NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG ANTEN BEAMFORMING VÀOHỆ THỐNG UWB.LUẬN VĂN THẠC SỸ

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Học viên thực hiện: Trịnh Xuân Hoàng NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG ANTEN BEAMFORMING VÀO HỆ THỐNG UWB Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số Chuyên ngành: 60.52.02.03 LUẬN VĂN THẠC SỸ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS TS TĂNG TẤN CHIẾN Đà Nẵng - 2017 LỜI CAM ĐOAN Để hoàn thành luận văn này, em xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy PGS TS Tăng Tấn Chiến trực tiếp hướng dẫn cung cấp tài liệu thơng tin khoa học cần thiết, tận tình giúp đỡ động viên em suốt trình thực đề tài Xin gởi lời cảm ơn chân thành đến tập thể Thầy Cô giáo khoa Điện Tử Viễn Thông, trường Đại học Bách Khoa, thuộc Đại học Đà Nẵng tận tình truyền đạt kiến thức năm em học tập, giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi cho em suốt trình học tập hoàn thành đề tài Em cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng em Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Học viên thực i Mục lục Mục lục Danh mục từ viết tắt Danh mục hình vẽ Danh mục bảng biểu MỞ ĐẦU 1 TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ UWB VÀ ANTEN BEAMFORMING 1.1 Công nghệ UWB 1.1.1 Giới thiệu 1.1.2 Sơ lược lịch sử công nghệ UWB [8] 1.1.3 Đặc tả luật công nghệ UWB FCC qui định [5] 1.1.4 Các ưu điểm công nghệ UWB [5] 1.1.5 UWB định lí Shannon [5] 1.1.6 Dạng tín hiệu phổ tín hiệu [5] 1.1.7 Mặt nạ phổ (spectral mask) [5] 1.1.8 Các phương pháp điều chế 1.1.8.1 Điều chế theo vị trí xung PPM 10 1.1.8.2 Điều chế OOK – PAM 11 1.1.9 Đa truy cập UWB – đa truy cập theo kiểu nhảy thời gian [6] 12 1.1.9.1 Nhảy thời gian với tập nhảy lặp lại 12 ii 1.2 1.3 1.4 1.1.9.2 Nhảy thời gian với tập nhảy giả ngẫu nhiên 1.1.10 Sơ đồ khối phát UWB Anten Beamforming – Anten mảng thích nghi [4] [2] 1.2.1 Giới thiệu chung 1.2.2 Ưu điểm vượt trội 1.2.3 Lí thuyết mảng anten 1.2.3.1 Anten mảng tổng quát 1.2.3.2 Hệ Anten tuyến tính có xử lý tín hiệu 1.2.4 Phương pháp định tia thích nghi [4] 1.2.5 Phương pháp định tia tối ưu [4] 1.2.5.1 Định tia không ràng buộc (unconstrained beamformer) 1.2.5.2 Định tia có điều kiện ràng buộc Anten thích nghi băng rộng 1.3.1 Anten thích nghi dùng dây trễ [4] 1.3.2 Anten thích nghi băng tần [3] Kết luận chương 14 15 15 15 16 17 17 19 21 24 24 25 29 29 31 36 PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH TIA BẰNG CÁCH CHIA BĂNG CON Ở MIỀN TẦN SỐ ĐỂ ỨNG DỤNG ANTEN BEAMFORMING VÀO CÔNG NGHỆ UWB 37 2.1 Những hạn chế sử dụng anten đẳng hướng 37 2.2 Hạn chế phương pháp Beamforming thông thường 39 2.3 Giải pháp chia băng miền tần số 42 2.3.1 Cố định làm đồng búp tia hướng quan sát theo tần số [1] 43 2.3.2 Mỗi tần số có tập trọng số tối ưu riêng 44 2.3.3 Nhóm tần số lân cận thành băng [1] 45 2.3.4 Cập nhật trọng số theo phương pháp định tia tối ưu giải thuật LMS [4] 46 2.3.5 Sơ đồ khối mô giải thuật 48 2.3.5.1 Sơ đồ khối tính tốn trọng số tối ưu 49 2.3.5.2 Lưu đồ giải thuật khối ước lượng trọng số 50 2.4 Kết luận chương 52 MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 53 3.1 Các tham số mô 53 3.2 3.3 3.4 Các Các 3.3.1 3.3.2 3.3.3 3.3.4 Kết trường hợp thực mô mô nhận xét kết Hệ số mảng hệ anten SINR cải thiện số anten tăng Giảm xác suất lỗi bit Cải thiện dung lượng luận chương 55 56 56 58 60 62 64 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 64 Tài liệu tham khảo 67 Phụ lục TÓM TẮT LUẬN VĂN Luận văn thực đánh giá cải thiện dung lượng chất lượng hệ thống UWB cách ứng dụng anten beamforming Đối với băng cực rộng, băng tần rộng nên dẫn tới hệ số mảng dãy anten theo tần số khơng đồng đều, hướng tia khơng thể xoay vị trí quan sát miền tần số Vì giải thuật định tia băng hẹp áp dụng vào băng UWB Để khắc phục điều đó, luận văn sử dụng phương pháp định tia miền tần số sử dụng giải thuật định tia tối ưu băng hẹp Hệ thống UWB sử dụng để đánh giá chất lượng dung lượng UWB - TH - PAM Hệ thống truyền băng UWB với điều chế PAM, đa truy cập theo phương pháp nhảy thời gian Từ khóa: Anten beamforming, UWB - TH - PAM, phương pháp định tia miền tần số, đa truy cập theo phương pháp nhảy thời gian, phương pháp định tia tối ưu Abstract This lecture research about problem of improving quality and capacity of UWB technology by Beamforming Antennas For ultra wide band, due to the wide frequency band, the frequency range of the array of antennas is not uniform, and the direction of the beam can not be rotated to the correct position in all frequencies Therefore, narrowband beam solutions can not be applied immediately to UWB bands To overcome this, the lecture uses the frequency-domain-defining method and uses optimal beam in narrowband design The key solution to overcome those problem is to implement beamforming in frequency domain The choosen UWB system to evaluate quality and capacity is UWB - TH - PAM In which, the communication system is in UWB band, PAM modulation and time hopping multiaccess Keywords: Antenna beamforming, UWB - TH - PAM, the frequency-domaindefining method, time-hopping-multiaccess method, optimal beam design DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 AF BER BPM CDMA DFT FDMA LS MMSE NAMI OOK PAM PPM SDMA SINR SPNMI TDL TDMA TH – PAM ULA UWB Array Factor Bit Error Rate Biphase Modulation Code Division MultiAccess Discrete Frequency Transform Frequency Division MultiAccess Least Square Minimum Mean Square Estimation Noise Alone Matrix Inverse On Off Key Pulse Amplitude Modulation Pulse Position Modulation Space Division MultiAccess Signal to Interference plus Noise Ratio Signal Plus Noise Matrix Inverse Tapped Delay Loop Time division MultiAcess Time Hopping – Pulse Amplitude Modulation Uni Linear Arrays Ultra-Wideband Danh mục hình vẽ 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 1.10 1.11 1.12 1.13 1.14 1.15 1.16 1.17 2.1 2.2 Dạng xung vuông on – off nhanh b dạng xung Gauss đôi c Đạo hàm bậc xung Gauss đôi d Đạo hàm bậc dạng xung Gauss đôi [5] Dạng phổ tín hiệu tương ứng xung Gauss đôi vi phân bậc 1, vi phân bậc [5] Mặt nạ phổ tín hiệu UWB hoạt động chế độ indoor [5] Các giải pháp điều chế [5] a Chuỗi xung chưa điều chế, b Chuỗi xung điều chế PPM [5] a Chuỗi xung chưa điều chế, b Chuỗi xung điều chế theo PAM, c Chuỗi xung điều chế theo OOK [5] Mật độ phổ công suất với tập nhảy tuần hoàn tập nhảy giả ngẫu nhiên [6] Sơ đồ khối thu [5] Anten lưỡng cực ngắn hệ tọa độ [4] Anten mảng tuyến tính Anten mảng tuyến tính điều khiển pha [2] Cấu trúc mảng thích nghi [4] Các trọng số đặt anten để tối ưu hóa SNR [4] Cấu trúc TDL anten băng rộng [4] Mơ hình dãy anten hoạt động theo phương pháp chia băng [3] Khoảng cách anten không Băng thông chồng lấn tạo thành băng thơng tín hiệu [3] 8 10 10 11 14 15 18 19 20 22 24 30 33 33 34 Giản đồ tia anten đẳng hướng 39 Giản đồ lái tia τ = 1.63e − 9, L = 8, fL = 3GHz , góc quan sát = 60o 41 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 Sơ đồ khối giải pháp chia băng [4] Các tần số gần xếp thành băng, có trọng [1] Thuật tốn LMS có điều kiện ràng buộc [4] Sơ đồ khối hệ thống mô Sơ đồ khối tính tốn trọng số Lưu đồ thuật toán giải thuật cập nhật trọng số LMS số Giản đồ beam trường hợp định tia miền tần số định tia thông thường 3.2 Biểu đồ SINR ngõ ra, trường hợp can nhiễu 3.3 Biểu đồ SINR ngõ ra, trường hợp có nguồn nhiễu giao thoa 3.4 Biểu đồ SINR ngõ ra, trường hợp nhiễu giao thoa 3.5 BER anten đẳng hướng anten dùng giải thuật tối ưu DFT trường hợp có can nhiễu 3.6 BER anten đẳng hướng anten dùng giải thuật tối ưu DFT trường hợp có nhiễu giao thoa 3.7 BER anten đẳng hướng anten dùng giải thuật tối ưu DFT trường hợp có nhiễu giao thoa 3.8 Dung lượng (Mbps), trường hợp can nhiễu 3.9 Dung lương (Mbps), trường hợp nhiễu giao thoa 3.10 Dung lượng (Mbps), trường hợp nhiễu giao thoa 42 46 48 49 50 51 57 58 59 59 3.1 60 61 62 63 63 64 Danh mục bảng biểu 1.1 1.2 1.3 Bảng so sánh công suất, mật độ phổ công suất hệ thống [5] Biểu thức toán học dạng xung Gauss [5] Bảng thể nguyên tắc hoạt động đa truy cập theo mã nhảy 13 3.1 3.2 Các thông số mô 54 Các trường hợp khảo sát 56 54 Dạng xung Gauss chọn xung dạng đạo hàm bậc tín hiệu Gauss Thời τ tương ứng với tín hiệu có băng 500MHz τ = 1.63 × 10−9 Độ rộng xung tương ứng tín hiệu Tp = 0.815 × 10−9 (s) Đa truy cập theo phương pháp nhảy thời gian Bảng 3.1: Các thơng số mơ Băng thơng tín hiệu 500MHz Dạng xung tín hiệu Thời τ Độ rộng xung Tp Bảng mã nhảy thời gian Gauss vi phân bậc 1.63 × 10−9 s 0.815 × 10−9 s [0,1,2,3,4,5,6,7,8,9; 1,2,3,4,5,6,7,8,9,0; 2,3,4,5,6,7,8,9,0,1; 3,4,5,6,7,8,9,0,1,2; 4,5,6,7,8,9,0,1,2,3; 5,6,7,8,9,0,1,2,3,4; 6,7,8,9,0,1,2,3,4,5; 7,8,9,0,1,2,3,4,5,6; 8,9,0,1,2,3,4,5,6,7; 9,0,1,2,3,4,5,6,7,8;] Thời gian nhảy TH 1, 01875 × 10−9 s Thời gian chip (bit) TC 1, 01875 × 10−8 s Thời gian lấy mẫy TS Số băng Độ rộng băng 0, 0203 × 10−9 s 100 MHz Độ rộng khe thời gian nhảy TH (hopping time) phải thỏa mãn điều kiện lớn độ rộng xung tín hiệu, TH ≥ TS , TH chọn TH = 1.01875×10−9 (s) Tỉ số TTHC thời gian chip thời gian nhảy phải thỏa mãn điều kiện lớn giá trị mã nhảy lớn toàn bảng mã nhảy, TC TC TH ≥ max (hc (i, j)) Trong trường hợp TH ≥ 10, ta chọn TC = 10TH = 1.01875 × 10−8 (s) Thông thường tốc độ chip khác tốc độ bit, nhiên để dễ dàng mô phỏng, tốc độ chip với tốc độ bit Nói cách khác, thơng thường bit tín hiệu gồm nhiều chip, nhiên để dễ dàng mô phỏng, 55 tốc độ chip với tốc độ bit Nói cách khác bit tín hiệu có chip tương ứng Tần số lấy mẫu phải thỏa mãn điều kiện Nyquist lấy mẫu mà phải cho mơ gần dạng tín hiệu Gauss vi phân bậc Để mơ có kết xác, dạng xung tín hiệu sau lấy mẫu phải đảm bảo tương đối giống với dạng xung Gauss Thời gian lấy mẫu có giá trị TS = 0.0203 × 10−9 (s) Một xung Gauss có độ rộng thời gian mô tả rời rạc hóa thành 41 mẫu tương ứng Số lượng mẫu lớn nên đảm bảo cho việc mô đắn Bên cạnh đó, FCC qui định băng tần chiếm dụng tín hiệu UWB từ 3GHz đến 10GHz Băng thơng tín hiệu 500MHz dời lên để chiếm vùng 3GHz đến 3,5 GHz Số băng chia thành 100 băng con, với tần số đại diện cho băng tần số hạn băng Vậy, với băng 500 MHz chia thành 100 băng con, băng có độ rộng 5MHz Tỉ số băng thơng sóng mang ratio = 3000 ≤ 0.01 Do đó, băng băng hẹp theo cách hiểu FCC Tương ứng với việc dời băng lên vùng tần số cao Cấu trúc hình học dãy anten phải có cấu trúc tương ứng với miền tần số cao Cụ thể, khoảng cách phần tử chọn nửa bước sóng ứng với miền tần số 3,5 GHz d= 3.2 c × 108 λ = = = 0, 0428(m) 2f × 3.5 × 109 Các trường hợp thực mơ Chương trình thực đánh giá hoạt động hệ thống hai thông số SNR BER Để đánh giá so sánh cách đầy đủ, trường hợp sau đưa để tiến hành khảo sát Để dễ dàng quan sát cải thiện SNR BER hệ thống, đơn vị công suất chuẩn hóa, nhiễu trắng chọn mức thấp -35dB, cơng suất tín hiệu -27dB Nhiễu tác động vào hệ thống bao gồm nhiễu trắng hệ anten nhiễu giao thoa Trường hợp thứ nhất, nhiễu tác động gồm nhiễu trắng có cơng suất PN = -35dB nguồn nhiễu không tương quan Trường hợp thứ hai, nguồn nhiễu trắng có cơng suất -35dB; nhiễu giao thoa tác động gồm có nguồn khác Trường hợp thứ ba, nguồn nhiễu trắng công suất -35 dB, nguồn nhiễu giao thoa gồm nguồn nhiễu 56 Bảng 3.2: Các trường hợp khảo sát Thông số Trường hợp Trường hợp Trường hợp Góc quan sát phương vị 600 600 600 Góc quan sát nâng 900 900 900 Góc đến phương vị can nhiễu 450 450 ,1800 ,00 450 ,1800 ,00 ,1000 ,550 Góc đến đến nâng can nhiễu 900 900 900 -35dB -35dB -35dB 0dB 0dB 0dB Công suất nhiễu trắng Năng lượng bit 3.3 Các mô nhận xét kết 3.3.1 Hệ số mảng hệ anten Như đề cập chương 2, để ứng dụng giải pháp anten beamforming vào băng cực rộng, cần phải đảm bảo cho hệ số mảng hệ thống anten đảm bảo đồng theo tần số Hệ số mảng (1.23) không đồng có phụ thuộc vectơ lái tia vào tần số Sự bất đồng làm sai dạng giản đồ tia Chương đề cập đến điều chỉnh giản đồ tia theo hướng xạ ϕ0 miền tần số cách cung cấp trọng số miền trọng số công thức (2.16) Ở hình 3.1d, ta thấy với cách hướng tia xạ hướng cần quan sát theo kiểu băng hẹp (góc quan sát có giá trị 600 ) đường nối đỉnh hướng có xạ lớn theo tần số bị xiên Điều nghĩa hướng xạ thay đổi theo tần số Điều khơng thể chấp nhận dùng giải thuật tối thiểu can nhiễu theo hướng quan sát (Phương pháp đòi hỏi phải biết xác góc đến tín hiệu thu mong muốn) Hình 3.1c cho kết đường nối đỉnh thẳng, suy hướng quan sát, đáp ứng giống tất tần số Vì vậy, cung cấp trọng số định tia miền trọng số đảm bảo đồng hệ số mảng theo tần số, đảm bảo điều kiện để giải thuật định tia tối ưu thực Hình 3.1a khơng có nhấp nhơ theo trục tần số, trái lại hình 3.1b có nhấp nhơ theo tần số hướng hướng quan sát 57 30 40 20 PSD PSD 30 10 20 10 3500 3600 3400 3300 50 3000 -50 -50 -100 freg(MHz) DOA(deg) 3500 3500 3450 3450 3400 3400 3350 3350 3300 3300 3250 3200 3150 3100 3050 3050 -40 -20 20 40 60 80 DOA(deg) 3200 3100 -60 -100 3250 3150 -80 3000 (b) Giản đồ beam chỉnh tia thơng thường hệ trục ba chiều (góc đến, tần số, PSD) freg(MHz) freg(MHz) (a) Giản đồ beam chỉnh tia theo tần số hệ trục ba chiều (góc đến, tần số, PSD) 3000 -100 50 3200 3100 freg(MHz) 100 3400 100 3200 3000 -100 100 -80 DOA(deg) -60 -40 -20 20 40 60 80 100 DOA(deg) (c) Giản đồ beam chỉnh tia theo tần số hệ trục (góc đến, tần số) (d) Giản đồ beam chỉnh tia thơng thường hệ trục (góc đến, tần số) Hình 3.1: Giản đồ beam trường hợp định tia miền tần số định tia thông thường Điều giải thích sau: công thức (2.19) N −1 ψ X (fk , θ) = (j2πf ) Yg2 (fk ) ej sin (N ψ) sin (ψ) j N 2−1 ψ sin N dπ = (j2πfk ) Yg2 (fk ) e sin dπ fk f0 fk f0 (cos θ − cos θ0 ) − (cos θ − cos θ0 ) − fm f0 fm f0 cos θ0 cos θ0 Khi fk tần số nằm băng thứ j fm tần số biên cao băng j đó, với độ rộng băng 5MHz độ thay đổi tần số nhỏ nhiều so với khoảng cách tần số sóng mang f0 tần số bắt đầu phổ tia f1 Hơn băng cập nhật hướng thu mong muốn (cos θ − cos θ0 ) Như phụ thuộc AF vào tần số hướng quan sát 58 cải thiện công thức xạ điện trường phương pháp beamforming thông thường công thức (2.15) 3.3.2 SINR cải thiện số anten tăng Biểu đồ SINR ngõ cho thấy số anten mảng trường hợp tăng SINR ngõ cải thiện SNR vs interference, ps=−27dB, pn=−35dB, noise = Interference + WhiteNoise 40 L=1 L=4 L=6 L=8 30 SINR output(dB) 20 10 −10 −20 −30 12 15 18 21 24 27 30 33 EbNo(dB) Hình 3.2: Biểu đồ SINR ngõ ra, trường hợp can nhiễu SINR trường hợp anten đẳng hướng hồn tồn giống với SINR ngõ vào Vì đặc tuyến trường hợp L = gần tuyến tính Trường hợp nhiều anten số lượng anten tăng, SINR cải thiện So sánh hình thấy khơng đồng khoảng cách tăng SINR ngõ so với ngõ vào Ở hình (3.2) trường hợp L = 4, EbNo đầu vào tăng từ 0, 3, dB theo khoảng cách tăng 3dB đầu tăng khoảng 1dB Trong khoảng EbNo từ 0dB đến 9dB chưa thể rõ cải thiện SINR đầu ra, mức EbNo đầu vào cao hơn, SINR ngõ tăng rõ rệt 59 SNR vs interference, ps=−27dB, pn=−35dB, noise = Interference + WhiteNoise 40 L=1 L=4 L=6 L=8 30 SINR output(dB) 20 10 −10 −20 −30 12 15 18 21 24 27 30 33 EbNo(dB) Hình 3.3: Biểu đồ SINR ngõ ra, trường hợp có nguồn nhiễu giao thoa SNR vs interference, ps=−27dB, pn=−35dB, noise = Interference + WhiteNoise 40 L=1 L=4 L=6 L=8 30 SINR output(dB) 20 10 −10 −20 −30 10 12 15 18 21 24 27 30 33 EbNo(dB) Hình 3.4: Biểu đồ SINR ngõ ra, trường hợp nhiễu giao thoa Ở hình (3.2), (3.3), (3.4), EbNo ngõ vào cao SINR ngõ dãy anten song song với SINR anten đẳng hướng Theo công thức (1.71), (1.79) độ lợi SNR tỉ lệ thuận theo sơ phần tử anten SNR tồn tín hiệu tổng cơng suất tín hiệu tổng cơng suất nhiễu 60 tần số nên kết SINR ngõ tồn tín hiệu cải thiện tăng theo số lượng anten 3.3.3 Giảm xác suất lỗi bit Hình (3.5), (3.6), (3.7) cho thấy BER dãy anten có cải thiện so với anten đẳng hướng Đặc biệt L = xác suất lỗi bít giảm nhanh Ở hình 3.5, BER trường hợp dãy anten L = không cải thiện so với BER anten đẳng hướng Trong BER trường hợp L = giảm mạnh Bắt đầu EbNo từ 18dB trở xác suất lỗi bit trường hợp anten giảm mạnh BER vs interference, ps=−27dB, pn=−35dB, noise = Interference + WhiteNoise −1 10 −2 10 −3 BER 10 −4 10 −5 10 L=1 L=4 L=6 L=8 −6 10 12 15 18 21 24 27 30 33 EbNo(dB) Hình 3.5: BER anten đẳng hướng anten dùng giải thuật tối ưu DFT trường hợp có can nhiễu 61 BER vs interference, ps=−27dB, pn=−35dB, noise = Interference + WhiteNoise −1 10 −2 BER 10 −3 10 −4 10 L=1 L=4 L=6 L=8 12 15 18 21 24 27 30 33 EbNo(dB) Hình 3.6: BER anten đẳng hướng anten dùng giải thuật tối ưu DFT trường hợp có nhiễu giao thoa Khi lượng nhiễu tăng khác biệt trường hợp nhiều anten anten đẳng hướng rõ rệt Xác suất lỗi bit cải thiện tốt nhiều so với anten đẳng hướng Về mặt hình học giải thích số lượng anten tăng lượng nhiễu xâm nhập vào hệ thống phân tán khả lọc nhiễu máy thu tốt Xác suất lỗi bít giảm theo chiều tăng phần tử anten Điều giải thích sau: băng ta quan niệm băng hẹp, giải thuật tối ưu băng hẹp trình bày chương hai áp dụng vào nhóm tần số (băng con) Tại tần số đại diện đoạn băng con, ta thực tối thiểu hóa cơng suất nhiễu theo giải thuật LMS Hơn với tần số lấy mẫu cao tần số Nyquits loại bỏ 4/5 lượng nhiễu trắng 62 BER vs interference, ps=−27dB, pn=−35dB, noise = Interference + WhiteNoise −1 BER 10 −2 10 L=1 L=4 L=6 L=8 12 15 18 21 24 27 30 33 EbNo(dB) Hình 3.7: BER anten đẳng hướng anten dùng giải thuật tối ưu DFT trường hợp có nhiễu giao thoa 3.3.4 Cải thiện dung lượng Nếu chất lượng tín hiệu đánh giá qua xác suất lỗi bit BER, dung lượng hệ thống đánh giá qua công thức Shannon Do tăng băng thơng tín hiệu nên dung lượng tăng Do cải thiện SINR nên dung lượng tăng Tốc độ liệu tỉ lệ thuận với số anten, nhiên khảo sát BER dung lượng thấy đặc tuyến gần số lượng nhiễu tăng, tức BER dung lượng cải thiện với số lượng can nhiễu giới hạn Theo lý thuyết số lượng can nhiễu phải nhỏ L - Khi sử dụng giải pháp anten beamforming, dung lượng đường truyền tăng lên đáng kể so với trường hợp anten đẳng hướng 63 CAPACITY vs interference, ps=−27dB, pn=−35dB, noise = Interference + WhiteNoise 3000 L=1 L=4 L=6 L=8 2500 Capacity(Mbps) 2000 1500 1000 500 0 12 15 18 21 24 27 30 33 30 33 EbNo(dB) Hình 3.8: Dung lượng (Mbps), trường hợp can nhiễu CAPACITY vs interference, ps=−27dB, pn=−35dB, noise = Interference + WhiteNoise 3000 L=1 L=4 L=6 L=8 2500 Capacity(Mbps) 2000 1500 1000 500 0 12 15 18 21 24 27 EbNo(dB) Hình 3.9: Dung lương (Mbps), trường hợp nhiễu giao thoa Tại mức EbNo đầu vào 27dB hình 3.8 tốc độ liệu L = 2.2Gbps so với 500MBps L = Hình 3.9 1.8Gbps so với 500Mbps Hình 3.10 1.3Gbps so với 500Mbps 64 CAPACITY vs interference, ps=−27dB, pn=−35dB, noise = Interference + WhiteNoise 2000 L=1 L=4 L=6 L=8 1800 1600 Capacity(Mbps) 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 12 15 18 21 24 27 30 33 EbNo(dB) Hình 3.10: Dung lượng (Mbps), trường hợp nhiễu giao thoa 3.4 Kết luận chương Phần mô luận văn chứng tỏ sử dụng phương pháp định tia miền tần số đảm bảo hệ số mảng hệ anten đồng theo tần số Và anten mảng sử dụng phương pháp tối ưu LMS có xác suất lỗi bit dung lượng cải thiện anten đẳng hướng Mặt khác, SNR tỉ lệ thuận theo số phần tử anten L, tương ứng xác suất lỗi bit giảm theo chiều tăng phần tử anten Tốc độ liệu tỉ lệ thuận với số anten với điều kiện số lượng can nhiễu phải nhỏ L - 65 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI Kết luận: Với đề cập lí thuyết chương một, phương pháp định tia tần số chương hai, kết mô chương ba Luận văn đạt kết sau: • Luận văn đạt mục tiêu áp dụng phương pháp định tia tối ưu băng hẹp vào băng cực rộng miền tần số cách chia băng thông cực rộng thành nhiều băng hẹp với tần số đại diện tần số cao, búp tia xoay góc quan sát tần số Sau đó, trọng số băng tính tốn theo phương pháp định tia tối ưu có ràng buộc dùng giải thuật thích nghi LMS để xác định trọng số nhằm tối thiểu hóa cơng suất nhiễu • Về lý thuyết: + Khắc phục vấn đề không đồng hệ số mảng băng cực rộng Qua công thức (2.19) thể vấn đề băng hẹp ta khơng thể lái tia xạ hướng quan sát tần số với giải pháp định tia miền tần số làm cho búp tia đồng hướng quan sát + Giảm số lượng tính tốn cách nhóm tần số lân cận thành băng con, chọn tần số đại diện cho băng để tính tốn trọng số sau áp dụng cho tất tần số băng Kết dạng sóng ngõ khơng giống hồn tồn xấp xỉ lúc chưa nhóm thành băng • Về mơ phỏng: + Đảm bảo hướng xạ tần số để thực giải thuật tối thiểu can nhiễu theo hướng quan sát 66 + Có cải thiện dung lượng chất lượng đáng kể áp dụng phương pháp định tia băng hẹp cho băng cực rộng Phương pháp chuyển sang miền tần số DFT có ưu xử lí song song, trọng số để lái tia hướng quan sát áp vào tần số Với công nghệ vi điện tử nay, việc áp dụng phương pháp xử lí song song hồn tồn đáp ứng Hướng phát triển đề tài: Do giới hạn thời gian hoàn thành luận văn lực có hạn, tác giả chưa hiểu sâu sắc chất anten kỹ thuật beamforming tiên tiến hơn, nên luận văn có số điểm hạn chế là: • Thuật tốn LMS chưa đáp ứng tốc độ hội tụ môi trường nhiễu thay đổi nhanh rộng Do LMS phải giải tốn chọn giá trị µ, thỏa mãn điều kiện ổn định khơng thỏa mãn u cầu tốc độ ngược lại • Sử dụng phương pháp DFT nên khơng thể xử lí thời gian thực Phương pháp TDL có ưu thực xử lí thời gian thực, thời gian để hội tụ trọng số tối ưu lớn Trái lại, phương pháp xử lí miền tần số phải xử lí dạng khối tín hiệu có thời gian để hội tụ tối ưu nhanh Vì vậy, tác giả kiến nghị kết hợp hai mơ hình Cụ thể cập nhật trọng số tối ưu phương pháp miền tần số, sau chuyển trọng số sang miền thời gian tương ứng hệ thống hoạt động theo mơ hình TDL Giải pháp có triển vọng góp phần giảm chi phí phần cứng cải thiện tốc độ xử lí Nếu phương pháp định tia tối ưu băng hẹp áp dụng cho băng cực rộng có đem lại cải thiện phương pháp định tia khác triển khai Tuy cố gắng đạt mục tiêu đề song chắn không tránh khỏi thiếu sót q trình thực luận văn Tác giả mong nhận giúp đỡ đóng góp ý kiến tất thầy cô hội đồng bảo vệ để hồn thiện nghiên cứu 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Tuan Do – Hong, Franz Demmel, Peter Russer A Method for Wideband Direction of Arrival Estimation Using Frequency – Domain Frequency – Invariant Beamformer : An Analysis of Performance: IEEE Microwave and Wireless Components vol.14, No.8 August 2004 [2] GS.TSKH Phan Anh, Lý thuyết kỹ thuật anten Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội 2007 [3] Tadatomo Sato, Giuseppe Abreu, Ruyii Kohno : Beamforming Array Antennas with Heterogeneous Signal Distribution for UWB Pulse Transmission : Electronics and Communications in Japan, part 3, Vol.87, No.11 2004 [4] Lal Chand Godara www.crcpress.com Smart Antennas: CRCPress, website : [5] M Ghavami, L.B Michael, R.Kohno Ultra-wide band signals and system in communication engineering, 2nd edition Nhà xuất John Wileys and Sons, xuất năm 2004 [6] Nikolaus H Lemmans, Alexandre Haimovich Power Spectral Density of Time Hopping UWB signal: A Survey: CCSPR, ECE Departement, NewJersey Institute of Technology, 2003 [7] Keerthi A Kumbar Adaptive Beamforming Smart Antenna for Wireless Communication System:International Research Journal of Engineering and Technology (IRJET) Volume: 02, Issue: 03, June-2015 [8] Faranak Nekoogar Ultra-Wide Band Communications : Fundamental and Applications: Nhà xuất Prentice Hall, 2005