Tài liệu Tìm hiểu về Anten thông minh ppt

Anten thông minh là một trong những định hướng tối ưu các khối thu phát vô tuyến thế hệ mới dựa trên yếu tố đặc tính không gian. Anten thông minh đang được nghiên cứu và sẽ ứng dụng trong các khối thu phát vô tuyến thế hệ mới 3G, WiMAX, LTE, WLAN Bài viết này trình bày một số đặc điểm của môi trường đô thị và biện pháp tăng hiệu quả phủ sóng sử dụng anten thông minh. Các khối vô tuyến thế hệ mới không chỉ có tính năng điều khiển công suất, điều khiển sửa lỗi, thích nghi bộ mã theo tỷ số tín hiệu trên nhiễu,… như các khối thu phát vô tuyến hiện nay mà còn có khả năng cảm biến và thích nghi với đặc tính của môi trường vô tuyến, trong đó có yếu tố tần số và không gian. Anten thông minh là một trong những định hướng tối ưu các khối thu phát vô tuyến thế hệ mới dựa trên yếu tố đặc tính không gian. Anten thông minh đang được nghiên cứu và sẽ ứng dụng trong các khối thu phát vô tuyến thế hệ mới 3G, WiMAX, LTE, WLAN Bài viết này trình bày một số đặc điểm của môi trường đô thị và biện pháp tăng hiệu quả phủ sóng sử dụng anten thông minh. 1. Công nghệ anten thông minh Anten thông minh là một hệ thống gồm hai hay nhiều anten (phần tử của dãy) được bố trí phù hợp về mặt hình học và kết nối liên thông về điện để tạo ra một giản đồ phát xạ định hướng mong muốn. Đối với dãy anten điều khiển pha, pha của các dòng điện ở mỗi phần tử anten sẽ được điều khiển để thu được giản đồ phủ sóng của dãy, thường là tập trung búp sóng lớn nhất hoặc nhỏ nhất theo các hướng mong muốn. Điều khiển pha dòng điện của các phần tử trong dãy là phương thức để điều chỉnh hướng búp sóng. Một hệ thống anten thông minh bao gồm một dãy anten, với phần cứng vô tuyến và khối điều khiển để thay đổi giản đồ phủ sóng theo điều kiện môi trường vô tuyến nhằm tăng cường hiệu năng của một hệ thống thông tin. Mở rộng vùng phủ sóng Ở các vùng mật độ thuê bao thấp, tối ưu phủ sóng là hướng tới mục tiêu là tăng độ rộng vùng phủ và tăng khoảng cách phủ sóng. Khi sử dụng anten thông minh ở các khu vực này cho phép tăng bán kính phủ sóng của trạm nhiều lần so với anten đẳng hướng hay anten sector như mô tả trong Hình 1. Hình 1. Mở rộng vùng phủ sóng sử dụng anten thông minh Giảm nhiễu đường truyền Ở nơi có mật độ thuê bao cao, mục tiêu tối ưu phủ sóng là tăng dung lượng. Hai kỹ thuật chính được sử dụng để tăng dung lượng là giảm nhiễu xuyên kênh trên đường xuống và khử nhiễu ở đường lên. Trong hệ thống sử dụng anten thông minh, các búp sóng của anten hướng chính xác thuê bao, do vậy công suất phát chỉ phát đúng đến hướng cần thiết và tránh phát tín hiệu về phía nguồn can nhiễu. Nhiễu xuyên kênh kiểu đồng kênh chỉ xảy ra nếu các thuê bao này cùng nằm trong một búp sóng khá hẹp (5 o đến 10 o ). Do đó, nhiễu đồng kênh sẽ giảm được rất nhiều so với trường hợp dùng anten đẳng hướng (360 0 ) hay anten sector (60 0 , 90 0 , 120 0 ) ở kênh đường xuống. Nhiễu xuyên kênh đường lên có thể loại trừ bằng cách hướng búp sóng về đúng hướng thuê bao và bằng không tại các hướng có các thuê bao đồng kênh. Như vậy, giảm nhiễu đồng kênh được thực hiện bằng cách lái búp sóng hoặc chuyển mạch búp sóng. Nhờ việc sử dụng các búp sóng định hướng, nhiễu giữa các trạm phủ sóng dùng cùng tập kênh tần số cũng giảm đáng kể so với trường hợp anten đẳng hướng như mô tả trong Hình 2. Trong trường hợp lý tưởng, số lượng trạm phủ sóng cần có thể giảm xuống, tăng hiệu quả sử dụng băng tần và dung lượng. Hình 2. Giảm nhiễu đường xuống và loại trừ nhiễu đường lên dùng anten thông minh Đa truy nhập phân chia theo không gian Hệ thống anten thông minh cũng cho phép một trạm phủ sóng có thể liên lạc với 2 hay nhiều thuê bao sử dụng cùng một tần số khi sử dụng công nghệ đa truy nhập phân chia theo không gian (SDMA – Space Division Multiple Access), do đó cho phép hệ thống sử dụng các tài nguyên mạng hiệu quả hơn. Hình 3. Đa truy nhập phân chia theo không gian 2. Một số biện pháp giảm ảnh hưởng của môi trường đô thị khi triển khai mạng thông tin vô tuyến băng rộng dùng công nghệ anten thông minh Môi trường đô thị có đặc điểm là mật độ nhà cao, đường phố hẹp, nhiều khu nhà cao tầng. Hơn nữa kiến trúc, cấu trúc và vật liệu xây dựng phức tạp như đa dạng về hình học, dùng nhiều loại vật liệu từ bê tông, gỗ, kính, thép, vật liệu tổng hợp… Hơn nữa, mật độ thuê bao cao và có phân bố tương đối đồng đều theo các hướng. Những yếu tố trên ảnh hưởng tới kênh truyền vô tuyến cũng như hiệu quả phủ sóng của anten thông minh. Hiệu ứng “canyon” Hiệu ứng “canyon” do phản xạ sóng vô tuyến ở các đường hẹp. Sóng vô tuyến từ khối phát trên các đường hẹp sẽ phản xạ nhiều lần vào các tòa nhà hai bên đường trước khi tới khối thu. Đường phố đóng vai trò như ống dẫn sóng từ khối phát tới khối thu. Điều này làm ảnh hưởng tới độ chính xác khi xác định vị trí thuê bao, và vì vậy dẫn tới lệch định hướng búp sóng của anten thông minh. Hiệu quả của anten thông minh bị suy giảm. So với trường hợp dùng một anten, sử dụng dãy anten gồm 8 chấn tử có thể làm tăng độ tăng ích lên 4-6 dBi hoặc thấp hơn một chút. Trường hợp hoàn toàn lệch định hướng, tăng ích của dãy anten có thể thấp hơn sử dụng một anten duy nhất. Hình 4. Hiệu ứng “canyon” trong khu đô thị có đường hẹp, mật độ nhà cao Để tăng hiệu quả anten thông minh cần phải sử dụng các mô hình dự đoán và thuật toán điều khiển có tính toán đến hiệu ứng “canyon”. Ví dụ như khi phát hiện tín hiệu có thăng giáng lớn và chậm thì cần mở rộng búp sóng để tăng độ chính xác của búp sóng định hướng hoặc sử dụng anten thu phát nhiều đường (MIMO - Multiple Input, Multiple Output) thay vì dùng công nghệ định hướng búp sóng thích nghi (BF – Beamforming) Hiệu ứng tán xạ Khi anten đặt ở khu vực có nhiều nhà cao tầng và ở vị trí thấp so với một số tòa nhà xung quanh, xảy ra hiện tượng tán xạ sóng. Các tia sóng bị tán xạ ở các rìa nhọn của tòa nhà và bị biến đổi pha khi tới khối thu. Nếu tia tán xạ có tỷ trọng lớn trong tín hiệu thu được, sẽ gây ra lệch định hướng hoàn toàn và dẫn tới giảm nghiêm trọng tăng ích anten theo hướng đó. Hình 5. Hiệu ứng tán xạ ở rìa nhọn các nhà cao tầng Hiện tượng tán xạ có thể giảm bớt hoặc loại trừ bằng cách đặt anten của trạm phủ sóng ở vị trí cao hơn so với các tòa nhà xung quanh, ví dụ cần đặt anten cao hơn 8-10 m so với các tòa nhà trong vòng bán kính 300m đến 500m. Khi đặt anten ở vị trí cao cũng sẽ giảm được ảnh hưởng tia phản xạ và giảm được thăng giáng tín hiệu sâu. Hiệu ứng đường hầm (tunnel) Ở một số thành phố như Hà Nội hay các thành phố Đài Loan, Hồng Kông, các nhà trong khu thương mại thường được thiết kế hẹp và dài, liền kề với nhau. Khi thuê bao ở trong nhà, tia truyền thẳng bị suy giảm lớn do phải truyền xuyên qua nhiều lớp tường. Các tia phản xạ từ các nhà xung quanh cũng bị suy giảm do phải đi xuyên qua nhiều lớp tường tính từ lớp tường thứ nhất. Phủ sóng trong nhà ở khu vực này rất khó khăn và suy hao tín hiệu sâu trong nhà rất lớn và biên độ biến đổi tùy thuộc từng nhà. Cường độ trường trong nhà có thể thấp hơn ngoài đường từ 20-40 dBi. Hình 6. Hiệu ứng đường hầm và phủ sóng nhiều lớp Để tăng cường khả năng phủ sóng trong nhà, một phương pháp hiệu quả là dùng các trạm nhỏ (micro/pico-cell) với anten có búp sóng định hướng phù hợp với truyền sóng dọc theo “đường hầm” hình hộp. Các trạm nhỏ sẽ tạo thành lớp phủ sóng thứ hai nằm dưới các trạm lớn (macro cell) và chuyển tiếp sóng của các trạm lớn. Tuy nhiên, cần tối ưu thuật toán chuyển giao giữa hai lớp cũng như phối hợp các khối điều khiển thu phát sao cho vừa tăng cường phủ sóng lại giảm thiểu được nhiễu xuyên kênh. Hiệu ứng nhà cao tầng Các nhà cao tầng có hai đặc điểm ảnh hưởng tới phủ sóng. Thứ nhất, ở các phòng gần cửa sổ, sóng từ các trạm hướng tới đều lớn do đó cường độ trường lớn nhưng tỷ số tín hiệu trên nhiễu thấp. Thứ hai, ở các khu vực thang máy và hành lang cường độ trường thấp, đặc biệt là các tầng thấp. Để giảm nhiễu trong trường hợp thứ nhất, cần thuật toán phối hợp giữa các trạm phủ sóng sao cho các búp sóng định hướng không bị chồng lấn lên nhau. Điều này có thể thực hiện thông qua kênh phản hồi ở đường lên từ phía thuê bao. Ngoài ra, cần phải đặt các trạm nhỏ (inbuilding) để nâng cao chất lượng phủ sóng trong nhà. Các trạm này dùng anten đẳng hướng hoặc định hướng tùy theo yêu cầu vùng phủ. Vấn đề phối hợp các trạm nhỏ với trạm lớn đặt ra tương tự trong trường hợp hiệu ứng đường hầm. 3. Kết luận Tối ưu phủ sóng đô thị dùng anten thông minh cần quan tâm tới các đặc điểm chính của địa hình đô thị. Trong nhiều trường hợp, dùng anten thông minh (BF) có hiệu quả thấp hơn anten thu phát nhiều đường (MIMO). Việc phân vùng sử dụng kiểu anten nào sẽ tùy thuộc vào yếu tố địa hình, đặc điểm chuyển động của thuê bao trong khu vực đó và yếu tố kinh tế. Để tăng hiệu quả và chất lượng phủ sóng khu vực đô thị cần phải đặt anten ở độ cao cao hơn so với địa hình xung quanh nhằm giảm ảnh hưởng tia tán xạ và phản xạ. Đối với phủ sóng trong nhà ở khu đô thị mật độ cao, cần triển khai giải pháp phủ sóng nhiều lớp để đảm bảo chất lượng tín hiệu cũng như nâng cao dung lượng. Ngoài ra, vấn đề phối hợp tối ưu môi trường vô tuyến các trạm phủ sóng dùng anten thông minh cũng là yếu tố quan trọng quyết định tới chất lượng và hiệu quả phủ sóng đô thị trong các hệ thống thông tin vô tuyến thế hệ mới ANTEN THÔNG MINH (SMART ANTENNAS) Một anten thông minh (Smart Antennas) bao gồm nhiều phần tử anten. Tín hiệu đến các phần tử này được tính toán và xử lý giúp anten xác định được hướng của nguồn tín hiệu, tập trung bức xạ theo hướng mong muốn và tự điều chỉnh theo sự thay đổi của môi trường tín hiệu. Công việc tính toán này đòi hỏi thực hiện theo thời gian thực (realtime) để Anten thông minh có thể bám theo nguồn tín hiệu khi nó chuyển động. Vì vậy, Anten thông minh còn được gọi bằng một tên khác là “Anten thích nghi” (Adaptive Antennas). Với tính chất như vậy, Anten thông minh có khả năng giảm thiểu ảnh hưởng của hiện tượng đa đường và can nhiễu. Theo hình 1.1, ta có thể nhận thấy sự khác biệt giữa vùng bức xạ của hệ thống anten thường và của anten thông minh. Anten thông minh có những búp sóng (beam) hẹp hơn và có tính định hướng cao hơn so với anten thường. Hình 1.1: Vùng bức xạ của Anten thường và Anten thông minh Vì sao Anten thông minh có thể đạt được tính “thông minh” như vậy? Thực ra, trong hệ thống Anten thông minh, bản thân các phần tử Anten không thông minh, mà sự thông minh được tạo ra do quá trình xử lý số tín hiệu các tín hiệu đến các phần tử Anten. Quá trình kết hợp tín hiệu và sau đó tập trung bức xạ theo một hướng đặc biệt được gọi là Beamforming. Hãy xem hình 1.2, đó là Sơ đồ tổng quát của Anten thông minh, ta thấy: Tín hiệu đến các phần tử Anten, sau đó được nhân với một bộ trọng số rồi tổng lại để được tín hiệu ngõ ra. Chính bộ trọng số này giúp Anten có thể tập trung bức xạ theo hướng mong muốn. Bằng cách sử dụng các giải thuật thích nghi trong quá trình beamforming, bộ trọng số này luôn được cập nhật để Anten thông minh có thể bám theo user khi họ di chuyển. Biên độ của trọng số quyết định độ rộng búp sóng chính và Side lobe level Pha của bộ trọng số quyết định hướng của búp sóng chính. Hình 1.2: Sơ đồ tổng quát của Anten thông minh (RF Module bao gồm các bộ khuếch đại nhiễu thấp, bộ đổi tần và bộ lọc analog ) NHỮNG ƯU ĐIỂM CHỦ YẾU CỦA ANTEN THÔNG MINH: Cải thiện chất lượng tín hiệu của các hệ thống truyền thông vô tuyến bằng cách triệt can nhiễu, loại bỏ hiệu ứng đa đường và thu/ phát đúng hướng mong muốn.Cải thiện dung lượng hệ thống do tăng khả năng sử dụng lại tần số trong cùng một cell.Công suất phát thấp cho phép thời gian sử dụng năng lượng lâu hơn, và do đó có thể giảm kích thước và khối lượng của các thiết bị đầu cuối. Hơn nữa, việc phát công suất thấp sẽ làm giảm ảnh hưởng đến các kênh kế cận.Anten thông minh thích hợp với hầu hết các hệ thống truyền thông vô tuyến hiện nay. Phần trên là sơ lược khái niệm về Anten thông minh và các Ưu điểm của nó. Tiếp theo là phần về "Mô hình Toán của anten thông minh", đây là kiến thức cơ bản nhất cần nắm được để có thể tìm hiểu bất kỳ bài toán nào về Anten thông minh. MÔ HÌNH TOÁN CỦA ANTEN THÔNG MINH Dãy Anten bao gồm nhiều phần tử Anten được phân bố theo nhiều mô hình khác nhau: dãy tuyến tính cách đều nhau (linear equally spaced – LES), dãy tròn đồng đều (Uniform circular), dãy không gian phẳng đồng đều (Uniformly spaced planar) … Xét mô hình dãy Anten tuyến tính cách đều nhau như hình 1.3 Phương pháp xây dựng mô hình toán dưới đây có thể áp dụng một cách tương tự cho tất cả các dãy đồng nhất: Uniform circular, Uniformly spaced planar … Hình 1.3: mô hình dãy Anten tuyến tính cách đều nhau Theo hình 1.3, phi là góc phương vị và θ là góc ngẩng của mặt phẳng sóng tới trên dãy Anten. Mặt phẳng ngang được biểu diễn bởi θ = pi/2 . Để đơn giản hoá việc phân tích dãy Anten, ta đưa ra một số giả sử sau: + Khoảng cách giữa các phần tử Anten là đủ nhỏ để không có sự thay đổi nào về biên độ giữa các tín hiệu được nhận tại từng phần tử Anten. + Không có sự kết nối tương hỗ giữa các Anten. + Tất cả những trường sóng tới đều có thể chia thành một lượng các mặt phẳng sóng rời rạc. Như vậy, số tín hiệu đến Anten là hữu hạn. Hình 1.4: Mô hình Toán của Anten thông minh Đối với một mặt phẳng sóng tới dãy Anten từ hướng (θ, phi), như hình 1.4, tín hiệu đến phần tử thứ m phải đi thêm một đoạn đường: delta_d = m.detla_x.cos(phi).sinθ (1.1) so với phần tử tham khảo tại gốc, tức là tín hiệu đến phần tử thứ m sẽ trễ hơn tín hiệu đến phần tử tham khảo một khoảng thời gian tm = delta_d/c . Như vậy, độ sai pha giữa thành phần tín hiệu đến phần tử thứ m và phần tử tham khảo tại gốc là: Giả sử rằng mỗi phần tử Anten là đẳng hướng và có độ lợi như nhau tại tất cả các hướng. Tín hiệu đến một mặt sóng có đường bao phức là s(t) . Theo các phân tích ở trên về sự trễ pha của các phần tử Anten trong dãy, tín hiệu nhận được tại phần tử Anten thứ m là: (1.2) Tín hiệu tại ngõ ra của dãy, sau khi được nhân với bộ trọng số [w0 w1 wM-1 ] với M là số phần tử Anten trong dãy là: (1.3) Phần tử f(θ,phi) được gọi là hệ số sắp xếp, nó xác định tỷ số giữa tín hiệu nhận được tại ngõ ra dãy Anten và tín hiệu s(t) đo được tại phần tử tham khảo. Hệ số sắp xếp là một hàm theo hướng đến (Direction Of Arrival ). Bằng cách điều chỉnh bộ trọng số [w0 w1 wM-1 ] , ta có thể hướng cho búp sóng chính của hệ số sắp xếp theo hướng mong muốn (θ0, phi0) . Ta định nghĩa vector trọng số (weight vector): (1.4) Tín hiệu từ mỗi phần tử Anten được nhóm lại thành một vector dữ liệu (data vector): (1.5) Tín hiệu ở ngõ ra của dãy Anten là tích vô hướng của vector trọng số và vector dữ liệu: (1.6) Ký hiệu []H thể hiện phép biến biến đổi Hermitian, tức là chuyển vị rồi lấy liên hợp phức. Hệ số sắp xếp theo hướng (θ,phi) được biểu diễn lại như sau: (1.7) Vector a(θ,phi) được gọi là vector lái theo hướng (θ,phi). Cho trước một mặt phẳng sóng tới từ hướng (θ,phi) như hình 1.4, vector lái a(θ,phi) biểu diễn pha của tín hiệu tại mỗi phần tử Anten so với tín hiệu tham khảo tại gốc. (1.8) Một tập các vector lái, được đo đạc hoặc được tính toán, được gọi là array manifold. VÍ DỤ: ARRAY FACTOR của dãy Anten 7 phần tử, hướng đến là 90độ CÁC HƯỚNG NGHIÊN CỨU: 1. Digital Beamforming (DBF): cải thiện DBF bằng cách dùng Interpolation hoặc Beamforming miền tần số Mục đích: bằng cách lấy mẫu theo cách nào đó, ta có thể tăng độ phân giải giữa 1 hướng đến, nghĩa là có thể phân biệt được tín hiệu đến từ 2 hướng sát nhau hơn. 2. Adaptive Beamforming: tìm hiểu về các giải thuật thích nghi và ứng dụng để giải quyết các vấn đề: 2.1 Triệt can nhiễu: đây là vấn đề bức thiết đối với tất cả các hệ thống thông tin. 2.2 Cân chỉnh cho Mô hình dãy Anten không lý tưởng (Mô hình thực tế) do các phần tử Anten hoặc các bộ phận RF, khuếch đại không đồng nhất, vị trí các phần tử Anten thay đổi theo thời gian 3. Direction of Arrival (DOA): sử dụng các giải thuật để ước lượng hướng đến. 4. Sparse Array: tìm hiểu các phương pháp tối ưu hoá vị trí cho Sparse Array Sparse Array là dãy Anten với các phần tử được sắp xếp theo một quy luật nào đó (nghĩa là các phần tử không cách đều nhau) nhưng vẫn đảm bảo các tiêu chí về độ rộng búp sóng chính như dãy Anten đầy đủ cùng kích thước (cùng Aperture). . xạ của Anten thường và Anten thông minh Vì sao Anten thông minh có thể đạt được tính thông minh như vậy? Thực ra, trong hệ thống Anten thông minh, bản. dụng anten thông minh. 1. Công nghệ anten thông minh Anten thông minh là một hệ thống gồm hai hay nhiều anten (phần tử của dãy) được bố trí phù hợp về