Xử lí Anten Không gian Vô tuyến Di động.pdf

Xử lí Anten Không gian Vô tuyến Di động.pdf

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TẬP ĐOÀN BCVT VIỆT NAM HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG - NGUYỄN QUANG HƯNG XỬ LÝ ANTEN MẢNG THEO KHÔNG GIAN-THỜI GIAN TRONG THÔNG TIN VÔ TUYẾN DI ĐỘNG LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2006 -i- BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TẬP ĐOÀN BCVT VIỆT NAM HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG - NGUYỄN QUANG HƯNG XỬ LÝ ANTEN MẢNG THEO KHÔNG GIAN-THỜI GIAN TRONG THÔNG TIN VÔ TUYẾN DI ĐỘNG Chuyên Ngành: Mạng kênh thông tin liên lạc Mã số:2.07.14 LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS Đặng Đình Lâm TS Chu Ngọc Anh HÀ NỘI - 2006 -ii- Lời Cam Đoan Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu luận án trung thực chưa công bố đâu cơng trình khác Tác giả Nguyễn Quang Hưng -iii- Lời Cảm Ơn! Tôi xin bày tỏ lời biết ơn sâu sắc tới TS Đặng Đình Lâm TS Chu Ngọc Anh tận tình hướng dẫn suốt trình làm luận án Đặc biệt, bảo tận tình tạo điều kiện thuận lợi hoạt động nghiên cứu khoa học TS Đặng Đình Lâm có ý nghĩa vơ to lớn để tơi hồn thành luận án Tôi xin cảm ơn PGS TS Nguyễn Minh Dân dẫn, định hướng quan trọng từ xây dựng đề cương nghiên cứu Các kết mang tính thực tiễn cao có nhờ giúp đỡ tạo điều kiện nghiên cứu phòng thí nghiệm Hàn Quốc TS Phùng Văn Vận, TS Nguyễn Kim Lan, TSKH Nguyễn Ngọc San Tôi không cảm ơn TS Seung Chan Bang, TS Byung Han Ryu bạn đồng nghiệp Won Ik Kim, Il Guy Kim Phịng thí nghiệm thơng tin di động-Viện nghiên cứu Điện tử Viễn thông Hàn Quốc (ETRI) giúp đỡ q báu thời gian thực tập Xin cảm ơn Won ok Kwon- người bạn ln có cảm tình đặc biệt với Việt Nam liên tục giữ liên lạc với năm qua qua việc cung cấp tài liệu, trao đổi thông tin phát triển khoa học công nghệ lĩnh vực liên quan Viện ETRI Cảm ơn TS Danie van Wyk-Đại học Tổng hợp Nam Phi hỗ trợ để phát triển phần mềm mơ hệ thống W-CDMA từ phiên tuân theo tiêu chuẩn cũ ông Bên cạnh đó, sẵn sàng trao đổi, giúp đỡ GS.TS Hak Lim Ho- Đại học Tổng hợp Chon-An, Hàn Quốc giúp định hướng cách rõ ràng nghiên cứu Cuối cùng, xin cảm ơn bố mẹ, tất gia đình, bạn bè, người thân trực tiếp hay gián tiếp giúp đỡ, chia sẻ, động viên tơi nhiều để hoàn thành luận án -iv- Mục Lục Chữ Viết Tắt vii Mục lục Hình vẽ ix Mục lục Bảng biểu xii Mở Đầu Chương Tổng quan vấn đề nghiên cứu .4 1.1 Sơ lược trình phát triển kỹ thuật xử lý tín hiệu mảng 1.1.1 Sự phát triển kỹ thuật anten: 1.1.2 Tín hiệu miền thời gian, khơng gian 1.2 Xử lý không gian-thời gian thông tin di động 1.2.1 Mơ hình hệ thống khơng gian-thời gian 1.2.2 Môi trường thông tin di động 14 1.2.3 Mơ hình đánh giá kênh khơng gian-thời gian .21 1.2.4 Ưu, nhược điểm kỹ thuật xử lý không gian-thời gian 23 1.3 Phân loại anten 25 1.4 Đặt vấn đề nghiên cứu 27 Chương Kỹ thuật xử lý anten mảng 31 2.1 Kỹ thuật phân tập 31 2.1.1 Kết hợp tỉ lệ cực đại 36 2.1.2 Tăng ích phân tập 41 2.1.3 Tăng ích anten .42 2.1.4 Ảnh hưởng tương quan nhánh 43 2.2 Kỹ thuật tạo búp sóng 47 2.2.1 Chuyển búp sóng 47 2.2.2 Tạo búp sóng thích nghi 50 2.2.3 Các thuật tốn thích nghi 55 -v- 2.3 Thuật tốn tạo búp thích nghi có hỗ trợ kênh hoa tiêu cho đường lên DS-CDMA 59 2.3.1 Anten thông minh cho DS-CDMA 59 2.3.2 Mơ hình tín hiệu 61 2.3.3 Kết hợp theo không gian máy thu trạm gốc .64 2.4 Tổng kết chương 67 Chương Hiệu dung lượng anten thông minh hệ thống GSM 68 3.1 Đánh giá hiệu dung lượng sử dụng anten thông minh chuyển búp sóng 68 3.2 Kết tính số 72 3.2.1 Hiệu dung lượng với hệ thống AMPS 72 3.2.2 Hiệu dung lượng hệ thống GSM 74 3.2.3 Đề xuất mẫu tái sử dụng tần số cho mạng GSM Việt Nam sử dụng anten thông minh .76 3.3 Ảnh hưởng pha-đinh che khuất tới việc tái sử dụng tần số 77 3.3.1 Ảnh hưởng che khuất .82 3.3.2 Các vùng nhiễu 83 3.3.3 Đánh giá ảnh hưởng nguồn nhiễu đồng kênh thực tế 85 3.4 Hiệu dung lượng anten chuyển búp sóng với ảnh hưởng che khuất pha-đinh 90 3.5 Tổng kết chương 94 Chương Phối hợp kỹ thuật tạo búp phân tập cho hệ thống WCDMA 96 4.1 Hệ thống W-CDMA 96 4.1.1 Các đặc tính chủ yếu W-CDMA 97 -vi- 4.1.2 Kênh vật lý đường lên 98 4.1.3 Kênh vật lý đường xuống 100 4.1.4 Môi trường mô W-CDMA .102 4.2 Phối hợp kỹ thuật tạo búp sóng phân tập cho hệ thống W- CDMA 107 4.2.1 Chỉ tiêu kỹ thuật tạo búp sóng 107 4.2.2 Chỉ tiêu kỹ thuật phân tập thu 112 4.2.3 Đề xuất phối hợp kỹ thuật tạo búp phân tập cho hệ thống W-CDMA 115 4.3 Kết mô 117 4.4 Đo kiểm hệ thống thử nghiệm anten thông minh cho W-CDMA 119 4.4.1 Giới thiệu hệ thống thử nghiệm .119 4.4.2 Anten mảng thông minh 120 4.4.3 Cấu hình hệ thống điều kiện đo 122 4.4.4 Kết đo kiểm hệ thống thử nghiệm .129 4.5 Xử lý kết đo kiểm so sánh với kết mô 131 4.6 Tổng kết chương 133 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 134 Kết luận 134 Hướng phát triển tiếp theo: 135 Bài báo, Cơng trình cơng bố 136 Tài liệu tham khảo 138 Tiếng Việt 138 Tiếng Anh 139 -vii- Chữ Viết Tắt Tiếng Anh Tiếng Việt ABF Adaptive beam-forming Tạo búp sóng thích nghi AMPS Advanced Mobile Phone System Hệ thống điện thoại di động AMPS AWGN Additive White Gaussian Noise Tạp Gauss Trắng Cộng BER Bit Error Rate Tỉ lệ Lỗi Bít BLER Block Error Rate Tỉ lệ lỗi khối BPSK Binary Phase Shift Keying Khoá Chuyển Pha Nhị phân cdf Cumulative Distribution Function Hàm Phân bố Tích luỹ CIR Carrier-to-Interference Ratio Tỉ số cơng suất sóng mang nhiễu CNR Carrier-to-Noise Ratio Tỉ số công suất sóng mang tạp DIV Diversity Phân tập DPCH Dedicated Physical Channel Kênh vật lý dành riêng DPCCH Dedicated Physical Control Channel Kênh điều khiển vật lý dành riêng DPDCH Dedicated Physical Data Channel Kênh liệu vật lý dành riêng DS Direct Sequence Chuỗi trải phổ trực tiếp FDD Frequency Division Duplex Song công phân tần GSM Global System for Mobile Hệ thống thơng tin di động tồn cầu Communications GSM LMS Least Mean Square Trung bình Bình phương Nhỏ LOS Line Of Sight Nhìn thẳng MIMO Multiple-Input Multiple-Output Nhiều đầu vào Nhiều đầu MRC Maximum Ratio Combiner Bộ kết hợp Tỉ lệ Cực đại pdf probability density function Hàm mật độ xác suất RF Radio Frequency Cao tần / Tần số vô tuyến rms Root Mean Square Căn Trung bình Bình phương (Căn quân phương) SIR Signal-to-Interference Ratio Tỉ số tín hiệu nhiễu SIRtarget Signal-to-Interference Ratio Target Tỉ số tín hiệu nhiễu đích (được -viii- đặt trước phép đo) SNR Signal-to-Noise Ratio Tỉ số tín hiệu tạp TCP Trasmission Control Protocol Giao thức điều khiển truyền TDD Time Division Duplex Song công phân thời TDMA Time Division Multiple Access Đa truy nhập phân thời TDTD Time Division Transmit Diversity Phân tập phát theo thời gian UE User Equipment Thiết bị đầu cuối UMTS Universal Mobile Hệ thống thông tin di động UMTS Telecommunications System 3G sử dụng W-CDMA Wideband Code Division Multiple CDMA băng rộng W-CDMA Access -ix- Mục lục Hình vẽ Hình Hình 1.1 Tín hiệu khơng gian Hình 1.2 Mơ hình hệ thống thơng tin với N phần tử phát M phần tử Trang 11 thu mơi trường tán xạ Hình 1.3 Phân loại kỹ thuật xử lý không gian-thời gian anten thông 14 minh Hình 1.4 Phân loại anten thơng minh 27 Hình 2.1 Anten mảng phân tập M phần tử 34 Hình 2.2 Hàm phân bố tích luỹ γs so với γs/Г cho kỹ thuật kết hợp tỉ 40 lệ cực đại Hình 2.3 BER so với ‹γ› = MГ M thay đổi 42 Hình 2.4 Hai phần tử với tín hiệu tương quan 45 Hình 2.5 Ảnh hưởng tương quan nhánh lên phân bố công suất đầu 46 kết hợp tỉ lệ cực đại phân tập kép Hình 2.6 BER so với ‹γ› (dB) kết hợp tỉ lệ cực đại nhánh có pha- 47 đinh tương quan Hình 2.7 Anten mảng thích nghi 53 Hình 3.1 Mẫu tái sử dụng tần số thơng tin di động 69 Hình 3.2 Tăng dung lượng anten chuyển búp sóng cho nhà khai thác 73 AMPS có băng thơng 12,5 MHz, hệ số tái sử dụng N=7 Hình 3.3 Tăng dung lượng anten chuyển búp sóng cho nhà khai thác 74 AMPS có băng thông 12,5 MHz, hệ số tái sử dụng N=4 Hình 3.4 Tăng dung lượng anten chuyển búp sóng cho nhà khai thác 75 GSM có băng thơng MHz, hệ số tái sử dụng N=4 Hình 3.5 Tăng dung lượng anten chuyển búp sóng cho nhà khai thác GSM có băng thơng 12,5 MHz, hệ số tái sử dụng N=4 75 ... 1.1.2.2 Biểu di? ??n tín hiệu theo khơng gian- thời gian Tín hiệu có thêm chiều không gian (không gian- thời gian) biểu di? ??n [27, 38]: -7- s(t,x,y,z) = s(t,r) (1.7) r biểu di? ??n biến không gian (x,y,z)... với anten mảng kỹ thuật xử lý riêng theo miền không gian (vd: xác định hướng tới) [16] - Thập kỷ 1990: Kỹ thuật thu không gian- thời gian (kết hợp miền không gian thời gian) [29, 38] + 1996: Anten. .. phát triển kỹ thuật xử lý tín hiệu mảng 1.1.1 Sự phát triển kỹ thuật anten: 1.1.2 Tín hiệu miền thời gian, không gian 1.2 Xử lý không gian- thời gian thông tin di động 1.2.1