Anten thông minh và ứng dụng trong wcdma luận văn tốt nghiệp đại học

Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương IV.Đánh giá hiệu năng của anten thông minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG =====  ===== ĐỒ ÁN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: ANTEN THÔNG MINH VÀ ỨNG DỤNG TRONG WCDMA Gi¸o viªn híng dÉn: Th.s NGUYỄN THỊ MINH Sinh viªn thùc hiÖn : NGUYỄN VĂN HẢI Líp : 47K - Điện tử viễn thông 1 Vinh 05 -2011 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương IV.Đánh giá hiệu năng của anten thông minh MỤC LỤC MỤC LỤC 1 DANH MỤC CÁC HÌNH 3 DANH MỤC CÁC BẢNG . 5 THUẬT NGỮ VÀ TỪ VIẾT TẮT 6 LỜI NÓI ĐẦU . 9 CHƯƠNG IV. ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG CỦA ANTEN THÔNG MINH TẠI MÁY DI ĐỘNG 5 4.1. Hiệu năng của kết hợp phân tập 5 4.1.1. Môi trường mô phỏng .5 4.1.2. Các kết quả mô phỏng trong mô hình kênh GBSB 6 4.2. Hiệu năng của kết hợp tương thích 10 4.2.1. Các kết quả mô phỏng cho AC .10 4.3. Hiệu năng của kết hợp lai ghép .11 4.3.1. Môi trường mô phỏng cho mô hình GBSB 11 4.3.2. Hiệu năng của HC đối với mô hình GBSB 12 4.4. Tổng kết .15 TÀI LIỆU THAM KH¶O 19 DANH MỤC CÁC BẢNG 20 THUẬT NGỮ VÀ TỪ VIẾT TẮT 24 CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ ANTEN THÔNG MINH .27 1.1. Mở đầu .27 1.2. Hệ thống anten thông minh 27 1.2.1. Khái niệm 27 1.5. Các tham số dàn anten 39 1.6. Ưu điểm của Anten thông minh trong thông tin di động .41 1.6.1. Giảm trải trễ và pha đinh đa đường .41 1.6.2. Giảm nhiễu đồng kênh 41 1.6.3. Tăng dung lượng hệ thống và cải thiện hiệu suất phổ .41 1.6.4. Tăng hiệu suất truyền dẫn .42 1.6.5. Giảm chuyển giao 42 1.6.6. Mở rộng tầm sóng .43 CHƯƠNG II. CÁC KỸ THUẬT TRONG ANTEN THÔNG MINH 45 2.1. Kết hợp phân tập .45 2.1.1. Phân tập chuyển mạch .46 2.1.2. Phân tập lựa chọn (SD) .47 2.1.3. Phân tập kết hợp tỷ lệ tối đa (MRC) .48 2.1.4. Kết hợp độ lợi cân bằng (EGC) .50 2.1.5. Tổng kết 51 2.2. Kỹ thuật tạo búp sóng .52 2.2.1. Ví dụ về tạo búp sóng 53 2 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương IV.Đánh giá hiệu năng của anten thông minh 2.2.2. Các loại tạo búp sóng 55 CHƯƠNG III. ANTEN THÔNG MINH TẠI MÁY DI ĐỘNG TRONG HỆ THỐNG WCDMA 72 3.1. Tổng quan về công nghệ W-CDMA 72 3.3. Anten thông minh tại máy di động .75 3.3.1. Các lược đồ kết hợp 79 3.3.1.1. Kết hợp phân tập .79 3.3.1.2. Kết hợp tương thích 80 3.3.1.3. Kết hợp lai ghép .83 3.3.2. Mô hình kênh 84 3.3.2.1. Giới thiệu chung về mô hình kênh 84 3.3.2.2. Tương quan đường bao 87 3.3.2.3. Mô hình kênh pha đinh tương quan không gian và mô hình kênh pha đinh tương quan không chặtCHƯƠNG IV. ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG CỦA ANTEN THÔNG MINH TẠI MÁY DI ĐỘNG .88 4.1. Hiệu năng của kết hợp phân tập 88 4.1.1. Môi trường mô phỏng .88 4.1.2. Các kết quả mô phỏng trong mô hình kênh GBSB 90 4.2. Hiệu năng của kết hợp tương thích 93 4.2.1. Các kết quả mô phỏng cho AC .94 4.3. Hiệu năng của kết hợp lai ghép .95 4.3.1. Môi trường mô phỏng cho mô hình GBSB 95 4.3.2. Hiệu năng của HC đối với mô hình GBSB 96 4.4. Tổng kết .99 TÀI LIỆU THAM KH¶O 102 3.3.3. Thủ tục lấy profile kênh sử dụng GBSB 106 3.4. Tổng kết 110 CHƯƠNG II. CÁC KỸ THUẬT TRONG ANTEN THÔNG MINH . 28 2.1. Kết hợp phân tập 28 2.1.1. Phân tập chuyển mạch . 29 2.1.2. Phân tập lựa chọn (SD) 30 2.1.3. Phân tập kết hợp tỷ lệ tối đa (MRC) . 31 2.1.4. Kết hợp độ lợi cân bằng (EGC) . 33 2.1.5. Tổng kết . 33 2.2. Kỹ thuật tạo búp sóng 35 2.2.1. Ví dụ về tạo búp sóng . 36 2.2.2. Các loại tạo búp sóng . 38 2.2.2.1. Tạo búp sóng tương tự . 38 2.2.2.2. Tạo búp sóng số . 39 2.2.2.3. Tạo búp sóng không gian phần tử 39 2.2.2.4. Tạo búp sóng không gian – búp sóng 41 2.3. Các kỹ thuật điều khiển đồ thị phương hướng anten 44 2.3.1. Kỹ thuật chuyển búp sóng. . 44 2.3.2. Kỹ thuật tạo búp sóng thích nghi 46 3 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương IV.Đánh giá hiệu năng của anten thông minh 2.3.2.1. Thuật toán thích ứng 47 2.3.2.2. Thuật toán bình phương trung bình tối thiểu (LMS) 49 2.3.2.3. Thuật toán đệ quy bình phương tối thiểu (RLS) 50 2.3.2.4. Thuật toán nghịch đảo ma trận mẫu (SMI) . 51 2.3.3. So sánh Anten chuyển búp sóng và Anten thích nghi . 52 2.4. TỔNG KẾT 54 CHƯƠNG III. ANTEN THÔNG MINH TẠI MÁY DI ĐỘNG TRONG HỆ THỐNG WCDMA . 55 3.1. Tổng quan về công nghệ W-CDMA . 55 3.2. Cấu trúc tổng quát của hệ thống W-CDMA. . 57 3.3. Anten thông minh tại máy di động 58 3.3.1. Các lược đồ kết hợp . 61 3.3.1.1. Kết hợp phân tập . 61 3.3.1.2. Kết hợp tương thích . 63 3.3.1.3. Kết hợp lai ghép . 65 3.3.2. Mô hình kênh 66 3.3.2.1. Giới thiệu chung về mô hình kênh 66 3.3.2.2. Tương quan đường bao 69 3.3.2.3. Mô hình kênh pha đinh tương quan không gian và mô hình kênh pha đinh tương quan không chặt . 70 3.3.3. Thủ tục lấy profile kênh sử dụng GBSB . 72 3.3.3.1. Mô hình GBSB 72 3.3.3.2. Thủ tục lấy profile kênh sử dụng GBSB . 74 3.4. Tổng kết . 76 CHƯƠNG IV. ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG CỦA ANTEN THÔNG MINH TẠI MÁY DI ĐỘNG . 77 4.1. Hiệu năng của kết hợp phân tập . 77 4.1.1. Môi trường mô phỏng . 77 4.1.2. Các kết quả mô phỏng trong mô hình kênh GBSB 78 4.2. Hiệu năng của kết hợp tương thích 81 4.2.1. Các kết quả mô phỏng cho AC . 82 4.3. Hiệu năng của kết hợp lai ghép 83 4.3.1. Môi trường mô phỏng cho mô hình GBSB 83 4.3.2. Hiệu năng của HC đối với mô hình GBSB . 84 4.4. Tổng kết 86 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN . 88 TÀI LIỆU THAM KH¶O . 90 4 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương IV.Đánh giá hiệu năng của anten thông minh CHƯƠNG IV. ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG CỦA ANTEN THÔNG MINH TẠI MÁY DI ĐỘNG 4.1. Hiệu năng của kết hợp phân tập Các kết quả mô phỏng để đánh giá hiệu năng của máy di động có anten thông minh kép sử dụng lược đồ phân tập trong hệ thống W-CDMA được trình bày trong phần này. 4.1.1. Môi trường mô phỏng Một tín hiệu từ một trạm gốc truyền lan thông qua kênh. Có hai mô hình kênh, SCFCM và LCFCM, như mô tả trong chương 3 được sử dụng để mô phỏng. Mô hình đường tròn và elip GBSB được sử dụng để tạo proflie kênh của tín hiệu đa đường. Các tín hiệu nhận được tại anten kép của máy di động được đưa đến bộ thu rake sau khi được sửa dạng xung bởi bộ lọc FIR, như biễu diễn trong hình 4-1. Bộ kết hợp phân tập kết hợp đầu ra của bộ thu rake sử dụng lược đồ kết hợp phân tập (Chỉ có phân tập mức rake được xét đến ở đây). Ba lược đồ phân tập, SD, EGC và MRC, được xem xét trong mô phỏng của chúng ta. Đối với MRC, tín hiệu đầu ra được tính toán theo a a b b+ , [6] với a và b là hai tín hiệu đầu ra của bộ thu rake. Chúng ta gọi nó là kết hợp theo bình phương (SLC). 5 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương IV.Đánh giá hiệu năng của anten thông minh Hình 4.1: Bộ thu anten thông minh kép với bộ kết hợp phân tập [6]. Trong mô phỏng của chúng ta, đầu ra của bộ kết hợp phân tập được quyết định cứng hoặc 1 hoặc 0, và so sánh với các bit dữ liệu ban đầu để đánh giá hiệu năng của hệ thống theo BER. Để đơn giản, chúng ta mô hình hoá nhiễu từ các cell lân cận là tạp âm Gaussian trắng cộng (AWGN) Môi trường trong mô phỏng gồm các bước sau. Các tham số mô hình được gọi là tham số cơ bản trong phần này được giả thiết như sau. Khoảng cách giữa hai anten trong máy di động là λ/4 (3.5 cm). Khoảng cách từ trạm gốc mong muốn đến trạm di động là 2000 m trong mô hình đường tròn GBSB, và trễ đa đường lớn nhất là 35 chip. Trong mô hình elip GBSB, khoảng cách từ trạm gốc mong muốn đến trạm di động là 800 m, và độ trễ truyền lan lớn nhất là 20 chip. Vận tốc di chuyển là 60km/h, tạo ra tần số Doppler lớn nhất là 119 Hz với tần số sóng mạng là 2.14 Ghz. Hệ số trải phổ của 8 người sử dụng là 32 và tín hiệu kênh hoa tiêu chung (CPICH) phân kênh kết hợp, ngẫu nhiên hoá, sửa xung và phát đi trên kênh. 20% công suất phát được phân cho CPICH, và 80% còn lại được chia đều cho các người sử dụng. Bốn tín hiệu đa đường với dạng kênh đạt được từ mô hình GBSB đến tại anten của máy di động. Một bộ thu rake với ba rake finger được xem xét tại máy di động [6]. 4.1.2. Các kết quả mô phỏng trong mô hình kênh GBSB Mô hình kênh GBSB được sử dụng để tạo ra các dạng kênh trong mô phỏng. Các kết quả mô phỏng với bao lược đồ kết hợp và hai loại mô hình kênh được giới thiệu trong hình 4.2. Đối với anten kép, EGC là tốt nhất trong ba lược đồ kết hợp phân tập. Để so sánh, hiệu năng của hệ thống anten thông minh với lược đồ kết hợp phân tập EGC trên hai mô hình kênh và hiệu năng của hệthống đơn anten được 6 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương IV.Đánh giá hiệu năng của anten thông minh trình bày trong hình 4.2 (c). Như dự đoán, trong LCFCM thì độ lợi hiệu năng cao hơn trong SCFCM. Cần chú ý là BER sẽ bão hoà khi lớn hơn một mức E b /N 0 nhất định trong cả anten đơn và kép, tức là, tăng công suất phát trên một ngưỡng E b /N 0 nhất định sẽ không làm giảm BER. Điều này được lý giải là công suất phát tăng sẽ làm tăng mức tín hiệu của các tín hiệu đa đường, tức là, công suât của các tín hiệu nhiễu tăng. (a) BER trong SCFCM 7 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương IV.Đánh giá hiệu năng của anten thông minh (b) BER trong LCFCM Hình 4.2: BER với các lược đồ phân tập và hai mô hình kênh Dựa trên những nguyên về phân tập, chúng ta cho rằng MRC chắc chắn hoạt động tốt hơn EGC. Tuy nhiên, các kết quả mô phỏng cho thấy EGC hoạt động tốt hơn MRC. Có thể phân tích được nguyên nhân này như sau. Trong 8 (c) ng gi i h n BER v i EGCĐườ ớ ạ ớ Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương IV.Đánh giá hiệu năng của anten thông minh mô hình kênh của chúng ta, công suất trung bình của tín hiệu kết hợp từ mỗi một anten là như nhau. Trong SCFCM, hai tín hiệu đa đường từ mỗi một anten chỉ khác nhau về pha, nhưng chúng có cùng công suất tín hiệu. Trong LCFCM, hai tín hiệu đa đường từ mỗi một anten có pha đinh Rayleigh độc lập. Do đó, chúng có công suất tín hiệu tức thời khác nhau, nhưng công suất tín hiệu trung bình thì vẫn giống nhau. Điều này cũng có nghĩa là SNR của các tín hiệu anten giống nhau. Do đó, EGC hoạt động hiệu quả hơn MRC vì mỗi một anten có SNR trung bình như nhau. đối với MRC (hay SLC), chúng ta sử dụng giá trị tín hiệu cộng tạp âm thay thế cho SNR như là một nhân tố trọng số. Vì ước tính kênh không chính xác do nhiễu, kết hợp phân tập với hệ số trọng số (S + N) không thoã mãn được những mong muốn như trong lý thuyết. Vì vậy, hiệu năng của MRC thấp hơn so với EGC. Trong môi trường thực, công suất tín hiệu trung bình của hai anten không bằng nhau. Trong môi trường thực, MRC có thể hoạt động tốt hơn EGC. Các kết quả sau cho thấy MRC với hệ số trọng số SNR hoạt động tốt hơn EGC nếu tỷ số SNR trung bình của hai anten là 2:1, như thấy trong bảng 4.1 SNR của anten1 Anten 1 Anten 2 EGC MRC với (S+N) MRC với SNR -15 dB 18.6% 26.4% 14.9% 15.9% 13.5% -13 dB 11.3% 18.1% 7.2% 8.0% 6.4% -11 dB 4.5% 8.0% 1.6% 2.1% 1.5% 9 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương IV.Đánh giá hiệu năng của anten thông minh Bảng 4.1: So sánh hiệu năng của EGC và MRC 4.2. Hiệu năng của kết hợp tương thích Các kết quả mô phỏng để đánh giá hiệu năng của các máy di động sử dụng hệ thống anten kép với lược đồ kết hợp tương thích trong hệ thống 3GPP được giới thiệu trong phần này. Một bộ kết hợp tương thích kết hợp các đầu ra bộ phận tương ứng của hai anten với các trọng số anten thích hợp đạt được dựa trên thuật toán N-LMS. 4.2.1. Các kết quả mô phỏng cho AC Các kết quả mô phỏng cho kết hợp tương thích với mô hình đường tròn và elip GBSB được trình bày trong hình 4.3. Hình 4.3(a) và4.3(b) biễu diễn hiệu năng của hệ thống anten kép với dạng kênh đạt được từ mô hình đường tròn và elip GBSB tương ứng. Như có thể thấy từ hình vẽ, hệ thống anten kép với kết hợp tương thích hoạt động tốt hơn hệ thống anten đơn trong cả mô hình đường tròn và elip. 10 . ĐẠI HỌC TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: ANTEN THÔNG MINH VÀ ỨNG DỤNG TRONG WCDMA Gi¸o viªn híng dÉn: Th.s NGUYỄN THỊ MINH Sinh viªn thùc hiÖn : NGUYỄN VĂN HẢI. tốt nghiệp Đại học Chương IV.Đánh giá hiệu năng của anten thông minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG =====  ===== ĐỒ ÁN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI