Giáo trình xử lý Anten

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TẬP ĐOÀN BCVT VIỆT NAM HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG 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 CÔNG 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 và kênh thông tin liên lạc Mã số:2.07.14 LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. TS. Đặng Đình Lâm 2. TS. Chu Ngọc Anh HÀ NỘI - 2006 -ii- Lời Cam Đoan Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong bản luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố ở đâu và trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả Nguyễn Quang Hưng -iii- Lời Cảm Ơn! Tôi xin bày tỏ lời biết ơn sâu sắc tới TS. Đặng Đình Lâm và TS. Chu Ngọc Anh đã tận tình hướng dẫn trong suốt quá trình làm luận án. Đặc biệt, sự chỉ bảo tận tình và sự tạo điều kiện thuận lợi trong các hoạt động nghiên cứu khoa học của TS. Đặng Đình Lâm có ý nghĩa vô cùng to lớn để tôi có thể hoàn thành được luận án này. Tôi cũng xin cảm ơn PGS. TS. Nguyễn Minh Dân vì những chỉ dẫn, định hướng quan trọng ngay từ khi xây dựng đề cương nghiên cứu. Các kết quả mang tính thực tiễn cao có được là nhờ sự giúp đỡ tạo điều kiện nghiên cứu tại các phòng thí nghiệm ở Hàn Quốc của TS. Phùng Văn Vận, TS. Nguyễn Kim Lan, TSKH. Nguyễn Ngọc San. Tôi cũng không thể không cảm ơn TS. Seung Chan Bang, TS. Byung Han Ryu và các bạn đồng nghiệp Won Ik Kim, Il Guy Kim tại Phòng thí nghiệm thông tin di động-Viện nghiên cứu Điện tử Viễn thông Hàn Quốc (ETRI) vì những giúp đỡ quí báu trong thời gian tôi thực tập tại đây. Xin cảm ơn Won ok Kwon- người bạn luôn có cảm tình đặc biệt với Việt Nam và vẫn liên tục giữ liên lạc với tôi trong mấy năm qua qua việc cung cấp tài liệu, trao đổi những thông tin về những phát triển khoa học công nghệ mới nhất trong lĩnh vực liên quan tại Viện ETRI. Cảm ơn TS. Danie van Wyk-Đại học Tổng hợp Nam Phi đã hỗ trợ để tôi có thể phát triển phần mềm mô phỏng hệ thống W-CDMA từ phiên bản tuân theo tiêu chuẩn cũ của ông. Bên cạnh đó, sự sẵn sàng trao đổi, giúp đỡ của GS.TS. Hak Lim Ho- Đại học Tổng hợp Chon-An, Hàn Quốc cũng đã giúp tôi định hướng một cách rõ ràng hơn trong nghiên cứu. Cuối cùng, tôi xin cảm ơn bố mẹ, tất cả gia đình, bạn bè, người thân đã trực tiếp hay gián tiếp giúp đỡ, chia sẻ, động viên tôi rất nhiều để có thể hoàn thành bản luận án này. -iv- Mục Lục Chữ Viết Tắt vii Mục lục Hình vẽ ix Mục lục Bảng biểu xii Mở Đầu 1 Chương 1. Tổng quan vấn đề nghiên cứu 4 1.1. Sơ lược về quá trình phát triển kỹ thuật xử lý tín hiệu mảng 4 1.1.1. Sự phát triển của kỹ thuật anten: 4 1.1.2. Tín hiệu trong miền thời gian, không gian 6 1.2. Xử lý không gian-thời gian trong thông tin di động 9 1.2.1. Mô hình hệ thống không gian-thời gian 9 1.2.2. Môi trường thông tin di động 14 1.2.3. Mô hình và đánh giá kênh không gian-thời gian 21 1.2.4. Ưu, nhược điểm của kỹ thuật xử lý không gian-thời gian 23 1.3. Phân loại anten 25 1.4. Đặt vấn đề nghiên cứu 27 Chương 2. Kỹ thuật xử lý đối với 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 của 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 toán thích nghi 55 -v- 2.3. Thuật toán tạo búp thích nghi có hỗ trợ của kênh hoa tiêu cho đường lên DS-CDMA 59 2.3.1. Anten thông minh cho DS-CDMA 59 2.3.2. Mô hình tín hiệu 61 2.3.3. Kết hợp theo không gian ở máy thu trạm gốc 64 2.4. Tổng kết chương 67 Chương 3. Hiệu quả về dung lượng của anten thông minh đối với hệ thống GSM 68 3.1. Đánh giá hiệu quả về dung lượng khi sử dụng anten thông minh chuyển búp sóng 68 3.2. Kết quả tính số 72 3.2.1. Hiệu quả về dung lượng với hệ thống AMPS 72 3.2.2. Hiệu quả về dung lượng đối với hệ thống GSM 74 3.2.3. Đề xuất mẫu tái sử dụng tần số cho mạng GSM ở Việt Nam khi sử dụng anten thông minh 76 3.3. Ảnh hưởng của pha-đinh và che khuất tới việc tái sử dụng tần số 77 3.3.1. Ảnh hưởng của sự che khuất 82 3.3.2. Các vùng nhiễu 83 3.3.3. Đánh giá ảnh hưởng của các nguồn nhiễu đồng kênh trong thực tế 85 3.4. Hiệu quả về dung lượng của anten chuyển búp sóng với ảnh hưởng của che khuất và pha-đinh 90 3.5. Tổng kết chương 94 Chương 4. Phối hợp kỹ thuật tạo búp và phân tập cho hệ thống W- CDMA 96 4.1. Hệ thống W-CDMA 96 4.1.1. Các đặc tính chủ yếu của 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 phỏng W-CDMA 102 4.2. Phối hợp kỹ thuật tạo búp sóng và 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 và phân tập cho hệ thống W-CDMA 115 4.3. Kết quả mô phỏng 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 và điều kiện đo 122 4.4.4. Kết quả đo kiểm trên hệ thống thử nghiệm 129 4.5. Xử lý kết quả đo kiểm và so sánh với kết quả mô phỏng 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, Công trình đã công bố 136 Tài liệu tham khảo 138 Tiếng Việt 138 Tiếng Anh 139 -vii- Chữ Viết Tắt Tiếng Anh Tiếng Việt ABF AMPS AWGN BER BLER BPSK cdf CIR CNR DIV DPCH DPCCH DPDCH DS FDD GSM LMS LOS MIMO MRC pdf RF rms SIR SIR target Adaptive beam-forming Advanced Mobile Phone System Additive White Gaussian Noise Bit Error Rate Block Error Rate Binary Phase Shift Keying Cumulative Distribution Function Carrier-to-Interference Ratio Carrier-to-Noise Ratio Diversity Dedicated Physical Channel Dedicated Physical Control Channel Dedicated Physical Data Channel Direct Sequence Frequency Division Duplex Global System for Mobile Communications Least Mean Square Line Of Sight Multiple-Input Multiple-Output Maximum Ratio Combiner probability density function Radio Frequency Root Mean Square Signal-to-Interference Ratio Signal-to-Interference Ratio Target Tạo búp sóng thích nghi Hệ thống điện thoại di động AMPS Tạp Gauss Trắng Cộng Tỉ lệ Lỗi Bít Tỉ lệ lỗi khối Khoá Chuyển Pha Nhị phân Hàm Phân bố Tích luỹ Tỉ số công suất sóng mang trên nhiễu Tỉ số công suất sóng mang trên tạp Phân tập Kênh vật lý dành riêng Kênh điều khiển vật lý dành riêng Kênh dữ liệu vật lý dành riêng Chuỗi trải phổ trực tiếp Song công phân tần Hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM Trung bình Bình phương Nhỏ nhất Nhìn thẳng Nhiều đầu vào Nhiều đầu ra Bộ kết hợp Tỉ lệ Cực đại Hàm mật độ xác suất Cao tần / Tần số vô tuyến Căn Trung bình Bình phương (Căn quân phương) Tỉ số tín hiệu trên nhiễu Tỉ số tín hiệu trên nhiễu đích (được -viii- SNR TCP TDD TDMA TDTD UE UMTS W-CDMA Signal-to-Noise Ratio Trasmission Control Protocol Time Division Duplex Time Division Multiple Access Time Division Transmit Diversity User Equipment Universal Mobile Telecommunications System Wideband Code Division Multiple Access đặt trước trong phép đo) Tỉ số tín hiệu trên tạp Giao thức điều khiển truyền Song công phân thời Đa truy nhập phân thời Phân tập phát theo thời gian Thiết bị đầu cuối Hệ thống thông tin di động UMTS 3G sử dụng W-CDMA CDMA băng rộng -ix- Mục lục Hình vẽ Hình Trang Hình 1.1. Tín hiệu trong không gian Hình 1.2. Mô hình hệ thống thông tin với N phần tử phát và M phần tử thu trong môi trường tán xạ. Hình 1.3. Phân loại kỹ thuật xử lý không gian-thời gian và anten thông minh Hình 1.4. Phân loại anten thông minh Hình 2.1. Anten mảng phân tập M phần tử Hình 2.2. Hàm phân bố tích luỹ của γ s so với γ s /Г cho kỹ thuật kết hợp tỉ lệ cực đại. Hình 2.3. BER so với ‹γ› = MГ khi M thay đổi Hình 2.4. Hai phần tử với các tín hiệu tương quan Hình 2.5. Ảnh hưởng của tương quan nhánh lên phân bố công suất đầu ra ở bộ kết hợp tỉ lệ cực đại phân tập kép. Hình 2.6. BER so với ‹γ› (dB) của bộ kết hợp tỉ lệ cực đại 2 nhánh có pha- đinh tương quan Hình 2.7. Anten mảng thích nghi Hình 3.1. Mẫu tái sử dụng tần số trong thông tin di động Hình 3.2. Tăng dung lượng bằng anten chuyển búp sóng cho nhà khai thác AMPS có băng thông 12,5 MHz, hệ số tái sử dụng N=7. Hình 3.3. Tăng dung lượng bằng anten chuyển búp sóng cho nhà khai thác AMPS có băng thông 12,5 MHz, hệ số tái sử dụng N=4. Hình 3.4. Tăng dung lượng bằng anten chuyển búp sóng cho nhà khai thác GSM có băng thông 8 MHz, hệ số tái sử dụng N=4. Hình 3.5. Tăng dung lượng bằng anten chuyển búp sóng cho nhà khai thác GSM có băng thông 12,5 MHz, hệ số tái sử dụng N=4. 8 11 14 27 34 40 42 45 46 47 53 69 73 74 75 75 [...]... gian) và anten mảng tạo búp sóng (xử lý không gian-thời gian) có thể được xem như những ví dụ điển hình của kỹ thuật xử lý theo không gian-thời gian Trong thực tế, tất cả các hệ thống anten mảng có thể được xem như bộ xử lý không gian-thời gian Các bộ xử lý không gian-thời gian tiên tiến hơn bao gồm cả bộ tách đa người sử dụng, mã hóa không gian-thời gian,… sẽ tạo thành một hệ đầy đủ về kỹ thuật xử lý không... khái niệm xử lý không gian - thời gian được hiểu như sau: • Xử lý không gian - thời gian là kỹ thuật giảm thiểu pha-đinh và nhiễu đa truy nhập (MAI) thông qua việc sử dụng tích hợp anten nhiều phần tử, kỹ thuật xử lý tín hiệu tiên tiến, cấu trúc máy thu tiên tiến và sửa lỗi trước -13- Xử lý không gian-thời gian: Giảm thiểu pha-đinh và MAI Anten thông minh Tạo búp Phân tập Các kỹ thuật xử lý tín hiệu... thuật xử lý không gian-thời gian cho phép sử dụng tối đa hiệu quả phổ tần của mạng thông tin tổ ong Nhờ sử dụng nhiều phần tử anten kỹ thuật này cho phép tối ưu hoá quá trình thu hoặc phát tín hiệu bằng cách dùng cả kỹ thuật xử lý tín hiệu theo miền không gian và theo miền thời gian tại máy thu phát Các kỹ thuật phổ biến đã biết như anten dẻ quạt (séc-tơ hoá) (xử lý không gian), phân tập (xử lý không... phần tử anten: tín hiệu theo không gian-thời gian có thể viết bằng tổng các tính hiệu thành phần như sau: m s(t,r)= ∑ s(t , rk ) (1.9) k =1 1.1.2.3 Các kỹ thuật xử lý tín hiệu Với những biểu diễn tín hiệu như trình bày ở trên rõ ràng là ngoài kỹ thuật xử lý tín hiệu theo thời gian kinh điển, tín hiệu có thể được xử lý theo chiều không gian, hoặc cả không gian và thời gian [16] Kỹ thuật xử lý chỉ theo... ích anten ở hướng có người dùng và triệt tín hiệu từ thuê bao gây nhiễu), đa truy nhập theo không gian… là các dạng khác nhau của xử lý không gian - thời gian Trong đó, kỹ thuật xử lý không gian - thời gian được sử dụng theo các cách khác nhau để giảm pha-đinh và nhiễu đa truy nhập Khái niệm Anten thông minh có thể được hiểu như sau: • Anten thông minh là sự kết hợp của anten với các thuật toán xử lý. .. ích và băng thông tốt hơn - Chiến tranh thế giới thứ 2: Dàn anten được sử dụng cho rađa - Thập kỷ 1970: Ứng dụng xử lý tín hiệu thích nghi ở máy thu vô tuyến để cải thiện phân tập thu và triệt nhiễu bằng các bộ xử lý tín hiệu số trong quân sự [29] Việc sử dụng anten nhiều phần tử ở máy thu trong thông tin vô tuyến mở ra một chiều mới trong xử lý tín hiệu (chiều không gian), cho phép cải thiện chỉ tiêu... hình và hệ thống thực -9- tế và anten mảng phải được định cỡ (điều chỉnh) để mô hình không gian này đúng với hệ thống thực Nếu kết hợp được một mô hình không gian với các đặc trưng thời gian thì việc đánh giá kênh và vết không gian có thể được cải thiện Kỹ thuật xử lý tín hiệu được thực hiện theo cả miền không gian và thời gian được gọi là xử lý không gian-thời gian 1.2 Xử lý không gian-thời gian trong... nghiên cứu trên thế giới trong thời gian gần đây là kỹ thuật xử lý không gian-thời gian Kỹ thuật này cho phép sử dụng tối đa hiệu quả phổ tần cho hệ thống thông tin vô tuyến nói chung và hệ thống thông tin di động tổ ong nói riêng Nhờ sử dụng nhiều phần tử anten, kỹ thuật này cho phép tối ưu hoá quá trình thu hoặc phát tín hiệu bằng cách xử lý theo cả hai miền không gian và miền thời gian tại máy thu... tích hệ thống xử lý không gian-thời gian, ta cần có một mô hình cơ bản về hệ thống thông tin bao gồm việc xác định các đầu vào, đầu ra và kênh của hệ thống Hệ thống xử lý không gian-thời gian tổng quát có nhiều phần tử anten được sử dụng tại cả máy phát và máy thu (mô hình Nhiều đầu vào-Nhiều đầu ra: MIMO) Mô hình này có đặc điểm là tín hiệu mong muốn có nhiều đầu vào kênh thông tin (các anten phát)... Hình 4.7 Kết quả mô phỏng đối với phân tập MD = 4 anten, hệ thống tạo 118 búp MB = 4 anten và hệ thống phối hợp cả phân tập và tạo búp ở môi trường không nhìn thẳng Hình 4.8 Cấu hình hệ thống anten thông minh 120 Hình 4.9 Anten mảng 121 -xi- Hình 4.10 Hệ thống anten thông minh thử nghiệm tại Viện Nghiên cứu 123 ETRI 124 Hình 4.11 Cấu hình hệ thống anten thông minh cho W-CDMA sử dụng trong đo kiểm 125