Anten thông minh và áp dụng trong các hệ thống thông tin đa sóng mang

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết luận án trung thực chưa công bố đâu công trình khác Tác giả LỜI CẢM ƠN Trước tiên xin gửi lời cảm ơn chân thành tới hai Thầy hướng dẫn GS.TSKH Phan Anh PGS.TS Trịnh Anh Vũ, hướng dẫn giúp đỡ hướng nghiên cứu phương pháp làm việc khoa học suốt q trình làm luận án Tơi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Giáo sư Huỳnh Hữu Tuệ, Paul Fortier, Dominic Grenier Ðại Học Laval, Canada giúp đỡ chuyên môn suốt hai năm nghiên cứu Ðại Học Laval, Canada Nhân dịp tơi xin bày tỏ lịng biết ơn tập thể cán Phòng Ðào tạo, Khoa Ðiện tử-Viễn thông, Bộ môn Thông tin Vô tuyến Trung tâm Nghiên cứu Ðiện tử-Viễn thông Trường Ðại Học Công Nghệ (ÐHQGHN) tạo điều kiện động viên thời gian làm luận án Cuối tơi xin gửi lời cảm ơn gia đình: Bố, Mẹ, Chị Tâm, Chị Diệp, hỗ trợ, động viên chia sẻ với Luận án xin dành cho họ MỤC LỤC Trang phụ bìa Lời cam đoan Mục lục Danh mục chữ viết tắt Danh mục bảng Danh mục hình vẽ đồ thị MỞ ĐẦU Chương MỘT SỐ KỸ THUẬT CHO HỆ THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ MỚI 1.1 Quy hoạch tần số dung lượng hệ thống 1.2 Bóng che Lognormal 1.3 Kỹ thuật OFDM 1.4 Kỹ thuật MIMO 1.4.1 Giới thiệu hệ thống MIMO 1.4.2 Mơ hình hệ thống MIMO 1.4.3 Dung hệ thống MIMO 1.4.4 Dung kênh MIMO 2x2 1.5 Kỹ thuật SDMA 1.6 Anten thông minh cho OFDM 1.7 Kết luận Chương TẠO BÚP SĨNG TRONG HỆ ANTEN THƠNG MINH 2.1 Các sơ đồ xử lý phần tử búp sóng 2.1.1 Sơ đồ tạo búp sóng truyền thống 2.1.2 Sơ đồ tạo búp không 2.1.3 Sơ đồ tạo búp tối ưu 2.1.3.1 Tối ưu không ràng buộc hướng nguồn nhiễu 2.1.3.2 Tối ưu ràng buộc 2.1.4 Sơ đồ tạo búp tối ưu dùng tín hiệu đối chiếu 2.2 Các sơ đồ xử lý khơng gian búp sóng 2.2.1 Xử lý khơng gian búp sóng tối ưu 2.2.2 Sơ đồ loại bỏ búp phụ 2.2.3 Sơ đồ loại bỏ nhiễu sau tạo búp (PIC) 2.2.3.1 Sơ đồ loại bỏ nhiễu sau tạo búp với tạo búp nhiễu truyền thống (CIB) 2.2.3.2 Sơ đồ loại bỏ nhiễu sau tạo búp với tạo búp nhiễu trực giao (OIB) 2.2.3.3 Sơ đồ loại bỏ nhiễu sau tạo búp với tạo búp nhiễu cải tiến (IIB) i iii vi viii ix 9 10 13 18 18 19 22 27 28 29 30 31 31 33 34 34 34 35 35 36 38 38 39 40 40 41 2.3 So sánh sơ đồ loại bỏ nhiễu sau tạo búp với sơ đồ xử lý phần tử búp sóng 2.4 Anten thích nghi 2.4.1 Bộ lọc thích nghi băng hẹp 2.4.2 Thuật toán chọn đường theo hướng dốc 2.4.3 Thuật toán trung bình bình phương tối thiểu 2.4.4 Bộ lọc thích nghi băng rộng 2.5 Dàn anten đề nghị 2.6 Phương pháp quay búp thích nghi 2.7 Kết luận Chương XÁC ĐỊNH HƯỚNG SĨNG ĐẾN DÙNG DÀN ANTEN KHƠNG TÂM PHA 3.1 Phương pháp MLE 3.2 Phương pháp MUSIC 3.3 Một số mô để minh họa hoạt động đánh giá chất lượng phương pháp MUSIC dùng dàn anten tuyến tính L phần tử 3.4 Phương pháp ESPRIT 3.5 Anten không tâm pha 3.5.1 Các khái niệm 3.5.2 Mối quan hệ phân bố dài đặc tính pha 3.5.3 Điều kiện cho anten có tâm pha 3.5.4 Mở rộng điều kiện anten có tâm pha cho dàn anten 3.5.5 Phân tích dàn anten khơng tâm pha với đặc tính pha phi tuyến 3.6 Kết hợp dùng dàn anten khơng tâm pha thuật tốn MUSIC 3.7 Một số mô để đánh giá chất lượng dàn anten không tâm pha dùng phương pháp MUSIC 3.8 Kết luận Chương ANTEN THÔNG MINH DÙNG CHO HỆ THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ MỚI 4.1 Anten thông minh trạm gốc 4.1.1Anten trạm gốc truyền thống 4.1.2 Anten thông minh trạm gốc 4.1.2.1 Anten thu phát 4.1.2.2 Hệ anten tìm hướng trạm gốc 4.1.2.3 Các tham số hệ thống 4.2 Anten thông minh người dùng 4.3 Các hệ thống cụ thể mô 4.3.1 Hệ thống dùng cải tiến hỗ trợ OFDM (hệ thống 1) 4.3.2 Hệ thống dùng cải tiến hỗ trợ OFDM tạo búp sóng thích nghi theo hướng người dùng (hệ thống 2) 41 42 43 44 44 46 47 49 50 52 54 55 59 61 61 62 62 63 63 65 69 73 74 74 74 75 75 78 78 79 79 79 80 4.3.2.1 Các tính tốn dung lượng cho đường lên hệ thống 4.3.2.2 Các tính tốn dung lượng cho đường xuống hệ thống 4.3.3 Hệ thống dùng cải tiến hỗ trợ OFDM MIMO 2x2 (hệ thống 3) 4.3.4 Hệ thống dùng cải tiến hỗ trợ OFDM MIMO 2x2 kết hợp tạo búp sóng thích nghi (hệ thống 4) 4.4 Kết luận KẾT LỤẬN VÀ ĐỀ NGHỊ DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN TÀI LIỆU THAM KHẢO 80 90 95 95 97 99 100 101 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT AF AF BLAST Adaptive Filtering Array Factor Bell Laboratories Layered Space Time BPSK Binary Phase Shift Keying BTS Base Transceiver Station CCI Co-channel Interference CDMA Code Division Multiple Access CIB Conventional Interference Beamformer CP Cyclic Prefix DOA Direction of Arrival DS-CDMA Direct Sequence CDMA ESPRIT Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Technique FFT Fast Fourier Transform GMSK Gaussian Minimum Shift Keying GSM ICI IFFT IIB Global System for Mobile Communications Intercarrier Interference Inverse Fast Fourier Transform ISI LMS Improved Interference Beamformer Intersymbol Interference Least Mean Square LTE MAI MIMO Long Term Evolution Multple Access Interference Multiple Input Multiple Output MLE Maximum Likelihood Estimation MS MUSIC Mobile Station Multiple Signal Classification Lọc thích nghi Hệ số dàn anten Sản phẩm MIMO phịng thí nghiêm Bell, Mĩ Khóa dịch pha nhị phân Trạm gốc Nhiễu đồng kênh Đa truy cập theo mã Bộ tạo búp loại bỏ nhiễu truyền thống Tiền tố lặp Hướng sóng đến Trải phổ chuỗi trực tiếp Ước lượng tham số tín hiệu kỹ thuật xoay bất biến Biến đổi Fourier nhanh Khóa dịch pha tối thiểu Gauss Mạng di động GSM Nhiễu sóng mang Biến đổi ngược Fourier nhanh Bộ tạo búp nhiễu cải tiến Nhiễu xuyên ký tự Trung bình bình phương tối thiểu Sự tiến hóa dài hạn Nhiễu đa truy cập Nhiều đầu vào nhiều đầu Ước lượng theo hợp lệ cực đại Trạm di động Phân loại nhiều tín hiệu MVDR OFDM OFDMA OIB PAPR PIC Minimum Variance Distortionless Response Orthogonal Frequency Division Multiplexing Orthogonal Frequency Division Multiple Access Orthogonal Interference Beamformer Peak to Average Power Ratio QPSK Postbeamformer Interference Canceller Quadrature Phase Shift Keying SDMA Space Division Multiple Access SISO SNR TDMA W-CDMA Single Input Single Output Signal to Noise Ratio Time Division Multiple Access Wideband-Code Division Multiple Access Worldwide Interoperability for Microwave Access Wireless Local Area Network WiMAX WLAN Đáp ứng không méo phương sai tối thiểu Ghép theo tần số trực giao Đa truy cập theo tần số trực giao Bộ tạo búp nhiễu trực giao Tỷ số công suất đỉnh trung bình Bộ triệt nhiễu sau tạo búp sóng Khóa dịch pha cầu phương (4 trạng thái) Đa truy cập theo không gian Một đầu vào đầu Tỷ số tín tạp Đa truy cập theo thời gian Đa truy cập theo mã- băng rộng Truy cập vi ba tương thích tồn cầu Mạng cục vơ tuyến DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Hệ số suy giảm với môi trường khác Bảng 4.1 Xác suất vị trí trung bình, trường hợp Bảng 4.2 Xác suất vị trí trung bình, trường hợp Bảng 4.3 Dung lượng đường lên hệ thống OFDM/SDMA dùng loại anten khác Bảng 4.4 Dung lượng đường xuống hệ thống OFDM/SDMA dùng loại anten khác 12 87 87 90 94 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Mẫu tái sử dụng tần số 3x3x1 với tế bào trung tâm lớp tế bào xung quanh Hình 1.2 Sơ đồ khối hệ thống truyền dẫn OFDM Hình 1.3 Băng thơng hệ thống OFDM Hình 1.4 Sơ đồ khối hệ MIMO Hình 1.5 Sơ đồ kênh MIMO tương đương Hình 1.6 Sơ đồ kênh MIMO tương đương Hình 2.1 Hệ anten dàn Hình 2.2 Sơ đồ xử lý khơng gian búp sóng Hình 2.3 Anten thích nghi Hình 2.4 Sơ đồ lọc thích nghi băng rộng theo kiểu đường dây dẫn chậm phân đoạn Hình 2.5 Dàn anten mảng pha điều khiển búp sóng Hình 3.1 Phổ MUSIC với nguồn hướng 0o, 7o, 10o, 20o, 25o 30o Hình 3.2 Độ lệch chuẩn hướng đến nguồn thứ theo thay đổi hướng đến nguồn thứ hai Hình 3.3 Độ lệch chuẩn hướng đến nguồn thứ theo biến đổi mức SNR Hình 3.4 Đặc tính pha anten không tâm pha với d1  5 , d2  3 Hình 3.5 Đặc tính pha phần tử thứ  A ( ) hệ tọa độ cực Hình 3.6 Đặc tính pha phần tử thứ hai  B ( ) hệ tọa độ cực Hình 3.7 Phổ nguồn 0.2, radians mặt phẳng phương vị Đường liền nét với dàn anten tuyến tính đường đứt nét với dàn anten khơng tâm pha Góc quay anten khơng tâm pha 0.1 0.5 radians Hình 3.8 Phổ nguồn 0.2, radians mặt phẳng phương vị Đường liền nét với dàn anten tuyến tính đường đứt nét với dàn anten khơng tâm pha Góc quay anten khơng tâm pha 0.5 0.8 radians Hình 4.1 Cấu trúc dàn anten BTS truyền thống Hình 4.2 Cấu trúc dàn anten BTS 10 14 16 19 24 24 32 37 42 46 48 56 58 59 65 66 67 70 71 75 75 Hình 4.3 Cấu trúc thu phát song cơng dùng circulator Hình 4.4 Sơ đồ khối anten thu trạm gốc Hình 4.5 Sơ đồ khối anten phát người dùng Hình 4.6 Sơ đồ khối phần thu trạm gốc dùng anten mảng pha L phần tử kết hợp với hệ thống OFDM/SDM Hình 4.7 Xác suất vượt ngưỡng đường lên Hệ 2, trường hợp 1, N=2, 8, 16, 32, δ=30 Hình 4.8 Xác suất vượt ngưỡng đường lên Hệ 2, trường hợp 2, N=2, 8, 16, 32, δ=30 Hình 4.9 Xác suất vượt ngưỡng đường xuống Hệ 2, trường hợp 1, N=2, 8, 16, 32, δ=30 Hình 4.10 Xác suất vượt ngưỡng đường xuống Hệ 2, trường hợp 2, N=2, 8, 16, 32, δ=30 Hình 4.11Cấu trúc đường lên hệ MIMO 2x2-Adaptive-OFDM 10 76 77 79 82 89 88 99 93 96 Xác suất vượt ngưỡng đường xuống trường hợp 1, N=2,8,16, 32 100 200 300 400 15 độ 0.1 30 độ Pr(BER