Đang tải... (xem toàn văn)
Luận án trình bày các nội dung chính sau: Giới thiệu tổng quan về BF; Quy trình tổng quát để xây dựng các bộ BA_ABF để đặt điểm “không” sử dụng các mảng anten ULA; Ba bộ BA_ABF được phát triển để đặt điểm “không” cho ứng dụng chống nhiễu.
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Tống Văn Luyên NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN CÁC BỘ ĐỊNH DẠNG VÀ ĐIỀU KHIỂN BÚP SĨNG THÍCH NGHI ĐỂ CHỐNG NHIỄU TRONG CÁC ANTEN THÔNG MINH Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông Mã số: 62 52 02 08 TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ CƠNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ, TRUYỀN THƠNG Hà Nội - 2017 Cơng trình hồn thành tại: Trường Đại học Cơng Nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Trương Vũ Bằng Giang Phản biện: ………………………………………………………… ……………………………………………………… Phản biện: ………………………………………………………… ……………………………………………………… Phản biện: ………………………………………………………… ……………………………………………………… Luận án bảo vệ trước Hội đồng cấp Đại học Quốc gia chấm luận án tiến sĩ Trường Đại học Công Nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội vào hồi phút, ngày tháng năm 2018 Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Quốc gia Việt Nam - Trung tâm Thông tin- Thư viện, Đại học Quốc gia Hà Nội Mở đầu I Đặt vấn đề Kỹ thuật định dạng điều khiển búp sóng (BF) cho phép anten thông minh nâng cao khả phủ sóng, truyền liệu, hiệu sử dụng phổ tần chống nhiễu Đây nhân tố sống cịn hệ thống thơng tin vơ tuyến Ngày nay, tăng nhanh chóng số lượng thiết bị không dây gây nhiễu nghiêm trọng mơi trường truyền sóng điện từ Để giải thách thức này, anten thông minh với khả đặt điểm “không” giản đồ xạ xem giải pháp triển vọng Tuy nhiên, giải pháp gặp số thách thức độ phức tạp tính tốn địi hỏi cơng cụ tính tốn tối ưu hiệu Các kỹ thuật tối ưu ứng dụng rộng rãi BF để tổng hợp giản đồ xạ mảng anten bao gồm đặt điểm “không” Để khắc phục hạn chế kỹ thuật tối ưu truyền thống, nhiều kỹ thuật toán tối ưu có nguồn gốc từ thiên nhiên phát triển ví dụ thuật tốn di truyền (GA: genetic algorithm) thuật toán tối ưu bầy đàn (PSO: particle swarm optimization) Các thuật toán đề xuất thực thi ứng dụng đặt điểm “không” với ưu nhược điểm riêng Nhìn chung, việc áp dụng thuật toán việc thực đặt điểm “khơng” cịn gặp số thách thức tốc độ tính tốn hiệu Gần đây, thuật toán Dơi (BA: Bat algorithm) đề xuất dự đặc tính hoạt động lồi Dơi Thuật tốn áp dụng cho BF lần năm 2016 cho thấy công cụ tối ưu đầy triển vọng cho BF thích nghi khả tính tốn Như vậy, phát triển BF thích nghi cho ứng dụng chống nhiễu thách thức nhà nghiên cứu việc cải thiện tốc độ tính tốn khả đặt điểm “khơng” Những vấn đề cịn tồn động lực cho nghiên cứu luận án II Mục đích, đối tượng phạm vi nghiên cứu II.1 Mục đích - Nghiên cứu đề xuất quy trình tổng quát để xây dựng BF thích nghi dựa thuật tốn BA (BA_ABF) cho ứng dụng chống nhiễu dùng mảng anten tuyến tính cách (ULA) anten thông minh - Dựa quy tình tổng quát, phát triển 03 BA_ABF cho ứng dụng chống nhiễu dùng mảng anten ULA với ba kỹ thuật đặt điểm “không” khác nhau: điều khiển biên độ, điều khiển pha, điều khiển biên độ pha II.2 Đối tượng phạm vi nghiên cứu Tổng hợp giản đồ xạ mảng anten, kỹ thuật BF thích nghi, thuật tốn tối ưu có nguồn gốc từ thiên nhiên, ứng dụng chống nhiễu sử dụng BF III Ý nghĩa khoa học thực tiễn nghiên cứu - Đề xuất quy trình tổng quát để xây dựng BA_ABF cho ứng dụng chống nhiễu dùng mảng anten ULA anten thông minh - Phát triển ba BA_ABF sử dụng kỹ thuật điều khiển biên độ, điều khiển pha điều khiển biên độ pha cho ứng dụng chống nhiễu Ra đa mạng thông tin vô tuyến Ba BA_ABF thực thi cho mảng ULA 20 phần tử Kết cho thấy, BA_ABF có khả đặt xác điểm, nhiều điểm “khơng”, khoảng “khơng” rộng hướng có nhiễu Ngồi ra, chúng cịn có khả nén búp phụ trì hướng độ rộng búp IV Cấu trúc luận án Luận án gồm phần mở đầu, ba chương, phần kết luận Chương giới thiệu tổng quan BF Chương trình bày quy trình tổng quát để xây dựng BA_ABF để đặt điểm “không” sử dụng mảng anten ULA Trong Chương 3, ba BA_ABF phát triển để đặt điểm “không” cho ứng dụng chống nhiễu Chương Tổng quan định dạng điều khiển búp sóng Chương trình bày tổng quan BF, sở kỹ thuật BF bao gồm mơ hình ứng dụng, sở tốn học, kỹ thuật tối ưu có liên quan tới nội dung luận án 1.1 Beamforming for Smart Antennas Trong anten thông minh, BF sử dụng kết hợp với mảng anten để đặt hệ anten định hướng Các hệ anten định hướng có khả tập trung lượng xạ thu nhận theo hướng xác định không gian Năng lượng thu nhận xạ theo khơng gian này, cịn gọi “búp sóng”, có nhờ q trình điều khiển điện sử dụng BF nhằm tăng cường tín hiệu mong muốn hướng xác định giảm thiểu tín hiệu khơng mong muốn (nhiễu) hướng khác Trong BF, tín hiệu tương ứng với phần tử mảng điều khiển theo nguyên tắc định Sự điều khiển nhằm định dạng điều khiển búp sóng mảng anten theo cách sau: (i) định dạng lái búp sóng hướng mong muốn, (ii) nén búp phụ, (iii) đặt điểm “khơng” hướng khơng mong muốn Nói chung, tham số điều khiển thông dụng biên độ, pha, biên độ pha trọng số tác động vào phần tử mảng Các tham số điều khiển gọi “trọng số” Cấu trúc đơn giản BF số phía thu biểu diễn Hình 1.4 Các BF thực tác động trọng số vào tín hiệu thu nhằm làm thay đổi biên độ pha chúng cho tín hiệu tổng hợp thành tín hiệu đầu mong muốn Các BF số thay đổi giá trị trọng số (ݓ ) nhằm hướng búp sóng hướng mong muốn thay đổi búp sóng để tối ưu hiệu hệ thống Như vậy, linh hoạt BF số cho phép thực thi BF thích nghi có khả thay đổi đáp ứng cách tự động theo điều kiện khác ứng dụng rộng rãi thực tế Hình 1.4 Sơ đồ khối BF số phía thu 1.2 Cơ sở tốn học anten thơng minh 1.2.1 Quan hệ hình học Phần trình bày mối quan hệ hình học tín hiệu mảng anten tun tính 1.2.2 Mơ hình anten thơng minh dùng mảng tuyến tính Phần trình bày mơ hình anten thơng minh dùng mảng tuyến tính Nếu phần tử mảng đồng với giản đồ xạ, f0(θ,φ), giản đồ xạ mảng, f(θ,φ), tính tốn ngun tắc nhân giản đồ xạ sau: ݂ሺߠ, ߮ሻ = ݂ ሺߠ, ߮ሻܨܣሺߠ, ߮ሻ Hệ số mảng (AF) biểu diễn bởi: Trong đó: ܨܣሺߠ, ߮ሻ = ݁ ் ݓሺߠ, ߮ሻ ࢝ = ሾݓ ݓଶ … ݓெିଵ ሿ் (1.11) (1.12) (1.13) Là véc tơ trọng số, T ký hiệu phép chuyển vị ma trận, ݁ሺߠ, ߮ሻ = ሾ1 ݁ ௗ௦ఏ௦ఝ … ݁ ሺெିଵሻௗ௦ఏ௦ఝ ሿ் (1.14) véc tơ lái Ngoài ra, đầu thời điểm (n), y(n), xác định kết hợp tuyến tính liệu M phần tử thời điểm n: ݕ ሺ݊ሻ = ࢝ு ࢞ሺ݊ሻ (1.16) Trong đó: H ký hiệu phép chuyển vị ma trận Hermitian; ࢞ሺ݊ሻ = ሾݔ ሺ݊ሻ ݔଵ ሺ݊ሻ … ݔெିଵ ሺ݊ሻሿ் véc tơ tín hiệu nhận 1.3 Kỹ thuật định dạng điều khiển búp sóng tối ưu 1.3.1 Các kỹ thuật tối ưu truyền thống Sai số bình phương trung bình nhỏ tiêu chí tối ưu sử dụng rộng rãi để phát triển phát triển thuật tốn BF thích nghi Nghịch đảo ma trận mẫu, Trung bình bình phương tối thiều Bình phương tối thiểu đệ quy.Phương pháp xác định trọng số Dolph-Chebyshev sử dụng phổ biến việc nén búp phụ đồng mức mức xác định trước đảm bảo giảm thiểu độ rộng xạ không (first-null beamwidth) 1.3.2 Tối ưu có nguồn gốc từ thiên nhiên 1.3.2.1 Phương pháp tối ưu có nguồn gốc từ thiên nhiên Sự kết hợp thuật tốn có nguồn gốc từ thiên nhiên (thuật tốn tối ưu tồn cục), kỹ thuật tính tốn trường điện từ, xử lý máy giải pháp triển vọng để giải tốn anten thơng minh mạng thông tin vô tuyến 1.3.2.2 Thuật toán Dơi Thuật toán Dơi đề xuất Xin-She Yang năm 2010 giải pháp tối ưu hiệu lấy cảm hứng từ đặc tính sinh tồn khả sử dụng hiệu ứng Hình 1.8 Lưu đồ thuật tốn BA vang sóng siêu âm để cảm nhận khoảng cách lồi Dơi Lưu đồ thuật tốn BA trình bày Hình 1.8 Với thuật tốn BA, thời điểm t, dơi (i) xác định tham số vị trí ݔ௧ , vận tốc ݒ௧ , tần số ݂ , âm lượng sóng siêu âm ܣ௧ , tần suất phát sóng siêu âm ݎ௧ khơng gian tìm kiếm d-chiều Trong trình hoạt động, giải pháp vị trí vận tốc thời điểm t xác định bởi: ݂ = ݂ + ሺ݂௫ − ݂ ሻߚ ݒ௧ = ݒ௧ିଵ + ൫ݔ௧ − ∗ݔ൯݂ ݔ௧ = ݔ௧ିଵ + ݒ௧ (1.18) (1.19) (1.20) Trong ߚ ∈ ሾ0,1ሿ véc tơ ngẫu nhiên phân bố đều; ∗ݔlà vị trí tốt (giải pháp) xác định cách so sánh tất giải pháp tất dơi đàn Để tìm kiếm cục bộ, giải pháp cho dơi tạo xung quanh giải pháp tốt tối ưu lựa cách sử dụng bước nhảy ngẫu nhiên sau: (1.21) ݔ௪ = ݔௗ + ߝܣ௧ ௧ Trong ߝ ∈ ሾ0,1ሿ số ngẫu nhiên, ܣlà giá trị âm lượng trung bình tất dơi thời điểm t Ngồi ra, q trình lặp liên tục, âm lượng ܣ tần suất ݎ xung phát cập nhật công thức sau: (1.22) ܣ௧ାଵ = ߙܣ௧ (1.23) ݎ௧ାଵ = ݎ ሾ1 − exp ሺ−ߛݐሻሿ Trong đó: < α < < γ số 1.4 Kết luận chương Chương trình bày tổng quan BF, sở kỹ thuật BF bao gồm mơ hình ứng dụng cho anten thơng minh sở tốn học BF dùng mảng ULA trình tổng hợp giản đồ xạ mảng Ngoài ra, kỹ thuật tối ưu cho BF phân tích tập trung vào ưu tiềm thuật toán tối ưu có nguồn gốc từ thiên nhiên, đặc biệt BA Những nội dung áp dụng để đưa đề xuất chương Chương Quá trình tổng quát để phát triển định dạng điều khiển búp sóng thích nghi cho ứng dụng chống nhiễu Trong chương này, quy trình tổng quát đề xuất để xây dựng BA_ABF cho ứng dụng đặt điểm “không” dùng mảng anten ULA Đề xuất trình bày công bố khoa học [1-3] 2.1 Xác định toán Các BA_ABF cho ứng dụng chống nhiễu phát triển theo đặc trưng sau: - Hoạt động dựa nguyên lý Chương Bộ BA_ABF hoạt động với ước lượng hướng sóng tới; - Áp dụng để đặt điểm “khơng” cho mảng ULA gồm: điểm, nhiều điểm “không”, khoảng “khơng” rộng hướng nhiễu; - Có khả trì hướng độ rộng búp sóng đồng thời nén búp sóng phụ 2.2 Xây dựng hệ số mảng Hình 2.4 Quy trình tổng quát để xây dựng BA_ABF Hình 2.1 biểu diễn mảng ULA với hệ số mảng xác định bởi: ே ܨܣሺߠሻ = ݓ ݁ ୀିே ௗ௦ሺఏሻ ே = ܽ ݁ ሺௗ௦ሺఏሻାఋ ሻ ୀିே (2.1) Trong đó: ݓ = ݓ + ݆ݓ = ܽ ݁ ఋ trọng số phức phần tử mảng thứ n; ݇ = ଶగ ఒ số sóng; λ bước sóng; d khoảng cách hai phần tử liền kề 2.3 Kỹ thuật đặt điểm “không” Xét ba cách điều khiển để đặt điểm “không”: điều khiển biên độ, điều khiển pha, điều khiển biên độ pha 2.3.1 Kỹ thuật điều khiển biên độ Hình 2.1 Mảng ULA gồm 2N phần tửs Với kỹ thuật điều khiển biên độ, trọng số lựa chọn sau: ܽି = ܽ ߜ = Như vậy, trọng số số thực đối xứng qua tâm mảng Hệ số mảng (2.1) viết lại thành ே ܨܣሺߠሻ = ܽ cos൫݊݀݇݊݅ݏሺߠሻ൯ ୀଵ (2.4) Kỹ thuật đặt điểm “không” áp dụng để phát triển BA_ABF phần 3.2 Chương 2.3.2 Kỹ thuật điều khiển pha Với kỹ thuật này, ܽି = ܽ and ߜି = −ߜ , hệ số mảng (2.1) biến đổi thành ே ܨܣሺߠሻ = ܽ cos ሺ݊݀ߢ݊݅ݏሺߠሻ + ߜ ሻ ୀଵ (2.6) Trong đó: ܽ cố định ߜ tham số cần tối ưu Kỹ thuật đặt điểm “không” áp dụng để phát triển BA_ABF phần 3.3 3.5 Chương Với kỹ thuật điều khiển biên độ pha, ܽି = ܽ ߜି = −ߜ , hệ số mảng xác định theo (2.6) ܽ ߜ tham số cần tối ưu Kỹ thuật đặt điểm “không” áp dụng để phát triển BS_ABF phần 3.4 Chương 2.3.3 Điều khiển biên độ pha - Bước 2: Phân tích đặc trưng mảng ULA để xây dựng hệ số mảng phần 2.2 - Bước 3: Lựa chọn kỹ thuật đặt điểm “không” phù hợp với ứng dụng mong muốn phần 2.3 - Bước 4: Phát triển hàm mục tiêu đáp ứng yêu cầu toán Hàm mục tiêu sử dụng nghiên cứu trình bày phần 2.4 - Bước 5: Xây dựng thuật tốn BF thích nghi phần 2.5 - Bước 6: Phát triển BA_ABF cho ứng dụng chống nhiễu minh họa phần 2.6 Mặc dù quy trình tổng quát đề xuất dựa BA, khơng bị giới hạn vào BA, mà cịn áp dụng cho nhiều thuật tốn có nguồn gốc thiên nhiên khác ví dụ GA APSO 2.8 Kết luận chương Trong chương này, trình tổng quát để xây dựng BA_ABF đề xuất cho kỹ thuật đặt điểm “không” dùng mảng ULA từ bước xác định toán tới phát triển BF Quá trình áp dụng để phát triển ba BA_ABF cho ứng dụng chống nhiễu Chương 11 Chương Phát triển định dạng điều khiển búp sóng thích nghi dựa thuật toán BA cho ứng dụng chống nhiễu Trong chương này, áp dụng quy trình tổng quát Chương 2, ba BA_ABF phát triển để đặt điểm “không” dùng mảng ULA với kỹ thuật điều khiển biên độ, điều khiển pha, điều khiển biên độ pha Đề xuất trình bày công bố [1-4] 3.1 Các danh mục sử dụng chung định dạng điều khiển búp sóng đề xuất Để đơn giản, ba BA_ABF đề xuất đặt tên sau: - AMP_BA_ABF điều khiển biên độ; - PHA_BA_ABF điều khiển pha; - CW_BA_ABF điều khiển biên độ pha Các danh mục chung tất BA_ABF giới thiệu gồm: mảng anten ULAs với 20 phần tử vô hướng anten lưỡng cực nửa bước sóng; kỹ thuật đặt điểm “khơng”; hàm mục tiêu (2.9); hệ số mảng tham chiếu; tham số thuật toán APSO, GA, BA Giản đồ xạ minh họa với độ phân giải độ Giản đồ xạ với độ phân giải 0.1 độ trường hợp đa điểm “không” bổ sung mục D.2 Phụ lục D 3.2 Bộ định dạng điều khiển búp sóng sử dụng kỹ thuật điều khiển biên độ 3.2.1 Sơ đồ khối Áp dụng quy trình Chương 2, sơ đồ khối AMP_BA_ABF sử dụng kỹ thuật điều khiển biên độ biễu diễn Hình 3.1 Trong đó, biên độ a-n = an tham số biến đổi pha δn =0 Mảng ULA với 20 phần tử vô hướng 12 3.2.2 Kết bàn luận Để minh chứng cho khả độ linh hoạt BA_ABF đề xuất cho ứng dụng chống nhiễu, kịch được Các tham số chung cho tất kịch là: số lượng dơi đàn Hình 3.1 Sơ đồ AMP_BA_ABF (pop): 1000; số lần lặp (ite): 20 (ngoại trừ kịch 1) Kết mơ phịng giá trị trung bình mô Monte Carlo với 1000 lần kịch 100 lần kịch khác 3.2.2.1 Đặc tính hội tụ Trong kịch số 1, khả hội tụ BF dựa BA, APSO, GA kiểm chứng Để thực hiện, BF sử dụng để đạt giản đồ xạ tối ưu mảng Chebyshev Hình 3.2 So sánh hàm mục tiêu BF xây dựng BA, PSO, GA gồm 20 phần tử SLL = -30 dB Ngoài ra, giá trị khởi tạo dơi đàn ngẫu nhiên, ite = 100 Hình 3.2 cho thấy AMP_BA_AMP đạt hội tụ nhanh hẳn so với dựa APSO GA 3.2.2.2 Giản đồ xạ với điểm “không” Trong kịch 2, giản đồ xạ tối ưu với điểm “không” tạo Điểm “khơng” đặt vị trí không gian hoạt động, trường hợp điểm “không” lựa chọn đỉnh mức búp phụ thứ hai (140) Tham số vị trí đàn dơi khởi tạo trọng số mảng Chebyshev 20 phần tử 13 SLL=-30dB Kết Hình 3.3 cho thấy giản đồ xạ tối ưu thu nhờ AMP_BA_ABF giữ hầu hết đặc trưng giản đồ xạ mảng Chebyshev độ rộng búp sóng nửa cơng suất (HPBW = 7,640), SLL (-30dB) ngoại trừ mức búp phụ thứ với SLL=-27dB điểm “không” θi=140 với độ sâu mức “không” (NDL: Null Depth Level) đạt -90.6 dB Cần lưu ý giản đồ xạ có điểm “khơng” θi= -140 tính chất đối xứng hệ số mảng (2.4) Hơn nữa, điểm “không” đạt đề xuất tốt so với giản đồ xạ thu từ BF xây dựng APSO (giản đồ xạ APSO) GA (giản đồ xạ GA) NDL 3.2.2.3 Giản đồ xạ với nhiều điểm “không” Trong kịch 3, giản đồ xạ tối với nhiều điểm “không” góc lựa chọn 140, 260, 330 biểu thị Hình 3.4 Từ kết cho thấy, tất NDL nhỏ -71dB SLL gần với mức giản đồ xạ mảng Chebyshev ngoại trừ mức búp phụ thứ thứ (SLL tối đa: -20.5dB) Giản đồ xạ tối ưu thu nhờ đề xuất tốt so với giản đồ xạ APSO GA NDL Hình 3.3 Giản đồ xạ tối ưu với cặp điểm “khơng”đối xứng 140 Hình 3.4 Giản đồ xạ với ba cặp điểm “không” đối xứng 140, 260, 330 3.2.2.4 Giản đồ xạ với khoảng “khơng” rộng Nếu hướng sóng đến nhiễu biến đổi chậm theo thời gian khơng xác định xác, điểm “không” cần điều chỉnh liên tục để đạt tỷ số tín hiệu nhiễu cần thiết, khoảng “không” rộng cần tạo Trong kịch 4, giản đồ xạ tối ưu với khoảng “khơng” rộng dải góc ߠ ∈ ሾ20 , 50 ሿ được thực minh hoạt Hình 3.5 Có thể thấy NDL khoảng “khơng” rộng đạt NDL tối thiểu < -63 dB 14 Búp gần không đổi, SLL tối đa đạt -18.3dB Giản đồ xạ tối ưu nhờ đề xuất tốt giản đồ xạ APSO GA NDL Để giữ mức SLL với giá trị xác định (ví dụ -30dB) đồng thời có khoảng “khơng” rộng dải góc [200, 500], kịch thực Trong đó, giản đồ xạ tham chiếu (2.9) thay giản đồ xạ mảng Chebyshev với SLL=-49dB Hình 3.5 Giản đồ xạ tối ưu với cặp khoảng “không” rộng đối xứng [200, 500], búp khơng đổi SLL tối đa =-18.3 dB Hình 3.6 Giản đồ xạ với cặp khoảng “khơng” đối xứng [200, 500], búp mở rộng SLL ≤ -30 dB Từ kết mơ phỏng, có “đánh đổi” SLL độ rộng búp sóng chính, kiểm sốt mức SLL nhỏ hơn, độ rộng búp sóng lớn 3.2.3 Tóm lược Trong phần 3.2, AMP_BA_ABF phát triển thực thi cho mảng ULA 20 phần tử vơ hướng để đặt điểm “khơng” thích nghi Nhìn chung, so với BF xây dựng APSO GA, AMP_BA_ABF đề xuất vượt trội tốc độ hoạt động khả đặt điểm “không” giản đồ xạ mảng Bộ AMP_BA_ABF trình bày báo [2] 3.3 Bộ định dạng điều khiển búp sóng sử dụng kỹ thuật điều khiển pha 3.3.1 Sơ đồ khối Sơ đồ khối PHA_BA_ABF đề xuất trình bày hình Hình 3.7 với biên độ cố định đối xứng a-n = an, δ-n = -δn (biến), mản ULA 20 phần tử lưỡng cực nửa bước sóng 3.3.2 Kết bàn luận Tham số khởi tạo tất thuật toán sử dụng: pop: 1000, ite: 20 (ngoại trừ kịch 1) Kết mô giá trị 15 trung bình mơ Monte Carlo với 1000 lần cho kịch 100 lần cho kịch khác 3.3.2.1 Đặc tính hội tụ Trong kịch (giống kịch phần 3.2.2.1), giá trị khởi tạo dơi đàn ngẫu nhiên, dải giá trị cho biến pha từ –π đến π Kết mơ Hình 3.8 cho thấy PHA_BA_ABF đề xuất hội tụ nhanh so với BF xây dựng APSO GA Hình 3.7 Sơ đồ PHA_BA_ABF Hình 3.8 So sánh hàm mục tiêu BF xây dựng BA, PSO, and GA Hình 3.9 Giản đồ xạ tối ưu với điểm “không” 140 Hình 3.10 Giản đồ xạ tối ưu với ba điểm “không” -480, 200, 400 3.3.2.2 Giản đồ xạ với điểm “không” Trong kịch (giống kịch phần 3.2.2.2), biến pha có giá trị dải (-0.5, 0.5) radian Hình 3.9 biểu diễn giản đồ xạ tối ưu với điểm “không” đặt 140 (NDL=-87.15 dB) giữ hầu hết đặc trưng giản đồ xạ mnagr Chebyshev ngoại trừ số búp phụ với mức SSL cao 24.48dB Tổng quát, giản đồ xạ tối ưu nhờ PHA_BA_ABF ưu điểm khác dựa APSO GA NDL 16 3.3.2.3 Giản đồ xạ với nhiều điểm “không” Với kịch 3, PHA_BA_ABF sử dụng để đặt nhiều điểm “không” -480, 200, 400 Hình 3.10 Tất NDL nhỏ -73dB, SLL nhỏ -24dB, độ rộng búp sóng tương tự giản đồ xạ mảng Chebyshev Giản đồ xạ tối ưu nhờ PHA_BA_ABF đặt điểm “không” với mức NDL tốt so với từ APSO GA 3.3.2.4 Giản đồ xạ với khoảng “không” rộng Trong kịch 4, giản đồ xạ tối ưu với khoảng “không” rộng thực biểu diễn Hình 3.11 Kế cho thấy giản đồ xạ tối ưu tốt giản đồ Hình 3.11 Giản đồ xạ tối ưu với xạ từ APSO GA khoảng khơng rộng từ 300 tới 400 NDL 3.3.3 Tóm lược Trong phần 3.3, PHA_BA_ABF phát triển thực thi cho mảng ULA 20 phần tử lưỡng cực nửa bước sóng để chống nhiễu Xét tổng thể, PHA_BA_ABF hiệu xây dựng APSO GA tốc độ hội tụ khả đặt điểm “khơng” Bộ PHA_BA_ABF trình bày báo [1] 3.4 Bộ định dạng điều khiển búp sóng sử dụng kỹ thuật điều khiển biên độ pha 3.4.1 Sơ đồ khối Sơ đồ khối CW_BA_ABF cho mảng ULA 20 phần tử vô hướng biểu diễn Hình 3.12 Biên độ pha trọng số điều khiển với a-n = an δ-n = -δn 3.4.2 Kết bàn luận Tham số khởi tạo thuật toán BF (BA, APSO) lựa chọn cho tất kịch khảo sát: pop: 500; ite: 100; biến pha có giá trị khoảng từ -0.1 đến 0.1 radian, giá tị biến biên độ dải từ tới 17 Kết mơ giá trị trung bình mô Monte Carlo với 1000 lần cho kịch 50 lần cho kịch khác 3.4.2.1 Đặc tính hội tụ Trong kịch Figure 3.12 Diagram of CW_BA_ABF (giống kịch phần 3.2.2.1), CW_BA_ABF có tốc độ hội tụ nhanh hẳn xây dựng APSO (Hình 3.14) 3.4.2.2 Giản đồ xạ với điểm “khơng” Hình 3.14 So sánh hàm mục tiêu BF xây dựng BA APSO Trong kịch (giống kịch phần 3.2.2.2), kết mơ Hình 3.15 chứng tỏ ưu CW_BA_ABF so với BF xây dựng APSO khả đặt điểm “không” 3.4.2.3 Giản đồ xạ với nhiều điểm “không” Trong kịch 3, CW_BA_ABF sử dụng để đặt nhiều điểm “khơng” góc (-330, -260, -140), (-400, 200, 400) biểu diễn Hình 3.6 Hình 3.7 Giản đồ xạ tối ưu nhờ đề xuất tốt so với dùng BF xây dựng APSO NDL 3.4.2.4 Giản đồ xạ với khoảng “không” rộng Trong kịch 4, giản đồ xạ với khoảng “không” rộng đặt dải góc ([-500, -200]), ([-300, -200] [450, 600]) thực biểu diễn Hình 3.18 Hình 3.19 18 Hình 3.15 Giản đồ xạ tối ưu với điểm “không” 140 Hình 3.16 Giản đồ xạ tối ưu với ba điểm “khơng” -330, -260, -140 Hình 3.17 Giản đồ xạ tối ưu với ba điểm “khơng” -400, 200, 400 Hình 3.18 Giản đồ xạ tối ưu với khoảng “không” rộng từ -500 tới -200 Hình 3.19 Giản đồ xạ tối ưu với hai khoảng “không” rộng [-300, -200] [450, 600] Figure 3.20 Giản đồ xạ tối ưu với hai khoảng “không” rộng [-300, -200] [450, 600] với SLL ≤ -30 dB Để giữ mức SLL với giá trị xác định (ví dụ -30dB) đồng thời có hai khoảng “khơng” rộng dải góc [-300, -200] [450, 600], kịch thực biểu diễn Hình 3.20 Kết cho thấy có “đánh đổi” SLL độ rộng búp sóng chính, kiểm sốt mức SLL nhỏ hơn, độ rộng búp sóng lớn Đánh giá chung, giản đồ xạ tối ưu nhờ đề xuất tốt so với dùng xây dựng từ APSO NDL 3.4.3 Tóm lược Trong phần 3.4, CW_BA_ABF phát triển thực thi cho mảng ULA 20 phần tử vô hướng để đặt điểm “không” cho ứng dụng chống nhiễu Nhìn chung, so với BF xây dựng APSO, CW_BA_ABF đề xuất vượt trội tốc độ hoạt động khả đặt điểm “không” giản đồ xạ mảng Bộ CW_BA_ABF trình bày báo [3] 19 3.5 Ảnh hưởng tác động tương hỗ phần tử mảng Ma trận trở kháng tương hỗ phần tử mảng ULA lưỡng cực nửa bước sóng tính tốn bởi: ܼ 73.1291 + 42.5446݆ ݂݅ ݉ = ݊ = ቐ 30ሾ2ܥ ሺݑ ሻ − ܥ ሺݑଵ ሻ − ܥ ሺݑଶ ሻሿ − (3.1) 30݆ሾ2ܵ ሺݑ ሻ − ܵ ሺݑଵ ሻ − ܵ ሺݑଶ ሻሿ ݂݅ ݉ ≠ ݊ Khi xét tới tác động tương hỗ, dòng điện I tác động vào phần tử tính tốn từ điện áp tới V theo cơng thức: ܼ ܸ = ܫ (3.2) Trong đó: Z xác định theo công thức (3.1) Trong phần này, PHA_BA_ABF lựa chọn để khảo sát ảnh hưởng tác dụng tương hỗ Để thực hiện, ba kịch (tương tự kịch phần từ Hình 3.21 Giản đồ xạ tối ưu 3.3.2.2 tới 3.3.2.4) thực (điểm “không”: -480, 200, 400) kết mơ biểu có tác động tương hỗ Bảng 3.2 NDL SLL lớn giản diễn Hình 3.21 Bảng đồ xạ kịch có khơng 3.2 Bangr 3.2 trình bày có tác động tương hỗ giá trị NDL SLL lớn BA (dB) Kịch Tham số Ideal MC tương ứng khơng có tác NDL 14 -87.15 -66.00 Một điểm động tương hỗ (Ideal) có “khơng” SLL lớn -24.48 -24.52 tác động tương hỗ (MC) NDL at - 480 -73.24 -49.73 Kết cho thấy điểm Nhiều 200 -73.48 -54.17 điểm “khơng” đặt 400 -74.68 -51.63 “khơng” xác vị trí mong muốn SLL lớn -24.35 -25.51 với NDL nông NDL lớn -69.06 -51.55 Khoảng “không” NDL nhỏ rộng SLL lớn 20 -52.00 -40.01 -20.69 -20.64 3.6 Tóm lược Để thuận tiện cho việc tham khảo, BA_ABF đề xuất trình bày tóm tắt với đặc điểm [1-4]: - Bộ AMP_BA_ABF đơn giản thực thi phù hợp với thiết kế anten thông minh điều khiển biên độ trọng số Số lượng phần tử điều khiển giảm nửa so với số lượng phần tử anten Các điểm “không” đặt đối xứng qua tâm giản đồ xạ dẫn đến hình thành điểm “khơng” khơng cần thiết Phát sinh thêm chi phí áp dụng cho mảng pha có - Bộ PHA_BA_ABF ý áp dụng trực tiếp cho hệ thống mảng pha có mà khơng phát sinh chi phí phần cứng Giới hạn đề xuất khơng có khả đặt hai điểm “khơng” đối xứng qua tâm giản đồ không hiệu việc đặt khoảng “không” rộng (lớn 100 mảng ULA 20 phần tử khảo sát) - Bộ CW_BA_ABF hiệu linh hoạt Tuy nhiên phức tạp so với hai AMP_BA_ABF PHA_BA_ABF 3.7 Kết luận Chương Trong chương này, ba BA_ABF phát triển thực thi để đặt điểm “không” giản đồ xạ dùng mảng ULA hướng nhiễu Khả đạt ba cách điều khiển biên độ, điều khiển pha, điều khiển biên độ pha trọng số Các BA_ABF có khả giúp anten thơng minh đặt xác một, nhiều điểm “khơng”, khoảng “khơng” rộng hướng nhiễu cần triệt Ngoài ra, PHA_BA_ABF có khả đặt điểm “khơng” trường hợp có tác động tương hỗ phần tử anten lưỡng cực nửa sóng mảng ULA Đánh giá tổng quát, BA_ABF đề xuất hoạt động nhanh hiệu trình đặt điểm “không” so với BF xây dựng APSO GA 21 Kết luận hướng phát triển Nghiên cứu luận án nhằm phát triển BA_ABF dùng mảng anten ULA anten thông minh Cụ thể hơn, nghiên cứu tập trung vào việc nâng cao khả chống nhiễu, ứng dụng quan trọng BF mạng thông tin vô tuyến Để thực hiện, trước hết, trình tổng quát để xây dựng BA_ABF có khả đặt điểm “không” giản đồ xạ mảng anten ULA đề xuất Quy trình thực thơng qua bước như: xác định tốn; xây dựng hệ số mảng; áp dụng kỹ thuật đặt điểm “không”; xây dựng hàm mục tiêu; xây dựng thuật tốn BF thích nghi dựa BA; phát triển BF thích nghi Tiếp theo, q trình áp dụng để phát triển ba BA_ABF cho ứng dụng chống nhiễu Các BA_ABF sử dụng kỹ thuật đặt điểm “không” gồm điều khiển biên bộ, điều khiển pha, điều khiển biên độ pha Hiệu BA_ABF đề xuất kiểm chứng tốc độ hoạt động khả đặt điểm “không” giản đồ xạ ba kịch gồm: điểm “không” hướng bất kỳ, nhiều điểm “không”, khoảng “không” rộng (với độ sâu điểm “khơng” trung bình tối đa tới 90.6dB) Ngồi ra, BF cịn nén búp phụ đồng thời trì hướng độ rộng búp sóng Đánh giá chung, BF đề xuất hoạt động nhanh hiệu so với BF xây dựng GA APSO việc đặt điểm “không” giản đồ xạ Các kết luận án: (1) Đề xuất quy trình tổng quát để xây dựng BA_ABF cho ứng dụng chống nhiễu dùng mảng anten ULA anten thơng minh Quy trình thực thơng qua bước gồm: xác định toán; xây dựng hệ số mảng; kỹ thuật đặt điểm “không”; xây dựng hàm mục tiêu; chuyển đổi BA thành thuật toán BF; phát triển BF thích nghi 22 (2) Áp dụng quy trình đề xuất để phát triển 03 BA_ABF cho mảng anten ULA để chống nhiễu sử dụng kỹ thuật đặt điểm “không”: điều khiển biên độ, điều khiển pha điều khiển biên độ pha trọng số Cụ thể: (i) Phát triển AMP_BA_ABF cho ứng dụng chống nhiễu sử dụng kỹ thuật điều khiển biên độ trọng số Bộ BA_ABF đề xuất cho mảng ULA 20 phần tử vô hướng thực thi kiểm chứng khả đặt điểm “không” Kết mô cho thấy, AMP_BA_ABF đề xuất có khả đặt xác điểm, nhiều điểm “không”, khoảng “không” rộng hướng nhiễu, đồng thời làm giảm mức búp phụ trì hướng độ rộng búp sóng Nhìn chung, Bộ AMP_BA_ABF đề xuất nhanh có hiệu tốt BF thích nghi xây dựng GA APSO Ngoài ra, AMP_BA_ABF đơn giản thực thi Số lượng suy hao cần có thời gian tính tốn giảm nửa so với tiêu chuẩn thông thường (ii) Phát triển PHA_BA_ABF cho ứng dụng chống nhiễu sử dụng kỹ thuật điều khiển pha trọng số Bộ PHA_BA_ABF đề xuất cho mảng ULA 20 phần tử dipole nửa bước sóng thực thi kiểm chứng khả đặt điểm “không” Kết mô cho thấy, PHA_BA_ABF đề xuất có khả đặt xác điểm, nhiều điểm “không”, khoảng “không” rộng hướng nhiễu, đồng thời làm giảm mức búp phụ trì hướng độ rộng búp sóng Tổng quan, Bộ PHA_BA_ABF đề xuất nhanh có hiệu tốt BF thích nghi xây dựng GA APSO Ngoài ra, PHA_BA_ABF đề xuất gần với ứng dụng thực tiễn sử dụng phần tử dipole có xét tới ảnh hưởng tác động tương hỗ phần tử 23 mảng Hơn nữa, đề xuất áp dụng cho mảng pha có mà khơng tốn thêm chi phí phần cứng với thời gian tính tốn giảm nửa (iii) Phát triển CW_BA_ABF cho ứng dụng chống nhiễu sử dụng kỹ thuật đồng thời điều khiển biên độ pha trọng số Bộ CW_BA_ABF đề xuất cho mảng ULA 20 phần tử vô hướng thực thi kiểm chứng khả đặt điểm “không” Kết mơ cho thấy, CW_BA_ABF đề xuất có khả đặt xác điểm, nhiều điểm “khơng”, khoảng “không” rộng hướng nhiễu, đồng thời làm giảm mức búp phụ trì hướng độ rộng búp sóng Đánh giá chung, Bộ CW_BA_ABF đề xuất nhanh có hiệu tốt BF thích nghi xây dựng APSO So với AMP_BA_ABF (i) PHA_BA_ABF (ii), CW_BA_ABF đề xuất linh hoạt hiệu Tuy nhiên, CW_BA_ABF phải trả giá độ phức tạp chi phí tốn thực thi Hướng phát triển: - Phát triển định dạng điều khiển búp sóng thực tế ứng dụng mạng thông tin vô tuyến hệ mạng thông tin di động 5G Phụ lục A Anten thông minh B Kỹ thuật tối ưu truyền thống C Phần mềm mô BF anten thông minh D Kết mơ bổ sung 24 Cơng trình khoa học luận án [1] T.V Luyen and T.V.B Giang (2017), "Interference Suppression of ULA Antennas by Phase-only Control Using Bat Algorithm", IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters vol 16, pp 3038 – 3042 (ISI – Q1) [2] T.V Luyen and T.V.B Giang (2017), "Null-Steering Beamformer Using Bat Algorithm", Journal of Applied Computational Electromagnetic Society Accepted for publication (ISI – Q3) [3] T.V Luyen and T.V.B Giang (2017), "Bat Algorithm Based Beamformer for Interference Suppression by Controlling the Complex Weight", REV Journal on Electronics and Communications Accepted for publication [4] T.V Luyen and T.V.B Giang (2017), Evaluation of Null-steering Beamformers Based on Phase-only or Amplitude-only Control Using Bat Algorithm, The 2017 Vietnam Japan Microwave Conference, Hanoi, pp 34-40 Cơng trình khoa học liên quan đến luận án [5] T.V Luyen and T.V.B Giang (2015), Design and Implementation of FPGA based LMS Adaptive Beamformer for ULA Antennas, The 2015 Vietnam Japan Microwave Conference, Ho Chi Minh City, pp 71-76 [6] T.V Luyen and T.V.B Giang (2016), "Design of LMS Based Adaptive Beamformer for ULA Antennas", VNU Journal of Science: Comp Science & Com Eng vol 32(3), pp 72-79 [7] T.V Luyen, P.D Toai, and T.V.B Giang, (2014), Nulling and Steering of Beams in Planar Anenna Arrays, The 2014 VIETNAMJAPAN International Symposium on Antennas and Propagation, Hanoi, pp 285-287 [8] T.V Luyen, T D Duc, and T.V.B Giang, (2014), Reduction of Sidelobe Level in Planar Antenna Arrays, The 2013 VIETNAM-JAPAN International Symposium on Antennas and Propagation, Hanoi, pp 283-284 [9] T.V Luyên, T.V.B Giang (2014), Đề xuất mơ hình hệ thống phần cứng để định dạng điều khiển búp sóng cho anten thông minh, Hội thảo quốc gia điện tử, truyền thông công nghệ thông tin, Nha Trang, pp 190-193 25 ... bước xác định toán tới phát triển BF Quá trình áp dụng để phát triển ba BA_ABF cho ứng dụng chống nhiễu Chương 11 Chương Phát triển định dạng điều khiển búp sóng thích nghi dựa thuật toán BA cho... (nhiễu) hướng khác Trong BF, tín hiệu tương ứng với phần tử mảng điều khiển theo nguyên tắc định Sự điều khiển nhằm định dạng điều khiển búp sóng mảng anten theo cách sau: (i) định dạng lái búp. .. số [-π, π] 2.6 Phát triển định dạng điều khiển búp sóng thích nghi Các BA_ABF cho ứng dụng chống nhiễu phát triển theo lưu đồ hoạt động Hình 2.3 Khởi tạo (I): - Thiết lập liệu đầu vào như: số lượng