Anten mảng tuyến tính cho phép cải thiện công suất phát đẳng hướng sau anten và tập trung vào hướng mong muốn. Nhờ có tăng ích cao, anten mảng tuyến tính giúp cải thiện tỉ lệ giữa tín hiệu có ích trên nhiễu trong hệ thống thu. Các anten mảng còn có khảnăng nén đồ thị bức xạởcác hướng nhất định nhằm loại trừ việc thu, phát nhiễu không mong muốn. Khảnăng này có thểđược thực hiện bằng kỹ thuật khiển phân bố pha hoặc phân bố biên độ của tín hiệu kích thích tại lối vào các phần tử của anten mảng.
Anten mảng tuyến tính sử dụng công nghệ vi dải được sử dụng nhiều trong các hệ thống thông tin vô tuyến hiện đại. Anten mảng dạng này thường có cấu trúc nhỏ gọn, có thể tích hợp cùng các thành phần khác của hệ thống như mạng tiếp điện, bộ khuếch đại công suất làm hạgiá thành sản xuất và giảm kích thước của hệ thống. Nhờ cấu trúc đơn giản, anten mảng vi dải có thể được dán trực tiếp bề mặt của cấu trúc vật thể như là mảng ra-đa gắn trên vỏphương tiện giao thông hay hộp đựng hàng hóa. Ứng dụng phổ biến của anten mảng tuyến tính có thể kể đến như sau:
- Ứng dụng trong thiết bịthu, định hướng nguồn sóng tới.
- Ứng dụng trong hệ thống thông tin di động, một số anten mảng tuyến tính đã được đề xuất cho thiết bịđầu cuối hoạt động trong mạng 5G.
- Ứng dụng trong hệ thống vô tuyến định vị (ra-đa), hệ thống vô tuyến dẫn đường.
- Ứng dụng trong thiết bị cự ly ngắn, hoạt động trong các băng tần miễn giấy phép sử dụng tần số như hệ thống vô tuyến băng rộng WLAN, hệ thống nhận dạng vô tuyến RFID.
1.3. Ứng dụng thuật toán đàn Dơi trong kỹ thuật nén búp sóng phụ của anten mảng tuyến tính
1.3.1. Tổng quan về thuật toán đàn Dơi
Thuật toán đàn Dơi thuộc nhóm tối ưu bầy đàn được đề xuất dựa trên ý tưởng mô phỏng kỹ thuật di chuyển và săn mồi của đàn Dơi đểtìm lời giải cho bài toán tối ưu nhiều biến. Thuật toán đàn Dơi được công bố bởi tác giả Xin- She Yang năm 2010 tại Vương quốc Anh [56]. Kể từ năm 2017, thuật toán đàn Dơi được đề xuất phát triển cho bài toán nén búp sóng phụ bằng kỹ thuật đặt điểm không thông qua phương pháp điều khiển phân bốbiên độvà phân bố pha bởi nhóm tác giả Việt Nam như trình bày tại các công bố [61-63] và nghiên cứu [64]. Chính vì vậy, tác giả luận án này có điều kiện thuận lợi để tiếp cận thuật toán và phát triển nội dung nghiên cứu liên quan đến sử dụng thuật toán đàn Dơi trong bài toán thiết kế anten mảng tuyến tính.
Về ý tưởng thuật toán, khi quan sát đàn Dơi người ta thấy rằng, đểtránh va chạm và tìm con mồi, Dơi sử dụng kỹ thuật định vị qua sóng siêu âm phản xạ. Mỗi con Dơi trong đàn phát ra một sóng âm có tần số và biên độ bất kỳ, chúng nhận tín hiệu phản hồi về và đánh giá được không gian xung quanh. Khi xác định được hướng có khảnăng cao nhất có con mồi, chúng sẽhướng vềphía đó đồng thời tăng tần sốphát, giảm biên độsóng âm phát ra đểxác định chính xác hơn về vịtrí con mồi. Một cách đơn giản có thể hiểu rằng, vịtrí con mồi là vị trí tối ưu mà đàn Dơi cần tìm kiếm. Thuật toán đàn Dơi gồm hai quá trình tìm kiếm là tìm kiếm toàn cục (khu vực có khả năng cao nhất) và tìm kiếm cục
bộ(tìm kiếm giá trị tốt nhất trong khu vực có khả năng cao nhất). Thuật toán đàn Dơi có thể được mô tả như sau [56]:
Giả thiết rằng đàn Dơi có Q phần tử. Mỗi phần tửDơi đặc trưng bởi vị trí
xi bất kỳ và có vận tốc di chuyển vi, tần số phát xung fi, tỉ lệ xung Ri
(với Riϵ [0,1]), Ailà biên độ của xung.
Ở mỗi bước tìm kiếm thứ t, thực hiện khởi tạo tần số fi bất kỳvà cập nhật vận tốc vicho các phần tửDơi ở vịtrí xi theo quy tắc:
𝑓𝑖 = 𝑓𝑚𝑖𝑛+ (𝑓𝑚𝑖𝑛− 𝑓𝑚𝑎𝑥)𝜅 (1. 27)
𝑣𝑖𝑡+1 = 𝑣𝑖𝑡+ (𝑥𝑖𝑡− 𝑥∗)𝑓𝑖 (1. 28)
𝑥𝑖𝑡+1 = 𝑥𝑖𝑡 + 𝑣𝑖𝑡 (1. 29)
Với 𝜅 được lấy ngẫu nhiên trong đoạn [0,1] và 𝑥∗ là giải pháp toàn cục tốt nhất tạm thời đã tìm được.
Nếu vịtrí mới là giải pháp toàn cục tốt nhất trong số các giải pháp đã có thì khởi phát quá trình tìm kiếm khu vực bằng các bước ngẫu nhiên theo quy tắc sau:
𝑥𝑛𝑒𝑤 = 𝑥𝑜𝑙𝑑 + 𝜇𝐴𝑡 (1. 30)
Với At là biên độ trung bình của tất cả phần tử tại bước lặp thứ t; và 𝜇 là giá trị ngẫu nhiên trong đoạn [-1,1]. Biên độ và tỉ lệ phát xung được cập nhật theo quy tắc sau:
𝐴𝑖𝑡+1 = 𝜎𝐴𝑖𝑡 (1. 31)
𝑅𝑖𝑡+1 = 𝑅𝑖0(1 − exp(−𝛾𝑡)) (1. 32)
Với 𝜎 và γ là các hằng số thỏa mãn điều kiện 0 < σ< 1 và 0 < γ
1.3.2. Đánh giá thuật toán đàn Dơi
Một sốđặc điểm chính của thuật toán đàn Dơi đã được chỉ ra tại [64] là: - Thuật toán đàn Dơi tương đối đơn giản, dễ thực hiện.
- Thuật toán đàn Dơi có tính tùy biến cao, nó cho phép điều chỉnh linh động các tham số của bài toán tối ưu. Những tham số mô phỏng “biên độ” hay “tần số” sóng âm thanh của Dơi có thể được thiết lập tùy ý bởi người dùng và được thuật toán tự điều chỉnh trong quá trình tìm kiếm toàn cục và cục bộ.
- Thuật toán đàn Dơi còn có một đặc điểm ưu việt khác là khả năng tự động tìm kiếm trong các vùng “có khả năng cao” chứa lời giải bài toán. Đặc điểm này được thể hiện trong lưu đồ thuật toán ở bước khi tìm được giải pháp toàn cục mới tốt hơn giải pháp hiện tại, thuật toán khởi phát một quá trình tìm kiếm ngẫu nhiên trong khu vực có giải pháp toàn cục đó.
Tại nghiên cứu [57] và [62], thuật toán đàn Dơi đã được so sánh qua kết quả mô phỏng để đánh giá hiệu quả thực thi đối với bài toán tối ưu. Theo kết quả được công bố tại các nghiên cứu này, trong bài toán điều khiển búp sóng, thuật toán đàn Dơi có tốc độ hội tụ nhanh hơn so với thuật toán GA, PSO và APSO so sánh ởcùng một sốđiều kiện khởi tạo.
1.3.3. Sử dụng thuật toán đàn Dơi trong kỹ thuật điều khiển búp sóng
của anten mảng tuyến tính a) Xây dựng hàm mục tiêu
Đối với các thuật toán tối ưu nói chung và thuật toán đàn Dơi nói riêng, việc xây dựng hàm mục tiêu quyết định đến khảnăng thực thi hiệu quả và tính chính xác của kết quả thu được. Do hệ số mảng là thành phần quyết định đến đồ thị bức xạ tổng hợp của anten mảng nên hàm mục tiêu thường được xây dựng dựa trên hệ số mảng. Thông thường, trong bài toán thiết kế anten mảng thì hàm mục tiêu cần đáp ứng đồng thời hoặc ít nhất một trong số các yêu cầu vềđiều khiển búp sóng phụ là:
- Giảm mức của các búp sóng phụ
Khi đó, hàm mục tiêu F có thể biểu diễn như sau:
𝐹 = 𝑐1𝐹1 + 𝑐2𝐹2 (1. 33)
Ở đây, F1 là hàm kiểm soát việc đặt các điểm không; F2 là hàm kiểm soát mức búp sóng phụ với giá trị cho trước; c1 và c2 là hằng số được lựa chọn trên cơ sở đánh giá mức độ quan trọng của các yêu cầu tối ưu. Hàm F là một hàm tối ưu cực tiểu, đạt nhỏ nhất khi F1và F2 nhỏ nhất.
Giả thiết rằng yêu cầu của bài toán là triệt búp sóng phụ tại hướng góc θnull
và mức các búp sóng phụ được nén không vượt quá mức thiết lập trước pre_sll. Khi đó, hàm mục tiêu được thiết kế tổng quátnhư sau [62]:
𝐹 = 𝑐1∑ |𝐴𝐹0(𝜃𝑖)|2
𝜃𝑖=𝑛𝑢𝑙𝑙 + 𝑐2∑𝜃𝑗≠𝑛𝑢𝑙𝑙|𝐴𝐹0(𝜃𝑗) − 𝐴𝐹𝑑(𝜃𝑗)|2 (1. 34)
AF0 là hệ số mảng mong muốn đáp ứng yêu cầu về đặt điểm không tại góc
θnull và kiểm soát các búp sóng phụở mức giới hạn cho trước pre_sll.
AFd là hàm tham chiếu để tối ưu mức búp phụ về giá trị pre_sll mong
muốn. Đểtăng tốc độ hội tụ của thuật toán, hàm AFdthường được chọn là một hàm mẫu với bộ trọng số phân bố có sẵn theo các chuỗi toán học như Chebyshev hay Taylor đáp ứng mức suy giảm búp sóng phụ pre_sll.
Trong nghiên cứu tại luận án này, đối tượng nghiên cứu làcác anten mảng tuyến tính có số phần tử là chẵn, đồ thị bức xạ đối xứng và có búp sóng chính vuông góc mặt phẳng anten. Để chuẩn hoá đồ thị bức xạtheo hướng búp sóng chính, hệ số mảng AF tại (1.2) được viết lại như sau:
𝐴𝐹(𝜃) = ∑𝑁 𝑎𝑛𝑒𝑗(𝑛−1)(𝑘.𝑑.sin 𝜃+ 𝛿𝑛)
𝑛=1 (1. 35)
Trong đó, góc θ thay đổi trong đoạn [-90o, 90o], hướng góc 0o là hướng vuông góc với mặt phẳng anten và N là số phần tử của mảng. Để giữbúp sóng
chính ởtrung tâm của mảng tại θ = 0ovà đồ thị bức xạ là đối xứng thìgiá trị δn
và an được thiết lập cần thoả mãn:
𝛿𝑛 = 0𝑜 (1. 36)
𝑎𝑛 = 𝑎𝑁−𝑛+1 , với n = 1… N/2 (1. 37)
Do tính đối xứng, với mỗi điểm không được đặt ở búp sóng phụ bất kỳ trong đoạn [-90o, 0o] thì có tương ứng một điểm không trong đoạn [0o, 90o] đối xứng qua búp sóng chính.
b) Giải thuật chi tiết
Giải thuật thực thi thuật toán đàn Dơi để tối ưu hệ số mảng được trình bày tại Hình 1.5 dưới đây và có thể tóm tắt gồm các bước như sau:
-Bước 1: Trên cơ sở yêu cầu đầu vào về nén mức búp sóng phụ và đặt điểm không, xây dựng hàm mục tiêu F(x) theo công thức (1.34).
-Bước 2: Lựa chọn trọng số được sử dụng để tối ưu (có thể là biên độ, pha hay khoảng cách).
-Bước 3: Khởi tạo thuật toán.
+ Khởi tạo tập đàn Dơi gồm có Q phần tử xivà các tham sốđặc trưng của mỗi phần tử Dơi là vi , fi, Ri, Ai, fmin và fmax. Mỗi xi là một biến gồm N chiều (với N là số phần tử của anten mảng đang thiết kế).
+ Định nghĩa các giới hạn của quá trình tìm kiếm: ngưỡng giá trị chấp nhận được của hàm F(x): threshold; số vòng lặp tối đa: t_max
+ Tìm x* là giá trị toàn cục tốt nhất lúc ban đầu trong sốcác xi sao cho:
F(x*) là giá trị nhỏ nhất trong số các F(xi) {i = 1...Q}. Thiết lập Fmin = F(x*)
- Bước 4: Thực hiện quá trình tìm kiếm toàn cục.
+ Ở mỗi bước tìm kiếm bất kỳ, vị trí và tần sốphát xung của phần tử Dơi
xi được cập nhật theo các công thức (1.27), (1.28) và (1.29). Tìm trong số các xi hiện tại giá trị xs sao cho hàm F(x) là nhỏ nhất.
- Bước 5: Thực hiện quá trình tìm kiếm cục bộ. + Khởi tạo các xj lân cận giá trị xs theo (1.30).
+ Nếu Fmin > F(xj) thì cập nhật x* = xj. Thay đổi tỉ lệ phát xung và biên độ của các phần tửDơi xitheo công thức (1.31) và (1.32).
+ Kiểm tra các điều kiện (thời gian t_max, sai số chấp nhận được
threshold) và quay lại Bước 4 nếu chưa vi phạm các giới hạn tìm kiếm.
Hình 1. 5. Giải thuật chi tiết của thuật toán đàn Dơi
BẤT
ĐẦU
Định nghĩa hàm mục tiêu F(x), threshold, và sốvòng lặp tối đat_max
khởi tạo đàn Dơi và các đặc điểm của phần tửDơi xi, vi , fi, ri, Ai
Tìmx*là giá trịtoàn cục tốt nhất lúc ban đầu
Thiết lập: solution = x*và fitness = F(x*)
fitness < threshold hoặc t > t_max
Kết
thúc với kết quả
tốt nhất hiện có
Cập nhật vịtrí và tần sốphát xung của các phần tửDơi
cập nhật sốvòng lặp tđã thực hiện Rand < Ri Cập nhật: 𝑥𝑖= 𝑥𝑖+ 𝜀 ∗ 𝑅𝑎𝑛𝑑 Rand < Ai và F(xi) < F(x*) Cập nhật: x* = xi và F(x*) = F(xi) fitness > F(x*) Đúng Sai Đúng Sai Đúng Sai Đúng Sai
Các tham số khởi tạo thuật toán đàn Dơi được trình bày tại Bảng 1.3. Bộ tham số này cũng được sử dụng xuyên suốt cho việc thực thi thuật toán đàn Dơi trong các phần tiếp theo của luận án. Thời gian thực hiện thuật toán kéo dài khoảng 05 giây với cấu hình máy vi tính để bàn (ACPIx64 based PC, bộ vi xử lý Intel(R) Core(TM)i-8500CPU @3.00GHz (x8), RAM 8 GHz). Các tham số được lựa chọn trên cơ sở tham khảo nghiên cứu có liên quan và đánh giá, lựa chọn qua quá trình khảo sát, thực hiện thuật toán trên phần mềm Matlab. Thời gian thực hiện thuật toán được kiểm soát bằng sốvòng tìm kiếm toàn cục (20 vòng). Theo kết quảnghiên cứu [57], [62] và [63] thì sau 20 vòng tìm kiếm, hàm mục tiêu ít thay đổi và hội tụ. Thực tế, việc lựa chọn các tham số cho thuật toán đàn Dơi cho phép tính tùy biến cao. Chẳng hạn, số lượng phần tửDơi tại nghiên cứu [57] có thể chọn là 100 hoặc 1000 nhưng kết quả thực thi thuật toán đều cho thấy sự vượt trội so với thuật toán so sánh PSO.
Bảng 1. 3. Tham số thực thi thuật toán đàn Dơi sử dụng tại luận án
Số con Dơi Q 100
Tỉ lệ xung phát xung Ri 0,8
Biên độ xung Ai 0,5
Tần số phát xung nhỏ nhất fmin 0
Tần số phát xung lớnnhất fmax 2
Số vòng lặp tối đa t_max 20
Sai số threshold 0,001
Do tính ngẫu nhiên của các tham số được khởi tạo và trong quá trình tối nên sau mỗi lần thực thi thuật toán, bộ trọng số nhận được có thểsai khác nhỏvà độ sâu điểm không có thể khác nhau, nhưng hệ số mảng AF đều hội tụ được về các yêu cầu đã đặt ra. Các bộ trọng số được lựa chọn để trình bày là các phân bố cho hệ số mảng đạt được điểm không có mức nhỏ nhất.
Kết quả áp dụng thuật toán đàn Dơi trong bài toán tối ưu hệ số mảng của anten mảng tuyến tính 10 phần tử có yêu cầu đặt điểm không ở ba trường hợp khác nhau bằng kỹ thuật điều khiển biên độ được trình bày dưới đây.
Hình 1. 6. Đặt một điểm không tại góc 17otrên đồ thị bức xạ của anten mảng tuyến tính sử dụng thuật toán đàn Dơi
- Trường hợp 1: Đặt một điểm không tại góc 17o (vịtrí đỉnh của búp sóng phụ thứ nhất) và mức búp sóng phụ không vượt quá -25 dB. Hệ số mảng với phân bốbiên độđược tối ưu và phân bố đều được so sánh tại Hình 1.6.
Hình 1. 7. Đặt hai điểm không tại góc 17ovà 45otrên đồ thị bức xạ của anten mảng tuyến tính sử dụng thuật toán đàn Dơi
- Trường hợp 2: Đặt hai điểm không tại góc 17ovà 45o (vịtrí đỉnh của búp sóng phụ thứ nhất và thứ ba) và mức búp sóng phụ không vượt quá -25 dB. Hệ số mảng với phân bố biên độ được tối ưu và phân bố đều được so sánh tại Hình 1.7.
Hình 1. 8. Đặt dãy điểm không từgóc 17ođến 45otrên đồ thị bức xạ của anten mảng tuyến tính sử dụng thuật toán đàn Dơi
- Trường hợp 3: Đặt dãy điểm không liên tục từ góc 17ođến 45o(dãy các điểm không bao trùm ba búp sóng phụ liên tiếp từ búp sóng thứ nhất đến búp sóng thứ ba) và mức búp sóng phụ không vượt quá -25 dB. Hệ số mảng với phân bốbiên độđược tối ưu vàphân bố đều được so sánh tại Hình 1.8.
c) Phạm vi áp dụng thuật toán đàn Dơi trong luận án
Luận án đặt mục tiêu nghiên cứu phát triển anten mảng tuyến tính cốđịnh sử dụng công nghệ vi dải đểđáp ứng yêu cầu vềnénbúp sóng phụ. Đối với các anten mảng cốđịnh này, bộ trọng sốáp đặt lên các phần tử của mảng được thiết kế thông qua một mạng tiếp điện vi dải xác định trước. Nếu áp dụng kỹ thuật điều khiển pha, đểđạt được độchính xác cao, thông thường sẽ cần có các phần tử tích cực như bộ dịch pha số, bộ biến đổi tương tự-số. Điều này làm tăngđộ phức tạp và chi phí nghiên cứu, chế tạo mẫu để đo kiểm thử nghiệm.
Nếu sử dụng kỹ thuật điều khiển biên độ hay khoảng cách, việc thực hiện các bộ trọng số sẽ thuận tiện hơn nhiều vì chỉ cần sử dụng các bộ chia công suất vi dải thụ động và bộ phối hợp trở kháng bằng đường truyền một phần tư bước sóng.Vì vậy, trong nghiên cứu được thực hiện tại luận án, chỉcó kỹ thuật