có cường độ lớn Khái niệm phần cứng phần mềm sử dụng anten gọi anten dãy chia pha (array phased antenna) Sau trình phát triển anten nhằm đạt tính hiệu thông minh anten ) Các hệ thống anten hình quạt: + Các hệ thống anten hình quạt đảm nhận vùng cell chia nhỏ thành hình quạt nhỏ, bao phủ anten định hướng nhìn từ trạm + Về hoạt động, hình quạt xem cell khác nhau, phạm vi lớn so với trường hợp anten vô hướng + Các anten hình quạt tăng khả lặp lại kênh tần số hệ thống cellular cách làm giảm giao thoa qua cell gốc, chúng sử dụng rộng rãi cho mục đích + Thông thường, thực tế thường sử dụng anten cell Khi kết hợp nhiều số anten này, trạm bao phủ tất hướng Thực hiện: Ngô Thanh Hải KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CHƯƠNG V: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VỚI HỆ THỐNG BEAMFORMING BĂNG THÔNG HẸP Trình bày kết mô hệ thống Beamforming băng thông hẹp cách qua sát đường học hệ thống, biên độ trọng số thích nghi theo mẫu huấn luyện với giá trị M (số phần tử Anten dãy) μ (tham số độ rộng bước) khác Trường hợp 1: M=4 Hình 5.1: Sai số thuật toán thích nghi theo số mẫu huấn luyện Thực hiện: Ngô Thanh Hải 79 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Hình 5.2: Biên độ trọng số thích nghi theo số mẫu huấn luyện Hình 5.3: Vòm sóng ngõ theo số mẫu huấn luyện Thực hiện: Ngô Thanh Hải 80 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Trường hợp 2: M=8 Hình 5.4: Sai số thuật toán thích nghi theo số mẫu huấn luyện Hình 5.5: Biên độ trọng số thích nghi theo số mẫu huấn luyện Thực hiện: Ngô Thanh Hải 81 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Hình 5.6: Vòm sóng ngõ theo số mẫu huấn luyện Nhận xét: Dựa vào kết mô đạt với trường hợp băng thông hẹp, ta nhận thấy: - Quá trình thích nghi đạt sau số mẫu huấn luyện - Trong quátrình thích nghi, sau số lượng mẫu định biên độ trọng số ổn định không đổi sai số giảm dần đến giá trị cực tiểu - Với số phần tử anten lớn hơn, trình thích nghi nhanh dạng sóng ngõ đạt tối ưu Thực hiện: Ngô Thanh Hải 82 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VỚI HỆ THỐNG BEAMFORMING BĂNG THÔNG RỘNG 2.1 Miền thời gian: Trường hợp 1: M=4 Hình 5.7: Sai số thuật toán thích nghi theo số mẫu huấn luyện Thực hiện: Ngô Thanh Hải 83 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Hình 5.8: Biên độ trọng số thích nghi theo số mẫu huấn luyện Hình 5.9: Vòm sóng ngõ theo số mẫu huấn luyện chưa hội tụ Thực hiện: Ngô Thanh Hải 84 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Hình 5.10: Vòm sóng ngõ theo số mẫu huấn luyện hội tụ Trường hợp 2: M=8 Hình 5.11: Sai số thuật toán thích nghi theo số mẫu huấn luyện Thực hiện: Ngô Thanh Hải 85 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Hình 5.12: Biên độ trọng số thích nghi theo số mẫu huấn luyện Hình 5.13: Vòm sóng ngõ theo số mẫu huấn luyện chưa hội tụ Thực hiện: Ngô Thanh Hải 86 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Hình 5.14: Vòm sóng ngõ theo số mẫu huấn luyện hội tụ 2.2 Miền tần số: Trường hợp 1: M=8, Băng thông = 0.3 Hình 5.15: Sai số biên độ trọng số thích nghi theo số mẫu huấn luyện frequency bin Thực hiện: Ngô Thanh Hải 87 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Hình 5.16: Sai số biên độ trọng số thích nghi theo số mẫu huấn luyện Frequency bin Hình 5.17: Vòm sóng ngõ theo số mẫu huấn luyện chưa hội tụ Thực hiện: Ngô Thanh Hải 88 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Hình 5.18: Vòm sóng ngõ theo số mẫu huấn luyện hội tụ Thực hiện: Ngô Thanh Hải 89 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Trường hợp 2: M=16, Băng thông = 0.3 Hình 5.19: Sai số biên độ trọng số thích nghi theo số mẫu huấn luyện frequency bin Hình 5.20: Sai số biên độ trọng số thích nghi theo số mẫu huấn luyện frequency bin Thực hiện: Ngô Thanh Hải 90 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Hình 5.21: Vòm sóng ngõ theo số mẫu huấn luyện chưa hội tụ Hình 5.22: Vòm sóng ngõ theo số mẫu huấn luyện hội tụ Thực hiện: Ngô Thanh Hải 91 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Nhận xét: Dựa vào kết mô đạt với trường hợp băng thông rộng, ta nhận thấy: - Quá trình thích nghi đạt sau số mẫu huấn luyện - Trong quátrình thích nghi, sau số lượng mẫu định biên độ trọng số ổn định không đổi sai số giảm dần đến giá trị cực tiểu - Khi thực xử lý tín hiệu băng rộng thích nghi miền thời gian, công việc tính toán phức tạp vòm sóng ngõ không tối ưu so với trường hợp xử lý miền tần số - Khi sử dụng dãy anten với nhiều phần tử anten hơn, trình thích nghi nhanh vòm sóng ngõ tối ưu KẾT LUẬN: So với hệ thống băng hẹp, hệ thống băng rộng chậm hội tụ hơn, hệ thống băng rộng bao gồm tập hợp nhiều tần số nằm băng tần số chúng Trong hệ thống băng rộng: - Miền thời gian chậm hội tụ so với miền tần số - Tốc độ hội tụ hệ thống phụ thuộc lớn tới tham số độ rộng bước, số phần tử dãy thích nghi - Khi xử lý miền thời gian, tốc độ hội tụ chất lượng tín hiệu phụ thuộc nhiều vào số điểm làm trễ - Còn xử lý miền tần số, tốc độ hội tụ chất lượng hệ thống phụ thuộc lớn đến số bin tần số (Freq.bin) miền tần số Thực hiện: Ngô Thanh Hải 92 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI Đề tài tiếp tục phát triển theo nhiều hướng khác nhằm mục đích tối ưu hoạt động hệ thống Viễn thông: - Lónh vực viễn thông di động Với định hướng cung cấp dịch vụ băng thông rộng, multimedia chất lượng cao Ứng dụng Anten thông minh lónh vực thích nghi nhanh tối ưu chất lượng tín hiệu băng tần số chủ yếu - Hệ thống định vị toàn cầu: giúp định hướng xác nguồn tín hiệu tối ưu tín hiệu băng tần số cụ thể với thời gian thích nghi nhanh - Thu nhận cải thiện chất lượng hệ thống âm thanh… ==========oOo========== Thực hiện: Ngô Thanh Hải 93 ... Hải 18 ANTEN THÔNG MINH Hình 2.10: Sơ đồ khối hệ thống anten chuyển đổi vòm sóng ¾ Anten thích nghi: - Kỹ thuật Anten thích nghi hội tụ hầu hết đặc điểm anten thông minh Sử dụng nhiều thuật toán. .. không gian 3.3 Mô hình toán học anten thông minh thích nghi Mô hình Anten thông minh thích nghi biểu diễn hình 2.13 Hình 2.13: Mô hình anten thông minh thích - Giả sử hệ thống anten bao gồm M phần... sóng thích nghi (Beamforming) Tuy nhiên, Anten thông minh sử dụng chủ yếu Beamforming Hình 2.8: Phân loại Anten thông minh Hiện nay, có nhiều thuật ngữ thường sử dụng để Anten thông minh như: Anten