Anten thông minh và ứng dụng trong wcdma

Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương IV.Đánh giá hiệu anten thông minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG =====  ===== Vinh 05 -2011 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: ANTEN THÔNG MINH V NG DNG TRONG WCDMA Giáo viên h-ớng dẫn: Sinh viªn thùc hiƯn : Líp : Th.s NGUYỄN THỊ MINH NGUYỄN VĂN HẢI 47K - Điện tử viễn thông Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương IV.Đánh giá hiệu anten thông minh MỤC LỤC MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH DANH MỤC CÁC BẢNG THUẬT NGỮ VÀ TỪ VIẾT TẮT LỜI NÓI ĐẦU CHƢƠNG I TỔNG QUAN VỀ ANTEN THÔNG MINH 11 1.1 Mở đầu 11 1.2 Hệ thống anten thông minh 11 1.2.1 Khái niệm 11 1.2.2 Nguyên lý hoạt động anten thông minh 13 1.3 Phân loại anten thông minh 15 1.3.1 Anten chuyển búp SBA 15 1.3.2 Anten giàn thích ứng (AAA) 17 1.4 Mơ hình tốn học anten thông minh 19 1.5 Các tham số dàn anten 22 1.6 Ƣu điểm Anten thông minh thông tin di động 24 1.6.1 Giảm trải trễ pha đinh đa đƣờng 24 1.6.2 Giảm nhiễu đồng kênh 24 1.6.3 Tăng dung lƣợng hệ thống cải thiện hiệu suất phổ 24 1.6.4 Tăng hiệu suất truyền dẫn 25 1.6.5 Giảm chuyển giao 25 1.6.6 Mở rộng tầm sóng 25 1.7 Tổng kết 27 CHƢƠNG 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 (EGC) 33 2.1.5 Tổng kết 33 2.2 Kỹ thuật tạo búp sóng 35 2.2.1 Ví dụ tạo búp sóng 36 2.2.2 Các loại tạo búp sóng 38 2.2.2.1 Tạo búp sóng tƣơng tự 38 2.2.2.2 Tạo búp sóng số 39 2.2.2.3 Tạo búp sóng khơng gian phần tử 39 2.2.2.4 Tạo búp sóng khơng gian – búp sóng 41 2.3 Các kỹ thuật điều khiển đồ thị phƣơng hƣớng anten 44 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương IV.Đánh giá hiệu anten thơng minh 2.3.1 Kỹ thuật chuyển búp sóng 44 2.3.2 Kỹ thuật tạo búp sóng thích nghi 46 2.3.2.1 Thuật tốn thích ứng 47 2.3.2.2 Thuật tốn 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 Anten thích nghi 52 2.4 TỔNG KẾT 54 CHƢƠNG III ANTEN THÔNG MINH TẠI MÁY DI ĐỘNG TRONG HỆ THỐNG WCDMA 55 3.1 Tổng quan công nghệ W-CDMA 55 3.2 Cấu trúc tổng quát hệ thống W-CDMA 57 3.3 Anten thông minh máy di động 58 3.3.1 Các lƣợc đồ kết hợp 61 3.3.1.1 Kết hợp phân tập 61 3.3.1.2 Kết hợp tƣơng thích 63 3.3.1.3 Kết hợp lai ghép 65 3.3.2 Mơ hình kênh 66 3.3.2.1 Giới thiệu chung mơ hình kênh 66 3.3.2.2 Tƣơng quan đƣờng bao 69 3.3.2.3 Mơ hình kênh pha đinh tƣơng quan khơng gian mơ hình kênh pha đinh tƣơng quan khơng chặt 70 3.3.3 Thủ tục lấy profile kênh sử dụng GBSB 72 3.3.3.1 Mơ hình GBSB 72 3.3.3.2 Thủ tục lấy profile kênh sử dụng GBSB 74 3.4 Tổng kết 76 CHƢƠNG IV ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG CỦA ANTEN THÔNG MINH TẠI MÁY DI ĐỘNG 77 4.1 Hiệu kết hợp phân tập 77 4.1.1 Môi trƣờng mô 77 4.1.2 Các kết mô mô hình kênh GBSB 78 4.2 Hiệu kết hợp tƣơng thích 81 4.2.1 Các kết mô cho AC 82 4.3 Hiệu kết hợp lai ghép 83 4.3.1 Mơi trƣờng mơ cho mơ hình GBSB 83 4.3.2 Hiệu HC mơ hình GBSB 84 4.4 Tổng kết 86 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 88 TÀI LIỆU THAM KH¶O 90 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương IV.Đánh giá hiệu anten thông minh CHƢƠNG IV ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG CỦA ANTEN THÔNG MINH TẠI MÁY DI ĐỘNG 4.1 Hiệu kết hợp phân tập Các kết mô để đánh giá hiệu máy di động có anten thơng minh kép sử dụng lƣợc đồ phân tập hệ thống W-CDMA đƣợc trình bày phần 4.1.1 Mơi trường mơ Một tín hiệu từ trạm gốc truyền lan thơng qua kênh Có hai mơ hình kênh, SCFCM LCFCM, nhƣ mơ tả chƣơng đƣợc sử dụng để mô Mô hình đƣờng trịn elip GBSB đƣợc sử dụng để tạo proflie kênh tín hiệu đa đƣờng Các tín hiệu nhận đƣợc anten kép máy di động đƣợc đƣa đến thu rake sau đƣợc sửa dạng xung lọc FIR, nhƣ biễu diễn hình 4-1 Bộ kết hợp phân tập kết hợp đầu thu rake sử dụng lƣợc đồ kết hợp phân tập (Chỉ có phân tập mức rake đƣợc xét đến đây) Ba lƣợc đồ phân tập, SD, EGC MRC, đƣợc xem xét mô Đối với MRC, tín hiệu đầu đƣợc tính tốn theo a a  b b , [6] với a b hai tín hiệu đầu thu rake Chúng ta gọi kết hợp theo bình phƣơng (SLC) Bé läc FIR Rake rx Tõ Tx AWGNs Bé läc FIR Rake rx SD/ SLC/ EGC Tín hiệu đầu ỏn tt nghip Đại học Chương IV.Đánh giá hiệu anten thông minh Hình 4.1: Bộ thu anten thơng minh kép với kết hợp phân tập [6] Trong mô chúng ta, đầu kết hợp phân tập đƣợc định cứng hoặc 0, so sánh với bit liệu ban đầu để đánh giá hiệu hệ thống theo BER Để đơn giản, mơ hình hố nhiễu từ cell lân cận tạp âm Gaussian trắng cộng (AWGN) Môi trƣờng mô gồm bƣớc sau Các tham số mơ hình đƣợc gọi tham số phần đƣợc giả thiết nhƣ sau Khoảng cách hai anten máy di động λ/4 (3.5 cm) Khoảng cách từ trạm gốc mong muốn đến trạm di động 2000 m mơ hình đƣờng trịn GBSB, trễ đa đƣờng lớn 35 chip Trong mơ hình elip GBSB, khoảng cách từ trạm gốc mong muốn đến trạm di động 800 m, độ trễ truyền lan lớn 20 chip Vận tốc di chuyển 60km/h, tạo tần số Doppler lớn 119 Hz với tần số sóng mạng 2.14 Ghz Hệ số trải phổ ngƣời sử dụng 32 tín hiệu kênh hoa tiêu chung (CPICH) phân kênh kết hợp, ngẫu nhiên hoá, sửa xung phát kênh 20% công suất phát đƣợc phân cho CPICH, 80% lại đƣợc chia cho ngƣời sử dụng Bốn tín hiệu đa đƣờng với dạng kênh đạt đƣợc từ mơ hình GBSB đến anten máy di động Một thu rake với ba rake finger đƣợc xem xét máy di động [6] 4.1.2 Các kết mô mơ hình kênh GBSB Mơ hình kênh GBSB đƣợc sử dụng để tạo dạng kênh mô Các kết mô với bao lƣợc đồ kết hợp hai loại mơ hình kênh đƣợc giới thiệu hình 4.2 Đối với anten kép, EGC tốt ba lƣợc đồ kết hợp phân tập Để so sánh, hiệu hệ thống anten thông minh với lƣợc đồ kết hợp phân tập EGC hai mơ hình kênh hiệu hệthống đơn anten đƣợc Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương IV.Đánh giá hiệu anten thơng minh trình bày hình 4.2 (c) Nhƣ dự đốn, LCFCM độ lợi hiệu cao SCFCM Cần ý BER bão hoà lớn mức Eb/N0 định anten đơn kép, tức là, tăng công suất phát ngƣỡng E b/N0 định không làm giảm BER Điều đƣợc lý giải công suất phát tăng làm tăng mức tín hiệu tín hiệu đa đƣờng, tức là, cơng st tín hiệu nhiễu tăng (a) BER SCFCM Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương IV.Đánh giá hiệu anten thông minh (b) BER LCFCM (c) Đư ng giớ i hạ n BER vớ i EGC Hình 4.2: BER với lƣợc đồ phân tập hai mơ hình kênh Dựa nguyên phân tập, cho MRC chắn hoạt động tốt EGC Tuy nhiên, kết mô cho thấy EGC hoạt động tốt MRC Có thể phân tích đƣợc ngun nhân nhƣ sau Trong Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương IV.Đánh giá hiệu anten thông minh mơ hình kênh chúng ta, cơng suất trung bình tín hiệu kết hợp từ anten nhƣ Trong SCFCM, hai tín hiệu đa đƣờng từ anten khác pha, nhƣng chúng có cơng suất tín hiệu Trong LCFCM, hai tín hiệu đa đƣờng từ anten có pha đinh Rayleigh độc lập Do đó, chúng có cơng suất tín hiệu tức thời khác nhau, nhƣng cơng suất tín hiệu trung bình giống Điều có nghĩa SNR tín hiệu anten giống Do đó, EGC hoạt động hiệu MRC anten có SNR trung bình nhƣ MRC (hay SLC), sử dụng giá trị tín hiệu cộng tạp âm thay cho SNR nhƣ nhân tố trọng số Vì ƣớc tính kênh khơng xác nhiễu, kết hợp phân tập với hệ số trọng số (S + N) khơng thỗ mãn đƣợc mong muốn nhƣ lý thuyết Vì vậy, hiệu MRC thấp so với EGC Trong mơi trƣờng thực, cơng suất tín hiệu trung bình hai anten không Trong môi trƣờng thực, MRC hoạt động tốt EGC Các kết sau cho thấy MRC với hệ số trọng số SNR hoạt động tốt EGC tỷ số SNR trung bình hai anten 2:1, nhƣ thấy bảng 4.1 SNR Anten Anten EGC anten1 MRC với MRC (S+N) 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% Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương IV.Đánh giá hiệu anten thông minh Bảng 4.1: So sánh hiệu EGC MRC 4.2 Hiệu kết hợp tương thích Các kết mô để đánh giá hiệu máy di động sử dụng hệ thống anten kép với lƣợc đồ kết hợp tƣơng thích hệ thống 3GPP đƣợc giới thiệu phần Một kết hợp tƣơng thích kết hợp đầu phận tƣơng ứng hai anten với trọng số anten thích hợp đạt đƣợc dựa thuật tốn N-LMS 4.2.1 Các kết mô cho AC Các kết mơ cho kết hợp tƣơng thích với mơ hình đƣờng trịn elip GBSB đƣợc trình bày hình 4.3 Hình 4.3(a) và4.3(b) biễu diễn hiệu hệ thống anten kép với dạng kênh đạt đƣợc từ mơ hình đƣờng trịn elip GBSB tƣơng ứng Nhƣ thấy từ hình vẽ, hệ thống anten kép với kết hợp tƣơng thích hoạt động tốt hệ thống anten đơn mơ hình đƣờng trịn elip Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương IV.Đánh giá hiệu anten thông minh (a) BER với mơ hình elip GBSB (b) BER với mơ hình đường trịn GBSB Hình 4.3: BER mơ hình đƣờng trịn elip GBSB 4.3 Hiệu kết hợp lai ghép Các kết để đánh giá hiệu máy di động sử dụng hệ thống anten kép với lƣợc đồ kết hợp lai ghép cho hệ thống 3GPP đƣợc giới thiệu phần Bộ kết hợp lai ghép (HC) kết hợp tín hiệu đầu kết hợp phân tập (DC) kết hợp tƣơng thích (AC) sử dụng MRC Giá trị tín hiệu tức thời cộng tạp âm (S+N) đƣợc sử dụng để đo tín hiệu đầu ta thay cho SNR 4.3.1 Mơi trường mơ cho mơ hình GBSB Mơi trƣờng mô hầu hết giống với tham số Các tham số khác gồm tham số sau Khoảng cách độ trễ đa đƣờng 4000 m 61 chip mô hình đƣờng trịn GBSB Tƣơng quan 10 Z Pha ®inh Rayleigh e  j s(t) Z  1 r1 (t) Pha ®inh Rayleigh r2 (t) e  j Z Pha ®inh Rayleigh e  j (b) Mơ hình kênh phađinh tương quan khơng gian Mỗi tín hiệu anten đƣợc hƣớng tới phađinh Rayleigh nhƣ nhau, nhƣng khác pha góc đến (AOA) khơng khơng Mỗi tín hiệu đa đƣờng có AOA khác Giả thiết tín hiệu đa đƣờng có thời gian đến với hai anten mơ hình kênh Hai loại mơ hình kênh đƣợc minh hoạ 3.12 Tín hiệu s(t) biễu diễn tín hiệu phát từ trạm gốc, tín hiệu r1(t) r2(t) biễu diễn hai tín hiệu anten thu đƣợc trạm di động Mơ hình kênh với tín hiệu anten tƣơng quan hơn, LCFCM mơ hình chúng ta, đƣợc cho đạt đƣợc độ lợi cao Chúng ta tin kênh thực tế hai tín hiệu anten (đối với kết hợp phân tập kết hợp tƣơng thích) nằm hai mơ hình kênh 104 3.3.3 Thủ tục lấy profile kênh sử dụng GBSB 3.3.3.1 Mơ hình GBSB Có hai mơ hình GBSB, mơ hình GBSB đƣờng trịn mơ hình GBSB elip Mơ hình GBSB đƣờng trịn đƣợc áp dụng mơi trƣờng macrocell vùng ngoại ô thành phố hay vùng nông thôn Trong đó, mơ hình GBSB elip đƣợc áp dụng cho môi trƣờng microcell khu vực thành thị Mơ hình GBSB giả thiết tính hiệu đa đƣờng đƣợc tạo b ởi phản xạ tán xạ, mà tán xạ đƣợc phân bố đồng đƣờng trịn elip xác định trƣớc Độ trễ, mức cơng suất trung bình, góc tới tín hiệu đa đƣờng đƣợc xác định từ vị trí tán xạ Trong mơ hình GBSB đƣờng trịn, giả thiết tán xạ đƣợc đặt đƣờng tròn xung quanh trạm di động nhƣ thấy hình 3.15 Hai tham số mơ hình D τm, với D khoảng cách trạm gốc trạm di động, τm thời gian đến lớn (TOA), tức độ trễ lớn TOA lớn τm đƣợc sử dụng để định nghĩa bán kính đƣờng trịn Rm  c m  D , với c vận tốc ánh sáng Trạm gốc rb b Bộ tán xạ r s Rm s Trạm di động D Bộ tán xạ 105 Hỡnh 3.13: Hình học mơ hình GBSB đƣờng trịn Trong mơ hình GBSB elip, trạm gốc trạm di động đƣợc giả thiết đặt tiêu điểm hình elip nhƣ thấy hình 3.16 Hai tham số của mơ hình D τm, với D khoảng cách trạm gốc trạm di động, τm độ trễ lớn Độ trễ lớn τm đƣợc dùng để định nghĩa đƣờng biên (trục trục phụ ) elip cho trục am  c m , c tốc độ ánh sáng Khi mật độ phổ cơng suất hƣớng chung AOA TOA là: f ,r ( , r )  2(r  1)(r  2r cos  1)  (r  cos )3       r  rm Với rm: giá trị lớn độ trễ thành phần đa đƣờng chuẩn hóa rm  m 0 τ0 độ trễ đƣờng truyền LOS với khoảng cách d0 β tham số đƣợc tính theo cơng thức rm rm2 Bộ tán xạ Trạm gốc rb s b D rs bm Trạm di động am 106 Hình 3.14: Hình học mơ hình GBSB elip 3.3.3.2 Thủ tục lấy profile kênh sử dụng GBSB Thủ tục sau đƣợc sử dụng để lấy thông tin kênh sử dụng mơ hình GBSB Một tán xạ đƣợc đặt ngẫu nhiên hình trịn hay hình elip đƣợc xác định trƣớc Khoảng cách rb trạm gốc tán xạ, rs khoảng cách tán xạ trạm di động tính đƣợc từ vị trí tán xạ trễ truyền lan τ đƣợc tính (rb+rs)/c, với c tốc độ ánh sáng Khi tán xạ đƣợc đặt ngẫu nhiên, trễ truyền lan đƣợc tính tốn giống nhƣ Nếu sai khác trễ truyền lan với trễ truyền lan tồn lớn độ trễ chip (khoảng 260 ns hệ thống 3GPP WCDMA), tán xạ vừa lắp đặt đƣợc lựa chọn Mặt khác, tán xạ bị xố tín hiệu đa đƣờng khơng thể đƣợc phân tích thu rake Q trình lặp lại đạt đƣợc số lƣợng đa đƣờng cho trƣớc Cơng suất trung bình đơn vị P0 đƣợc gán cho tín hiệu đa đƣờng với trễ truyền lan nhỏ p0 Cơng suất trung bình tín hiệu đa đƣờng P i, i  đƣợc tính tốn cách sử dụng mơ hình tổn hao đƣờng truyền trung bình nhƣ sau Pi = P0*( τ i/ τ 0)-n với τ i trễ truyền lan đa đƣờng n hàm mũ tổn hao đƣờng Thiết lập n = 3.5 mô AOA tín hiệu đa đƣờng đạt đƣợc từ vị trí tán xạ trạm di động Hình 3.17 minh hoạ ví dụ dạng kênh bốn tín hiệu đa đƣờng đạt đƣợc thủ tục trình bày Dạng kênh thứ hình 3.17(a) cho mơ hình kênh đƣờng trịn GBSB, với khoảng cách D đƣợc thiết lập 107 2000 m để mô môi trƣờng ngoại nông thôn độ trễ lớn C«ng suÊt (tuyÕn tÝnh) C«ng suÊt (tuyÕn tÝnh) τm 35 chip (tƣơng đƣơng với 9.1 μs) Dạng kờnh th hai Trễ đa đ-ờng (chip) (a) Mô hình đ-ờng tròn GBSB Trễ đa đ-ờng (chip) (b) Mô h×nh elip GBSB Hình 3.15: Dạng kênh mơ hình elip đƣờng trịn GBSB hình 3.17 (b) cho mơ hình kênh elip GBSB, với khoảng cách D đƣợc thiết lập 800 m mơi trƣờng tín hiệu thành phố độ trễ tối đa τ m 20 chip (tƣơng đƣơng với 5.2 μs).Độ trễ lớn hai mơ hình kênh GBSB đƣợc lựa chọn cho khác biệt mặt thời gian độ trễ lớn τ m độ trễ tín hiệu truyền thẳng (=D/c) tƣơng đối (khoảng 9.5 chip hệ thống 3GPP WCDMA) cho hai mơ hình Có thể thấy từ hai hình tất tín hiệu đa đƣờng hai mơ hình kênh nằm cửa sổ thời gian khoảng 10 chip việc lựa chọn độ trễ lớn Một tƣợng quan trọng mơ hình kênh GBSB khoảng cách tƣơng đối tín hiệu đa đƣờng với tín hiệu đa đƣờng thứ mơ hình kênh đƣờng trịn nhỏ so với mơ hình kênh elip Do đó, điều làm cho tổn hao đƣờng truyền thấp cách tƣơng đối, tức là, cơng suất tín hiệu lớn Hiện tƣợng biều rõ hai hình vẽ Hiện tƣợng dẫn đến thực tế quan trọng Khi tín hiệu đa đƣờng đóng vai trị nhiễu tín hiệu đa đƣờng khác, tín hiệu đa đƣờng mạnh mơ hình đƣờng tròn chịu nhiễu mạnh Nếu mức tạp thấp mơ hình đƣờng trịn SINR chủ yếu nhiễu.Do đó, SINR mơ hình 108 đƣờng trịn nhỏ SINR mơ hình elip mức tạp âm thấp Điều ngƣợc lại với tạp âm mạnh SINR mơ hình đƣờng trịn lớn SINR mơ hình elip mức tạp âm cao Hiện tƣợng giải thích đƣợc ảnh hƣởng trễ lớn mơ hình kênh GBSB 3.4 Tổng kết Nhƣ chƣơng vào nghiên cứu tổng quan hệ thống công nghệ W-CDMA khả ứng dụng anten thông minh hệ thống WCDMA gồm hệ thống thông tin 3GPP Đồng thời, giới thiệu cấu trúc hệ thống anten thông minh kép đƣợc áp dụng số hệ thống thông tin di động giới Mơ hình kênh đƣờng xuống 3GPP đƣợc giới thiệu chƣơng để phục vụ cho ứng dụng cho hệ thống anten thơng minh Bên cạnh đó, chƣơng đƣa khái niệm tƣơng quan đƣờng bao hệ thống anten kép dựa vào để xem xét mơ hình kênh thống kê:mơ hình kênh pha đinh tƣơng quan khơng chặt, mơ hình kênh tƣơng quan khơng ,cũng nhƣ thủ tục lấy profile kênh sử dụng mơ hình kênh GBSB 109 110 ... quan anten thông minh Xuất phát từ vấn đề trên, em lựa chọn đề tài nghiên cứu ? ?Anten thơng minh ứng dụng WCDMA? ?? Đề tài vào nghiên cứu từ kiến thức ứng dụng anten thông máy di động hệ thống WCDMA. .. quan anten thông minh 1.3 Phân loại anten thông minh Hệ thống anten thơng minh đƣợc chia thành hai loại: anten chuyển búp SBA (Switched Beam Antenna), anten giàn thích ứng AAA (Adaptive Array Antenna)... dụng anten thông minh bao gồm: kết hợp phân tập kết hợp tƣơng thích Chương III: Đi vào nghiên cứu ứng dụng anten thông minh máy di động hệ thống WCDMA Chƣơng giới thiệu số cấu trúc hệ thống anten