Hệ thống Anten

1. khỏi niệm về hệ thống Anten và anten thụng minh

Anten đƣợc định nghĩa nhƣ một phƣơng tiện bức xạ súng vụ tuyến, tạo ra một đƣờng truyền dẫn trong khụng gian tự do. Nú cũng hoạt động nhƣ một bộ thu năng lƣợng điện từ, sau đú đƣợc xử lý để cú thể phỏt hiện thụng tin chứa trong súng điện từ nhận đƣợc.

Ngành cụng nghiệp vụ tuyến di động đang phỏt triển với tốc độ vũ bóo. Cỏc nhà cung cấp khụng ngừng tăng số lƣợng dịch vụ, chất lƣợng dịch vụ, cũn phớ dịch vụ phải ngày càng giảm. Nhu cầu này đũi hỏi thụng tin di động phải khụng ngừng mở rộng phạm vi phủ súng, cải tiến dung lƣợng và chất lƣợng dịch vụ cao hơn.

Việc ứng dụng kỹ thuật anten thớch nghi đƣợc đề xuất trong hệ thống tế bào để khắc phục cỏc vấn đề phải đối mặt của cỏc nhà cung cấp dịch vụ: số thuờ bao tăng nhanh, trong khi đú độ rộng kờnh thỡ hạn chế. Martin Coope, nhà phỏt minh điện thoại tế bào đó nhận xột: chỳng ta chỉ sợ thiếu phổ, chứ khụng sợ thiếu khả năng sử dụng phổ hiệu quả.

Smart anten hoặc hệ anten thớch nghi bao gồm một hệ cỏc phần tử anten cú khả năng xử lý tớn hiệu, cú thể tối ƣu cỏc giản đồ hƣớng trong chế độ thu, phỏt đối với một tớn hiệu mong muốn. Chỳng cú thể tạo ra cỏc cỏc giản đồ hƣớng khỏc nhau cho mỗi thuờ bao trờn cả tuyến lờn và đƣờng xuống, tối ƣu ảnh hƣởng của nhiễu cho mỗi thuờ bao và trạm gốc. Vỡ vậy, chỳng mở rộng đƣợc phủ súng của trạm gốc, giảm nhiễu đồng kờnh và pha đinh đa đƣờng, giảm tỷ lệ lỗi bit, và tăng hiệu quả trong việc cải thiện dung lƣợng hệ thống và phổ tần.

Kỹ thuật xử lý khụng gian cũng hứa hẹn cải thiện đỏng kể hiệu suất tớn hiệu vụ tuyến di động. Nguyờn lý của xử lý này cú thể đƣợc sử dụng để phỏt triển cỏc anten thụng minh sử dụng kỹ thuật thớch nghi cho cỏc anten cú giản đồ hƣớng hỡnh dải quạt. Vỡ vậy, khải niệm anten thụng minh trở nờn rất hấp dẫn cho ngành cụng nghiệp thụng tin di động, đặc biệt là trong những năm gần đõy.

2. Một số khỏi niệm cơ bản cú liờn quan

Mật độ cụng suất bức xạ tớnh theo đơn vị watts/rad2

đƣợc ký hiệu bởi: U(,)

Trong đú: = gúc phƣơng vị và = gúc đứng.

Cụng suất tổng cộng đƣợc phỏt bởi anten là:

               0 2 0 ) )( )( , sin( ) , ( d d U Pt

Mật độ cụng suất trung bỡnh => Uavg Pt /4

Một anten đẳng hƣớng, (hoặc vụ hƣớng) cú Uavg U(,)

Mật độ cụng suất cực đại của anten đƣợc ký hiệu bởi => Um axmax,{U(,)}

Hệ số tăng ớch anten đƣợc định nghĩa bởi => G(,)U(,)/Uavg trong đú  là hiệu suất anten.

Độ tăng ớch đỉnh của anten =>Gpeak Um ax/Uavg

Cụng suất bức xạ đẳng hƣớng hiệu dụng (EIRP) là cụng suất cần phải cú khi sử dụng anten đẳng hƣớng để đƣa ra cựng một giỏ trị mật độ cụng suất so với khi sử dụng anten định hƣớng, đƣợc viết theo cụng thức dƣới đõy:

m ax

4 U G

P

PEIRP t peak  

Theo một hƣớng cho trƣớc (tại bỏn kớnh = r), năng lƣợng tổng cộng truyền qua một diện tớch A => ) 4 /( ) , ( ) , ( G PA r2 Pr      t 

Độ tăng ớch cực đại của anten cú độ mở=Am đƣợc cho bởi:

m

A G(4/2)

Vỡ vậy, biểu thức cho độ mở hiệu dụng của anten => Ae Am 2G/4

 Sơ đồ đơn giản của đường truyền vụ tuyến

Gt Gr

d

Pt Pr

Năng lƣợng nhận đƣợc tại anten thu tớnh theo cụng thức: Pr GtPtA/(4d2).

Phƣơng trỡnh này đƣợc đặt tờn là phƣơng trỡnh liờn kết trong khụng gian tự do Friis.

Transmitte r

Khi chuyển sang dB ta cú: Pr(dB)Pt(dB)Gt(dB)Gr(dB)Lp(dB) với Lp= path loss.

3. Một số kiểu anten dựng trong thụng tin di động.

Cú rất nhiều kiểu anten, mỗi loại cú một đặc trƣng riờng nhƣ trở khỏng, độ rộng bỳp súng, dải tần, phõn cực, mức độ của bỳp súng chớnh và hỡnh dạng của giản đồ hƣớng. Cỏc anten cú thể đƣợc sắp xếp thành hệ thống dàn để đạt đƣợc giản đồ hƣớng mong muốn. Dƣới đõy là đồ thị phƣơng hƣớng trong khụng gian ba chiều cho dóy cỏc phần tử anten sắp theo đƣờng thẳng.

Hỡnh 13. Cỏc giản đồ hƣớng ba chiều Cỏc anten cú thể đƣợc phõn theo hai loại sau:

 Anten vụ hướng

 Anten định hướng

Anten vụ hướng Anten định hướng

Hỡnh14. Giản đồ hƣớng của anten vụ hƣớng và định hƣớng

Tro ng một hệ thống tế bào, cỏc anten vụ hƣớng thƣờng đƣợc sử dụng tại cỏc trạm gốc để tăng diện tớch phủ súng. Nhƣng nú cũng dẫn tới lóng phớ năng lƣợng, đồng thời

là nguyờn nhõn chớnh gõy ra nhiễu đồng kờnh tại biờn giới với cỏc trạm gốc lõn cận. Để nõng cao dung lƣợng hệ thống và giảm ảnh hƣởng của nhiễu đồng kờnh cú thể sử dụng hai kỹ thuật:

 Hệ thống anten cú giản đồ hướng hỡnh dải quạt (gọi là anten dải quạt)

 Hệ thống Phõn tập

Khỏi niệm dải quạt liờn quan đến việc phõn chia tế bào thành cỏc dải hỡnh quạt, mỗi dải đƣợc phục vụ bởi một anten định hƣớng. Mỗi dải quạt cú thể đƣợc xử lý nhƣ một tế bào riờng. Cỏc anten dải quạt cho phộp tăng khả năng xử dụng lại kờnh tần số trong cỏc hệ thống tế bào do giảm nhiễu trong tế bào. Chỳng cũng làm giảm nhiễu cựng kờnh với cỏc trạm lõn cận vỡ cỏc bỳp súng của chỳng đƣợc định hƣớng.

Bƣớc tiếp theo đối với anten thụng minh là sự kết hợp của cỏc hệ thống phõn tập. Một hệ thống phõn tập hợp nhất hai phần tử anten tại một trạm gốc với sự sai khỏc chỳt ớt về tham số kỹ thuật. Đối với trƣờng hợp thu tớn hiệu khụng tƣơng quan hai phần tử anten nờn đó cỏch nhau ớt nhất là /2 ( = độ dài bƣớc súng của tớn hiệu thu). Khi đú chỳng ta khai thỏc đặc tớnh khụng gian của hệ anten và cỏc kết quả thu sẽ đƣợc cải thiện bằng cỏch khử cỏc tớn hiệu ngƣợc pha của thành phần pha đinh đa đƣờng tại điểm thu.

Hệ thống phõn tập cải thiện cƣờng độ hiệu dụng của tớn hiệu nhận đƣợc bằng cỏch sử dụng một trong hai phƣơng phỏp sau:

(i) Chuyến mạch/Chọn lọc: Hệ thống chuyển mạch liờn tục giữa cỏc cỏc anten sẵn cú và kết nối mỗi kờnh thu với một anten cú tớn hiệu thu tốt nhất. í tƣởng ở đõy là nếu tớn hiệu bị suy yếu tại một anten, nú sẽ thu đƣợc tốt tại một anten khỏc (vỡ nú thu tớn hiệu khụng tƣơng quan). Kỹ thuật này làm giảm ảnh hƣởng của pha đinh lờn tớn hiệu nhƣng khụng làm tăng độ lợi, bởi vỡ chỉ một anten đƣợc sử dụng tại một thời điểm.

(ii) Kết hợp: Thực hiện việc kết hợp năng lƣợng của hai tớn hiệu đa đƣờng, với cỏc dịch pha thớch hợp, sẽ đạt đƣợc độ lợi lớn hơn so với giải phỏp trƣớc cú. Cỏc hệ thống phõn tập khỏc nhƣ hệ thống kết hợp tớn hiệu cực đại, kết hợp cỏc đầu ra của tất cả cỏc anten để cú cực đại tỷ số năng lƣợng tớn hiệu nhận đƣợc trờn năng lƣợng nhiễu.

Cỏc anten phõn tập đơn giản chỉ là cỏc xử lý chuyển mạch từ một phần tử đang làm việc sang phần tử khỏc. Mặc dự cỏch này làm giảm pha đinh đa đƣờng, nhƣng sử dụng một phần tử tại một thời điểm sẽ khụng cải thiện đƣợc độ lợi tuyến lờn. yờu cầu tăng dung lƣợng sử dụng đó dẫn tới bƣớc tiếp theo trong quỏ trỡnh phỏt triển của hệ thống anten tớch hợp xử lý thụng minh sử dụng đồng thời với cỏc phần tử anten phõn tập. Hệ

II. HỆ THỐNG ANTEN THễNG MINH.

Smart antens là một dàn cỏc phần tử ..xử lý tớn hiệu để nõng cao hiệu quả chống nhiễu ồn và nhiễu giao thoa trờn kờnh truyền và làm giảm ảnh hƣởng của pha đinh đa đƣờng đến tớn hiệu thụng tin. Smart antens truyền và nhận tớn hiệu theo kiểu thớch nghi cú tớnh nhạy cảm khụng gian và khả năng xử lý tớn hiệu số. Một phần tử anten tự bản thõn nú khụng thụng minh; Cần cú sự kết hợp cỏc phần tử của dàn anten và xõy dựng phần mềm xử lý tớn hiệu để tạo ra hệ anten thụng minh, hiệu quả. Điều đú cú thể làm tăng cỏc chỉ tiờu về hiệu suất (nhƣ dung lƣợng) của hệ thống vụ tuyến. Hệ anten thụng minh đƣợc đặt tại trạm gốc vỡ yờu cầu xử lý tớn hiệu rất phức tạp.

Cỏc hệ thống anten thụng minh đƣợc phõn loại thành một số loại:  Hệ anten chuyển mạch bỳp súng ( hay chuyển mạch tia)

 Dàn anten định pha động

 Dàn anten thớch nghi

1. Cỏc anten chuyển mạch bỳp súng

Anten chuyển mạch bỳp súng là cỏc anten định hƣớng đƣợc triển khai tại cỏc trạm gốc của tế bào. Chỳng cú chức năng chuyển mạch cho cỏc anten định hƣớng riờng hoặc cho cỏc bỳp súng của một dàn anten. Điều này cho phộp đạt hiệu suất tốt nhất, thụng thƣờng theo cỏc hạn mức của năng lƣợng thu đƣợc. Đầu ra của cỏc phần tử khỏc nhau đƣợc lấy mẫu định kỳ để biết chắc rằng chỳng cú bỳp thu tốt nhất. Vỡ sự định hƣớng cao hơn so với anten thụng thƣờng, nờn độ tăng ớch đạt đƣợc cao hơn. Một anten nhƣ vậy đặt trong cỏc cấu trỳc tế bào dễ dàng hơn cỏc dàn anten thớch nghi phức tạp, nhƣng hiệu suất mà nú đạt đƣợc cũn nhiều hạn c hế.

Cỏc anten chuyển mạch bỳp cũng là cỏch tiếp cận để tạo dải quạt tế bào. Cú rất nhiều bỳp đƣợc định trƣớc trong một tế bào và bỳp đú cho khả năng thu tốt nhất. Cỏc anten này cú thể đƣợc sử dụng cho cả thu và phỏt cho cỏc trạm di động nằm trong phạm vi của bỳp. Sự chuyển giao (softer handoffs) trong tế bào là một yếu tố nhƣng truyền nhận định hƣớng là ƣu điểm vỡ làm giảm nhiễu, mức độ che phủ súng lớn hơn và dung lƣợng lớn hơn.

Hỡnh 16. Sơ đồ hệ thống chuyển mạch bỳp súng

Một hệ thống chuyển bỳp đƣợc mụ tả nhƣ sơ đồ trờn, yờu cầu một mạng tạo dạng bỳp, một chuyển mạch RF và điều khiển logic để chọn một bỳp thớch hợp. Bằng cỏch lựa chọn một bỳp, một trong M vector trọng số đƣợc xỏc định. Sự lựa chọn bỳp đƣợc thực hiện cho mỗi bộ thu riờng.

2. Dàn anten định pha động.

Cỏc bỳp đƣợc xỏc định trƣớc và đƣợc cố định đối với trƣờng hợp của hệ thống bỳp chuyển mạch. Một thuờ bao cú thể nằm trong phạm vi của một bỳp tại một thời điểm xỏc định nhƣng khi thuờ bao di chuyển khỏi trung tõm của bỳp và đi dọc theo biờn của bỳp, tớn hiệu nhận đƣợc trở lờn yếu đi và cú sự chuyển giao mềm xảy ra tại vựng giỏp gianh.

M*M

Beamforming network

Receiver for user K-1 Receiver for user 0

Switch control

Nhƣng trong dàn anten định pha động, một thuật toỏn DoA bỏm theo tớn hiệu của thuờ bao khi thuờ bao di chuyển trong dải của bỳp. Bởi vậy, thậm chớ, sự chuyển giao trong tế bào xảy ra, tớn hiệu thuờ bao đƣợc nhận với độ lợi tối ƣu. Nú cú thể đƣợc xem nhƣ một khỏi quỏt khỏi niệm chuyển mạch bỳp theo hƣớng mà năng lƣợng thu đƣợc là cực đại.

3. Dàn anten thớch nghi

Dàn anten thớch nghi, cũng thuộc loại anten thụng minh, chỳng là một tập cỏc phần tử anten cú thể tự động thay đổi giản đồ hƣớng trong chế độ thu hoặc phỏt, nhằm mục đớch điều chỉnh sự thăng dỏng trong kờnh nhiễu ồn và nhiễu giao thoa để cải thiện tham số SNR của tớn hiệu mong muốn. Từ “thụng minh” núi tới năng lực xử lý tớn hiệu là một phần của anten thớch nghi. Nú điều khiển giản đồ hƣớng anten bằng cỏch cập nhật liờn tục tập trọng số anten.

Hỡnh 17. Giản đồ hƣớng anten thớch nghi so với giản đồ hƣớng của anten thụng thƣờng Một dàn anten thớch nghi hoặc anten thụng minh cũn cú tờn là anten mềm (software antenna) bởi vỡ nú cú thể tạo dạng một giản đồ hƣớng anten mong muốn và điều khiển nú một cỏch thớch ứng, nếu một tập trọng số anten thớch hợp đƣợc cung cấp và cập nhật bằng phần mềm. Giản đồ hƣớng trong chế độ thu tớn hiệu cú thể đƣợc điều chỉnh để dặt null cho cỏc hƣớng cú nhiễu. Hƣớng cú nhiễu đƣợc bỏm dựa trờn thuật toỏn DoA. Dàn anten cũng cú thể kết hợp cỏc tớn hiệu đa đƣờng sử dụng kỹ thuật phõn tập khụng gian; nhằm đạt cực đại tỷ số tớn hiệu trờn nhiễu giao thoa SIR.

Adaptive anten arrays’ beam that tracks the user

Anten pattern for a traditional 60degree secoring anten

Hỡnh 18. Giản đồ hƣớng anten đối với dàn anten thớch nghi đặt Null cho cỏc hƣớng cú nhiễu

Mộ dàn anten thớch nghi cú thể đƣợc xem xột nhƣ một bộ lọc thớch nghi theo phạm vi khụng gian và thời gian cho truyền thụng vụ tuyến, bởi vậy lý thuyết truyền thụng cú thể đƣợc tổng quỏt hoỏ từ vựng thời gian quy ƣớc vào vựng gồm cả khụng gian và thời gian.

 Hai loại anten thớch nghi

Cú hai loại anten thớch nghi :

(1)Cấu hỡnh Applebaum

(2)Cấu hỡnh Widrow

Hai cấu hỡnh này đƣợc chỉ ra dƣới đõy: Hỡnh 19. Cấu hỡnh Applebaum

y = WTX

Cỏc trọng số đƣợc cập nhật dựa trờn tớn hiều ra. Mạng điều khiển thụng tin yờu cầu biết trƣớc thụng tin của vị trớ nguồn (qua thụng tin của vector chỉ hƣớng).

Thuật toỏn sự dụng cực đại của tỷ số tớn hiệu ra trờn nhiễu.

Hỡnh 20. Cấu hỡnh Widrow + y = wTx X W t r t) ( ) T ( 

Trong cấu hỡnh này, tớn hiệu mong đợi là sẵn sàng (đƣợc dựng để tham chiếu). Cỏc trọng số đƣợc cập nhật dựa trờn sai số trung bỡnh bỡnh phƣơng giữa tớn hiệu ra và tớn hiệu mong muốn. Vỡ vậy mạng yờu cầu biết trƣớc thụng tin của tớn hiệu mong muốn nhƣng khụng phải vị trớ khụng gian của tớn hiệu. Thuật toỏn LMS tạo hƣớng null theo hƣớng của cỏc tớn hiệu khụng tƣơng quan với tớn hiệu mẫu.

Adaptive Loop (LMS algorithm)

+

4. So sỏnh hai cụng nghệ bỳp chuyển mạch bỳp súng và anten thớch nghi thớch nghi

Cụng nghệ bỳp chuyển mạch

 Độ lợi cao, làm hẹp độ rộng băng và độ rộng bỳp theo gúc phƣơng vị

 Dựng ma trận Buttler

 Rất nhiều bỳp định hƣớng cố định đƣợc sử dụng

Sử dụng thuật toỏn chọn lọc bỳp:

 Yờu cầu chỉ tỏc động vừa phải với bộ thu trạm gốc so với hệ thống anten thớch

nghi

 Vỡ đõy là cỏch tiếp cận cụng nghệ ở mức tƣơng đối thấp nờn chi phớ và độ phức

tạp thấp hơn Nhƣợc điểm:

 Chuyển giao trong tế bào phải đƣợc xử lý

 Khụng thể làm giảm cỏc thành phần nhiễu đa đƣờng với gúc tới của nhiễu gần

với hƣớng của tớn hiệu mong muốn

 Khụng thể lợi dụng ƣu thế của phõn tập đƣờng truyền bằng cỏch tổ hợp cỏc tớn

hiệu đa đƣờng

Cụng nghệ anten thớch nghi

Ƣu điểm:

 Cỏc bỳp anten bỏm hƣớng tớn hiệu một cỏch linh hoạt; một hƣớng Null cú thể

đƣợc đặt cho hƣớng cú nhiễu

 Khụng cú vấn đề chuyển giao trong tế bào vỡ cỏc bỳp bỏm thuờ bao liờn tục

 Cú thể tăng dung lƣợng nhiều hơn so với chuyển mạch bỳp

 Cần DSP để xử lý tớn hiệu sõu hơn

Nhƣợc điểm:

 Chi phớ cao hơn cho cài đặt; một trạm gốc với anten truyền thống cú thể đƣợc

III. ƢU ĐIỂM CỦA SMART ANTEN ỨNG DỤNG TRONG CDMA

Cỏc tham số phải đƣợc xem xột trong khi thiết kế một hệ thống vụ tuyến và cỏc thỏch thức phải đối mặt cú thể đƣợc liệt kờ nhƣ dƣới đõy: