Ưu điểm của ănten thụng minh trong thụng tin di động

Trải trễ do đường truyền đa đường gõy ra, trong đú một tớn hiệu đến từ cỏc hướng khỏc nhau sẽ bị trễ do đi theo cỏc khoảng cỏch khỏc nhau. λ phớa phỏt, một ănten thụng minh cú thể tập trung năng lượng theo hướng yờu cầu, hỗ trợ trong việc giảm phản xạ đa đường và do đú giảm trải trễ. λ phớa thu, dàn ănten cú thể thực hiện kết hợp tối ưu sau khi bự trễ cho cỏc tớn hiệu đa đường tới dàn. Những tớn hiệu mà trễ khụng thể bự đắp cú thể bị xoỏ bỏ do hỡnh thành cỏc nỳt súng trong hướng của chỳng.

Trạng thỏi hướng của một dàn ănten cũng dẫn đến hiện tượng trải phổ nhỏ hơn của cỏc tần số Doppler tại mỏy di động. Đối với một ănten vụ hướng tại cả trạm gốc và tại mỏy di động, hướng gúc đến λ mỏy di động được phõn bố giống nhau. Do đú phổ Doppler được cho b λi mụ hỡnh Clarke như sau:

2 0 ( ) 1 ( ) r m m m A S f f f f f f π = < − (1.16)

Trong đú, A0 là cụng suất trung bỡnh được phỏt và fm =v λ là độ dịch Doppler lớn nhất, với v là vận tốc của mỏy di động và λ là độ dài bước súng mang. Tuy nhiờn, nếu một ănten cú hướng được sử dụng tại trạm gốc thỡ mật độ phổ cụng suất được tớnh theo cụng thức: ( ) ( / ) ( cos ( / ) ) ( cos ( / ) ) , r m m v m v m m A S f f f f fθ φ − f f fθ φ − f f f f = −  + + −  <   2 0 2 1 1 1 (1.17)

Trong đú φv là hướng di chuyển của mỏy di động so với đường thẳng nối trạm gốc

đến mỏy di động và ()fθ là PDF của DOA cỏc thành phần đa đường tại mỏy di động, cú

cụng thức tớnh như sau: Trạm gốc Trạm di động Hướng di chuyển của trạm di động thành phần truyền thẳng v φ

Hỡnh 1.7:Minh hoạ thành phần truyền thẳng từ trạm gốc đến trạm di động cho thấy hướng di chuyển của trạm di động, φv

,

( tan( ))

( ) ,

(sin( ) cos( ) tan( )) , R I D f I R I θ θ θ θ α θ θ θ θ θ θ α θ θ θ  − < ≤    = < ≤ +   < ≤ −   2 1 1 2 1 2 2 2 2 (1.18)

Trong đú: 2 ( ) 4 sin( ) 2 2sin2( )

2 1

2 π θ θ D α R D α

R

I = + − + − (1.19)

Hơn nữa, 2α là độ rộng bỳp súng của ănten cú hướng gọi là ‘flat- top’ lý tư λng, cú độ lợi bằng 0, ngoại trừ trải gúc 2α , trong khi đú độ lợi là 1, R là bỏn kớnh của khu vực trũn bao gồm tất cả cỏc bộ tỏn xạ và D là khoảng cỏch riờng biệt giữa trạm gốc và mỏy

1 2 cos( ) 2 2 2

cos Dsin ( ) R D sin ( )

R R

α

θ = −  α ± − α 

 

  (1.20)

Hỡnh 1.8 đưa ra những vớ dụ của phổ Doppler cho độ rộng bỳp súng là 2, 10, 20 độ đối với mỏy di động di chuyển tại gúc 0, 45, 90 so với thành phần LOS, trong đú khoảng cỏch trạm gốc đến mỏy di động là 3 km, nơi mà cỏc bộ tỏn xạ được đặt trong một vũng trũn cú bỏn kớnh 1 km, tõm là mỏy di động. M ật đ ộ p hổ c ô ng s u ất (d B ) Tần số Doppler(Hz) Tần số Doppler(Hz) M ật đ ộ ph ổ cô n g su ất ( dB )

(a) Hướng di chuyển,φv=00 (b) Hướng di chuyển,φv=450

(c) Hướng di chuyển,φ =v 900 Tần số Doppler(Hz) M ật đ ộ ph ổ cô n g su ất ( d B )

Hỡnh 1.8: Phổ Doppler tại trạm di động, khi sử dụng một ănten cú hướng tại trạm gốc, và một ănten vụ hướng tại trạm di động, được so sỏnh với mụ hỡnh Clarke, R = 1km,

D= 3km, fm = 100 Hz

1.4.2 Giảm nhiễu đồng kờnh

Dàn ănten cho phộp sử dụng phương phỏp lọc khụng gian, phương phỏp này được ỏp dụng cho cả bờn thu cũng như bờn phỏt để giảm nhiễu đồng kờnh. Khi phỏt, ănten được sử dụng để tập trung năng lượng phỏt xạ nhằm tạo ra một bỳp súng cú hướng trong vựng cú bộ thu. Điều này cú nghĩa là cú ớt nhiễu hơn trong cỏc hướng khỏc mà bỳp súng khụng hướng đến. Nhiễu đồng kờnh bờn phỏt cú thể giảm bằng cỏch hỡnh thành những nỳt súng trong hướng của cỏc bộ thu khỏc. Lược đồ này mục đớch là giảm năng lượng phỏt trong hướng của cỏc bộ thu đồng kờnh và do đú cần những thụng tin về quyền ưu tiờn vị trớ của chỳng.

1.4.3 Tăng dung lượng hệ thống và cải thiện hiệu suất phổ

Hiệu suất phổ của một mạng liờn quan đến lưu lượng mà một hệ thống cho trước với sự phõn phối phổ nhất định cú thể điều khiển được. Việc tăng số lượng người dựng của hệ thống thụng tin di động mà khụng làm mất mỏt hiệu năng sẽ tăng hiệu suất phổ. Dung lượng kờnh liờn quan đến tốc độ dữ liệu lớn nhất mà một kờnh cú một độ rộng băng tần cho trước cú thể duy trỡ được. Dung lượng kờnh được cải tiến sẽ dẫn đến khả năng phục vụ nhiều người sử dụng hơn với một tốc độ dữ liệu xỏc định, cú nghĩa là hiệu suất phổ tốt hơn. Chất lượng của dịch vụ, khi sử dụng ănten thụng minh để giảm nhiễu đồng kờnh và pha đinh đa đường, cú thể bị thay đổi theo sự gia tăng số lượng của người sử dụng.

1.4.4 Tăng hiệu suất truyền dẫn

Một dàn ănten cú hướng trong tự nhiờn, cú độ khuyếch đại cao trong hướng mà bỳp súng hướng đến. Tớnh năng này cú thể được tận dụng để m λ rộng dải tần của trạm gốc, làm kớch thước của cell lớn hơn hay cú thể được sử dụng để giảm cụng suất phỏt của cỏc mỏy di động. Việc sử dụng ănten cú hướng cho phộp trạm gốc nhận một tớn hiệu yếu hơn so với ănten vụ hướng. Điều này cú nghĩa là mỏy di động cú thể phỏt cụng suất thấp hơn và tuổi thọ của pin sẽ dài hơn, hay nú cú thể sử dụng pin nhỏ hơn, do đú sẽ cú trọng lượng và kớch thước nhỏ hơn, điều này cú ý nghĩa rất quan trọng đối với mỏy di động điều khiển bằng tay. Khi đú, trạm gốc cũng giảm cụng suất phỏt và cho phộp sử dụng cỏc thành phần điện tử cú chỉ tiờu cụng suất thấp hơn nờn chi phớ cũng sẽ thấp hơn.

1.4.5 Giảm chuyển giao

Khi lưu lượng trong một cell tăng vượt quỏ dung lượng của cell đú thỡ việc phõn tỏch cell thường được sử dụng để tạo ra những cell mới, mỗi một cell sẽ cú một trạm gốc và một tần số cố định. Việc giảm kớch thước cell dẫn đến tăng số lượng chuyển giao được thực hiện. Bằng cỏch sử dụng ănten thụng minh để tăng dung lượng của cell, số lượng chuyển giao cần thiết cú thể được giảm. Vỡ mỗi bỳp súng chỉ hướng đến một thuờ bao, chuyển giao là khụng cần thiết trừ khi cỏc bỳp súng sử dụng cựng tần số giao nhau.

1.4.6 M λ rộng tầm súng

Tầm súng được định nghĩa là khoảng cỏch lớn nhất mà người sử dụng vẫn cú thể liờn lạc với trạm gốc trong khi đú vẫn đảm bảo được chất lượng của tớn hiệu. Khả năng mà ănten thụng minh cú thể m λ rộng được tầm súng là do tăng được tỷ lệ tớn hiệu thu trờn nhiễu. Giả sử, chỳng ta cú L phần tử ănten và nhiễu chớnh giới hạn, tớn hiệu kết hợp chồng pha đơn giản, đến L phần tử ănten thỡ sẽ thu được cụng suất tớn hiệu tăng lờn L2 lần trong khi cụng suất nhiễu tăng lờn chỉ cú L lần.

Gọi γm inlà SNR thu thấp nhất, được xỏc định:

γmin =P dmin ( )/1 N0 (1.21) Trong đú Pmin(d1) là cụng suất tớn hiệu thu yờu cầu so với bộ thu một phần tử tương

ứng khi thu phỏt riờng biệt λ khoảng cỏch d1 và N0 là cụng suất nhiễu. Để phõn tớch ưu điểm của ănten thụng minh, thỡ trước hết biết rằng cụng suất tớn hiệu thu là hàm của khoảng cỏch.

Pmin(d) = P0(d0/d)n (1.22)

Po là cụng suất tại khoảng cỏch đa tiờu chuẩn, d là khoảng cỏch thu phỏt, n là hệ số mũ suy hao đường truyền. Khi một ănten L phần tử thỡ SNR tối thiểu là:

m in

γ = L2Pmin(dL)/L.N0 = LPmin(dL)/N0 (1.23)

Hỡnh 1.9 : Hệ số tầm súng theo số phần tử của ănten

Trong đú dL là tầm xa tối đa của ănten L phần tử.Từ phương trỡnh 1.22 và 1.23 cú : Pmin (dL) = (1/L)Pmin(d1) (1.24) Từ 1.22 và 1.24 ta lại cú:

Pmin(d1)/Pmin(dL) = (d1/dL)n = L (1.25) Giải dL được:

Trờn hỡnh 1.9 thể hiện hệ số cải thiện của tầm súng ănten bằng hàm của số phần tử ănten đối với nhiều hệ số mũ suy hao đường truyền. Kết quả này cho thấy tầm súng được m λ rộng nhiều hơn đối với mụi trường cú suy hao đường truyền thấp

1.4.7 Tăng diện tớch vựng phủ súng

Trong phần này, chỳng ta sẽ thấy rằng ănten thụng minh cũng được dựng để tăng diện tớch phủ súng trong khi vẫn đảm bảo được mức tớn hiệu. Giả thiết rằng kớch thước của cell là khụng thay đổi và cụng suất phỏt của mỏy di động là cố định hướng tới cỏc phần tử ănten thu.

1.4.7.1 Mức độ vựng phủ của ănten thu đơn phần tử

Để tớnh được mức độ tăng vựng phủ súng khi sử dụng ănten thụng minh, trước hết ta phải tớnh vựng phủ súng của một phần tử ănten. Vỡ tăng vựng phủ đạt được bằng mảng ănten là tăng vựng phủ của từng phần tử ănten.

Giả sử độ lớn tớn hiệu được xỏc định bằng khoảng cỏch từ trạm gốc. Nờn, khi cụng suất tớn hiệu thu P được tớnh bằng dB, hàm mật độ xỏc suất của cụng suất tớn hiệu thu là:

2 2 1 ( ) ( ) exp 2 2 P P f P σ σ π − −  =     (1.27)

Trong đú P : cụng suất tớn hiệu thu được.

σ : trung bỡnh bỡnh phương tớnh theo dB.

Khi đú xỏc suất cụng suất tớn hiệu dựa trờn ngưỡng yờu cầu β là :

[ ] ( ) 1 1 2 2 2 r P Pβ P P f P dP erf β β β σ ∞  −  = ≥ = = −     ∫ (1.28)

Với erf(x) là hàm lỗi chuẩn. Phương trỡnh (1.28) cho biết xỏc suất chất lượng tớn hiệu thu khi hàm mật độ xỏc suất của cụng suất tớn hiệu thu cú dạng như trong phương trỡnh (1.27). Nhưng do suy hao đường truyền của tớn hiệu thu trung bỡnh rất khỏc nhau theo khoảng cỏch truyền dẫn. Giả sử suy hao đường truyền tỷ lệ thuận với d-n , trong đú d là khoảng cỏch giữa trạm gốc và thuờ bao di động, n là hệ số mũ suy hao đường truyền, thỡ ta cú mức tớn hiệu trung bỡnh là:

10

10 log ( / )

P =−α n d R (1.29) Với α : cụng suất truyền tớnh theo dB.

Kết hợp 1.28 và 1.29, ta cú xỏc suất mức tớn hiệu cần thiết là hàm của khoảng cỏch d: 10 ( ) 1/2 (1/2) ( 10 log ( ))/ 2 P dβ = − erf − + β α n d R σ  (1.30) Đặt a = (β α σ− ) / 2 và b = 10 logn 10e/ σ2 khi đú ta cú: [ ] ( ) 1 2 (1/ 2) ln( / ) P dβ = − erf a b+ d R (1.31)

Hỡnh 1.10 thể hiện mức lệch chuẩn của logarit phađinh chung σ. Cỏc cung đỏnh

nhón tương ứng với cỏc tương tỏc λ biờn cell. Tăng mức độ phủ biờn cell sẽ làm tăng mức độ vựng phủ trong cell. Đồ thị cũng cho thấy mức độ vựng phủ của cell giảm khi tăng mức lệch chuẩn của hiệu ứng màn chắn.

Hỡnh 1.10 : Mức độ phủ phõn đoạn cell đối với anten thu đơn phần tử

1.4.7.2 Mức độ vựng phủ của ănten thu L phần tử

Giả sử cell cú bỏn kớnh khụng thay đổi và hệ thống cú nhiễu giới hạn, khi đú ta cú thể tăng diện tớch vựng phủ súng bằng cỏch sử dụng một dàn ănten L phần tử. Như đó đề cập λ trờn dàn ănten L phần tử sẽ tăng cụng suất tớn hiệu lờn L2 lần và cụng suất nhiễu chỉ tăng lờn L lần. Kết quả này chỉ đỳng khi nhiễu λ phần tử ănten này khụng tương tỏc với nhiễu λ những phần tử ănten khỏc.

Khi cụng suất nhiễu tăng lờn L lần, để SNR được đảm bảo thỡ mức cụng suất tớn hiệu cũng phải tăng lờn L lần. Do đú, mức cụng suất ngưỡng tớnh theo dB của dàn ănten là:

10

10log

l L

Với β là ngưỡng tớn hiệu ban đầu đối với bộ thu một phần tử. Hơn nữa, khi sử dụng dàn kết hợp thỡ tớn hiệu thu được λ mỗi phần tử cú cụng suất tăng lờn L2 lần. Vỡ vậy cụng suất đầu ra là:

10

20log

l

P P= + L (1.33)

Xỏc suất để cụng suất tớn hiệu mong muốn cao hơn mức ngưỡng βm của mảng ănten được xỏc định b λi:

l

Pβ = (P Pr l≥βl)

= 1/ 2 (1/ 2)− erf  (βl −Pl ) /σ 2

= 1/ 2 (1/ 2)− erf (β −10 log10 L P− ) /σ 2

=1/ 2 (1/ 2)− erf (β −10 log10L− +α 10 log ( / )) /n 10 d R σ 2 (1.34)

Đặt al = (β −10log 10L−α σ)/ 2 và b = 10log ( )/10 e 2σ , khi đú ta lại cú:

[ ]

( ) 1/ 2 (1/ 2) ln( / )

m m

P dβ = − erf a+ b d R (1.35)

Hỡnh 1.11 thể hiện phõn đoạn cell với cụng suất tớn hiệu mức ngưỡng là hàm của ỳ với n = 4 và M = 4 đối với nhiều giỏ trị vựng phủ của phõn đoạn biờn cell khi sử dụng bộ thu đơn phần tử. Khi so sỏnh hỡnh 1.10 và hỡnh 1.11 ta cú thể thấy, vựng phủ súng được tăng lờn khi sử dụng dàn ănten. Cũng từ sơ đồ này, ta cú thể xỏc định được số phần trăm tăng lờn khi sử dụng dàn ănten trong mỗi phõn đoạn cell. Phần trăm tăng lờn được tớnh như sau:

Hỡnh 1.11 : Mức độ phủ phõn đoạn cell đối với anten thu nhiều phần tử

1.4.8 Giảm cụng suất phỏt trạm di động

Khi sử dụng dàn ănten L phần tử thỡ tớn hiệu thu λ trạm gốc tăng lờn, do đú cụng suất phỏt λ mỏy di động cú thể giảm xuống L lần. Vỡ vậy mà tuổi thọ pin của mỏy di động lõu hơn, đồng thời lại cú thể giảm được kớch thước của pin, cả hai yếu tố này sẽ là một ưu điểm quan trọng cho mỏy cầm tay.

1.4.9 Cải thiện chất lượng tớn hiệu

Sử dụng ănten thụng minh sẽ làm tăng SINR và giảm BER tại đầu thu của hệ thống số. Đối với ứng dụng thoại và video thỡ giảm BER cũng cú nghĩa là tăng chất lượng tớn hiệu thu. Núi chung, với một kờnh giới hạn nhiễu, mức ngưỡng tớn hiệu nhỏ nhất giảm xuống 10log10L, trong đú L là số phần tử ănten.

1.4.10 Tăng tốc độ dữ liệu

Tăng SINR được sử dụng để tăng số bit trờn ký tự trong bộ ghộp kờnh bằng tốc độ chuyển mạch cao hơn. Điều này sẽ làm tăng số bit hay cú nghĩa là làm tăng dung lượng kờnh.

1.5 Tổng kết

Chương này đó trỡnh bày một cỏch tổng quan nhất những vấn đề cơ bản nhất về ănten thụng minh bao gồm khỏi niệm, nguyờn lý hoạt động, cấu trỳc sắp xếp cũng như cỏc tham số của dàn ănten.

Bờn cạnh đú, chương cũng đó đưa ra một mụ hỡnh tớn hiệu của dàn ănten gồm cú L phần tử vụ hướng, từ mụ hỡnh tớn hiệu này, để cú thể rỳt ra được ma trận tương quan của một dàn ănten. Ma trận này cú ý nghĩa rất quan trọng trong việc xỏc định cỏc trọng số dàn ănten.

Cuối cựng, chương đó đề cập đến những ưu điểm khi sử dụng dàn ănten thụng minh trong thụng tin di động so với khi sử dụng ănten đơn phần tử vụ hướng. Cụ thể những ưu điểm đú là: giảm trải trễ và phađinh đa đường, giảm nhiễu đồng kờnh, tăng dung lượng hệ thống và cải thiện hiệu suất phổ, tăng hiệu suất truyền dẫn, giảm chuyển giao, m λ rộng tầm súng, tăng diện tớch vựng phủ súng, giảm cụng suất phỏt trạm di động, cải thiện chất lượng tớn hiệu, tăng tốc độ dữ liệu.

CHƯƠNG II: CÁC KỸ THUẬT TRONG ĂNTEN THễNG MINH

Cú hai lược đồ thuật toỏn được sử dụng để tớnh toỏn cỏc trọng số ănten và kết hợp cỏc tớn hiệu. Lược đồ thứ nhất là kết hợp phõn tập, trong đú cỏc tớn hiệu ănten được kết hợp để tối đa SNR đầu ra. Lược đồ thứ hai là kết hợp tương thớch hay cũn gọi là tạo bỳp súng, trong đú cỏc trọng số dàn ănten được điều chỉnh một cỏch linh động để tăng cường tớn hiệu mong muốn đồng thời loại bỏ cỏc tớn hiệu nhiễu để làm tối đa tỷ số tớn hiệu trờn tạp õm cộng nhiễu (SINR).

Sau đõy chỳng ta sẽ đi nghiờn cứu cụ thể từng lược đồ.

2.1. Kết hợp phõn tập

Kết hợp phõn tập cú mục đớch chớnh là giảm pha đinh đa đường. Tớn hiệu đa đường truyền trong mụi trường cú pha ngẫu nhiờn, do đú nhiễu tớn hiệu cú thể kết hợp lại và