Nhờ sử dụng nhiều phần tử anten, kỹ thuật xử lý không gian-thời gian 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 phát. Các kỹ thuật phổ biến được biết là sử dụng anten dẻ quạt (séc-tơ) (xử lý tín hiệu theo không gian), phân tập (xử lý tín hiệu theo không gian-thời gian) và anten mảng tạo búp sóng (xử lý tín hiệu theo không gian-thời gian) có thể được xem như những ví dụ điển hình của kỹ thuật xử lý theo không gian-thời gian. [16,17,19, 28, 36] Trong thực tế, tất cả các hệ thống anten mảng có thểđược 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, và mã hóa không gian- thời gian sẽ tạo thành một hệ đầy đủ về kỹ thuật xử lý không gian-thời gian. [6, 16, 52]
Kỹ thuật MIMO tổng quát dùng nhiều anten ở cả đầu thu và phát sẽ làm cho dung lượng của hệ thống thông tin vô tuyến lớn hơn đáng kể so với các hệ thống thông thường. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều vấn đề cần nghiên cứu cần tiếp tục phát triển để có thể áp dụng kỹ thuật này vào thực tế [1, 4, 16, 27]. Luận án nghiên cứu kỹ thuật xử lý không gian thời gian bằng Anten thông minh.
Anten thông minh ở nhiều cấp độ phức tạp khác nhau đã được ứng dụng trong quân sự từ khá lâu, nhưng mới thực sựđược nghiên cứu sử dụng trong
các hệ thống thông tin di động trong thời gian gần đây [17, 29, 36, 38, 55]. Việc tăng tính định hướng của búp sóng có thể làm tăng dung lượng (thường được áp dụng trong thành phố) và mở rộng vùng phủ sóng (áp dụng cho vùng nông thôn). Nhờ sử dụng nhiều búp sóng, anten thông minh giúp triệt nhiễu tốt hơn do đó đem lại những ưu điểm sau cho hệ thống: [4, 17, 21, 22, 37]
- Cho phép sử dụng mẫu tái sử dụng tần số chặt hơn;
- Có thể cải thiện chất lượng thông tin thoại trên ô tô nhờ tăng tỉ số C/I; - Có thể giảm hiệu ứng đa đường, do đó giảm yêu cầu dự trữ công suất. Việc xử lý tín hiệu trên anten mảng có thể dựa trên hai kỹ thuật chính là phân tập hoặc tạo búp. Với kỹ thuật phân tập, tín hiệu ở các nhánh anten khác nhau được giả thiết là không tương quan, nghĩa là chỉ tiêu hệ thống càng tốt khi mức độ tương quan của tín hiệu ở các nhánh càng nhỏ. Trong khi đó, kỹ thuật tạo búp lại dựa trên giả thiết là tín hiệu ở các nhánh tương quan với nhau [1, 25, 34]. Chính vì vậy khoảng cách giữa các phần tử trong anten của hệ thống tạo búp sóng nhỏ hơn so với hệ thống phân tập.
Trên lý thuyết, đã có rất nhiều các thuật toán khác nhau được phát triển cho anten thông minh trong thông tin di động [15, 19, 29, 36, 38]. Tuy nhiên, do tính chất thay đổi liên tục của môi trường thông tin di động, cũng như những hạn chế về khả năng xử lý của thiết bị thực tế mà các hệ thống thử nghiệm đều chỉ sử dụng các thuật toán kinh điển như trung bình bình phương nhỏ nhất, bình phương nhỏ tối thiểu đệ qui [27, 34]... Với hệ thống CDMA trải phổ trực tiếp, luận án đã đề xuất sử dụng một thuật toán tạo búp thực hiện kết hợp trên cả kênh hoa tiêu và kênh lưu lượng cho phép đạt được tốc độ hội tụ nhanh hơn.
Luận án cũng đã nghiên cứu hiệu quả của việc sử dụng anten thông minh đối với cấu hình hệ thống GSM hiện đang được triển khai [4, 5, 7], làm cơ sở để đề xuất sử dụng mẫu tái sử dụng tần số mới khi triển khai anten thông
minh cho mạng GSM ở Việt Nam và xem xét đánh giá ảnh hưởng của pha- đinh và che khuất với trường hợp nhiễu đồng kênh trong mạng thông tin di động tổ ong thực tế.
Phân tích sâu sắc hơn nữa, ta thấy rằng kỹ thuật phân tập thu dựa trên việc kết hợp các tín hiệu không tương quan (do pha-đinh không tương quan) thu được từ các phần tử khác nhau của anten mảng, hệ thống phân tập không làm tăng chỉ tiêu trong môi trường tạp Gauss trắng cộng - AWGN [16,17]. Khi mức nhiễu đa truy nhập trong hệ thống CDMA cao thì nó là tác nhân chính ảnh hưởng đến chỉ tiêu BER và kênh sẽ tiến tới xấp xỉ kênh Gauss nên hiệu quả của hệ thống phân tập giảm [16, 52, 55]. Trong khi đó, hệ thống tạo búp (hay thậm chí hệ thống sec-tơ hoá) sẽ làm giảm mức nhiễu bằng cách “loại bỏ” nhiều người dùng khỏi hệ thống, làm cho chỉ tiêu BER tốt hơn [10]. Khi số người dùng ít và kênh bị pha-đinh mạnh (như trường hợp truyền sóng ở điều kiện không nhìn thẳng), hệ thống tạo búp không cải thiện được tín hiệu thu do không bổ sung được thông tin mới nào vào tín hiệu thu được, mà chỉ hạn chếđược nhiễu đa truy nhập. Do đó, hệ thống tạo búp không làm tăng chỉ tiêu nhiều. Trái lại, hệ thống phân tập kết hợp được một số tín hiệu bị pha- đinh mạnh sẽ làm cải thiện chỉ tiêu hệ thống, đặc biệt khi pha-đinh có tác động mạnh hơn ảnh hưởng của nhiễu đa truy nhập.[9]
Một hệ thống phối hợp cả tạo búp và phân tập sẽ có được ưu điểm của việc giảm nhiễu búp sóng mà vẫn có được phân tập thu đặc biệt là trong môi trường pha đinh khi tín hiệu tới các phần tử anten mảng không bao giờ có thể là tương quan hoàn toàn. Đây cũng là một đề xuất áp dụng cho WCDMA của luận án, kết quảđã được thực hiện bằng mô phỏng và so sánh với các kết quả đo được sử dụng riêng biệt kỹ thuật phân tập (DIV) hoặc tạo búp trên hệ thống thử nghiệm anten thông minh tại Viện Nghiên cứu Điện tử và Viễn thông Hàn Quốc (ETRI) đểđánh giá độ tin cậy của phương án đề xuất.
Kết quả mô phỏng cho thấy rằng trong môi trường nhiều người dùng, pha-đinh mạnh, kỹ thuật phối hợp cả tạo búp và phân tập cho chỉ tiêu tốt hơn hệ thống tạo búp ở giá trị Eb/No lớn hơn 8dB, mặc dù dưới giá trị này chỉ tiêu của hệ thống tạo búp vẫn lớn hơn. Như vậy, có thể thấy rằng kỹ thuật phối hợp được luận án đề xuất sẽ đặc biệt có ý nghĩa để triển khai các dịch vụ truyền dữ liệu tốc độ cao, đòi hỏi có tỉ số Eb/No lớn.
Kết quả đo kiểm trên hệ thống anten thông minh cho W-CDMA IMT- 2000 tại Viện nghiên cứu ETRI [27] cho trường hợp anten-DIV và anten-ABF đã được sử dụng để đánh giá độ tin cậy của các kết quả mô phỏng. Ta thấy rằng kết quả đo chỉ tiêu cho trường hợp anten-DIV rất giống với kết quả mô phỏng. Còn trường hợp anten-ABF chỉ tiêu đo được tốt hơn kết quả mô phỏng do hệ thống đo kiểm sử dụng 8 anten để tạo búp trong khi kết quả mô phỏng được thực hiện cho chỉ 4 anten. Như vậy, kết quả mô phỏng là phù hợp với các kết quả đo kiểm và chứng tỏđược độ tin cậy của phương án đề xuất. Tuy nhiên, để áp dụng vào thực tế cần có những nghiên cứu tiếp theo về cấu trúc cụ thể của anten mảng đáp ứng được cho kỹ thuật này.
Chương 2. Kỹ thuật xử lý đối với anten mảng