GIÁ HIỆU NĂNG CỦA ANTEN THƠNG MINH TẠI MÁY
DI ĐỘNG
4.1. Hiệu năng của kết hợp phân tập
Các kết quả mơ phỏng để đánh giá hiệu năng của máy di động cĩ anten thơng minh kép sử dụng lược đồ phân tập trong hệ thống W-CDMA được trình bày trong phần này.
4.1.1. Mơi trường mơ phỏng
Một tín hiệu từ một trạm gốc truyền lan thơng qua kênh. Cĩ hai mơ hình kênh, SCFCM và LCFCM, như mơ tả trong chương 3 được sử dụng để mơ phỏng. Mơ hình đường trịn và elip GBSB được sử dụng để tạo proflie kênh của tín hiệu đa đường. Các tín hiệu nhận được tại anten kép của máy di động được đưa đến bộ thu rake sau khi được sửa dạng xung bởi bộ lọc FIR, như
biễu diễn trong hình 4-1. Bộ kết hợp phân tập kết hợp đầu ra của bộ thu rake sử dụng lược đồ kết hợp phân tập (Chỉ cĩ phân tập mức rake được xét đến ở đây). Ba lược đồ phân tập, SD, EGC và MRC, được xem xét trong mơ phỏng của chúng ta. Đối với MRC, tín hiệu đầu ra được tính tốn theo a a b b+ , [6]
với a và b là hai tín hiệu đầu ra của bộ thu rake. Chúng ta gọi nĩ là kết hợp theo bình phương (SLC).
Hình 4.1: Bộ thu anten thơng minh kép với bộ kết hợp phân tập [6].
Trong mơ phỏng của chúng ta, đầu ra của bộ kết hợp phân tập được quyết định cứng hoặc 1 hoặc 0, và so sánh với các bit dữ liệu ban đầu để đánh giá hiệu năng của hệ thống theo BER. Để đơn giản, chúng ta mơ hình hố nhiễu từ các cell lân cận là tạp âm Gaussian trắng cộng (AWGN)
Mơi trường trong mơ phỏng gồm các bước sau. Các tham số mơ hình được gọi là tham số cơ bản trong phần này được giả thiết như sau. Khoảng cách giữa hai anten trong máy di động là λ/4 (3.5 cm). Khoảng cách từ trạm gốc mong muốn đến trạm di động là 2000 m trong mơ hình đường trịn GBSB, và trễ đa đường lớn nhất là 35 chip. Trong mơ hình elip GBSB, khoảng cách từ trạm gốc mong muốn đến trạm di động là 800 m, và độ trễ truyền lan lớn nhất là 20 chip. Vận tốc di chuyển là 60km/h, tạo ra tần số Doppler lớn nhất là 119 Hz với tần số sĩng mạng là 2.14 Ghz. Hệ số trải phổ của 8 người sử dụng là 32 và tín hiệu kênh hoa tiêu chung (CPICH) phân kênh kết hợp, ngẫu nhiên hố, sửa xung và phát đi trên kênh. 20% cơng suất phát được phân cho CPICH, và 80% cịn lại được chia đều cho các người sử dụng. Bốn tín hiệu đa
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương IV.Đánh giá hiệu năng của anten thơng minh
đường với dạng kênh đạt được từ mơ hình GBSB đến tại anten của máy di động. Một bộ thu rake với ba rake finger được xem xét tại máy di động [6].
4.1.2. Các kết quả mơ phỏng trong mơ hình kênh GBSB
Mơ hình kênh GBSB được sử dụng để tạo ra các dạng kênh trong mơ phỏng. Các kết quả mơ phỏng với bao lược đồ kết hợp và hai loại mơ hình kênh được giới thiệu trong hình 4.2.
Đối với anten kép, EGC là tốt nhất trong ba lược đồ kết hợp phân tập. Để so sánh, hiệu năng của hệ thống anten thơng minh với lược đồ kết hợp phân tập EGC trên hai mơ hình kênh và hiệu năng của hệthống đơn anten được trình bày trong hình 4.2 (c). Như dự đốn, trong LCFCM thì độ lợi hiệu năng cao hơn trong SCFCM.
Cần chú ý là BER sẽ bão hồ khi lớn hơn một mức Eb/N0 nhất định trong
cả anten đơn và kép, tức là, tăng cơng suất phát trên một ngưỡng Eb/N0 nhất định sẽ khơng làm giảm BER. Điều này được lý giải là cơng suất phát tăng sẽ làm tăng mức tín hiệu của các tín hiệu đa đường, tức là, cơng suât của các tín hiệu nhiễu tăng.
(c) BER trong SCFCM
(d) BER trong LCFCM
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương IV.Đánh giá hiệu năng của anten thơng minh
Hình 4.2: BER với các lược đồ phân tập và hai mơ hình kênh
Dựa trên những nguyên về phân tập, chúng ta cho rằng MRC chắc chắn hoạt động tốt hơn EGC. Tuy nhiên, các kết quả mơ phỏng cho thấy EGC hoạt động tốt hơn MRC. Cĩ thể phân tích được nguyên nhân này như sau. Trong mơ hình kênh của chúng ta, cơng suất trung bình của tín hiệu kết hợp từ mỗi một anten là như nhau. Trong SCFCM, hai tín hiệu đa đường từ mỗi một anten chỉ khác nhau về pha, nhưng chúng cĩ cùng cơng suất tín hiệu. Trong LCFCM, hai tín hiệu đa đường từ mỗi một anten cĩ pha đinh Rayleigh độc lập.
Do đĩ, chúng cĩ cơng suất tín hiệu tức thời khác nhau, nhưng cơng suất tín hiệu trung bình thì vẫn giống nhau. Điều này cũng cĩ nghĩa là SNR của các tín hiệu anten giống nhau. Do đĩ, EGC hoạt động hiệu quả hơn MRC vì mỗi một anten cĩ SNR trung bình như nhau. đối với MRC (hay SLC), chúng ta sử dụng giá trị tín hiệu cộng tạp âm thay thế cho SNR như là một nhân tố trọng số. Vì ước tính kênh khơng chính xác do nhiễu, kết hợp phân tập với hệ số
92
trọng số (S + N) khơng thỗ mãn được những mong muốn như trong lý thuyết. Vì vậy, hiệu năng của MRC thấp hơn so với EGC.
Trong mơi trường thực, cơng suất tín hiệu trung bình của hai anten khơng bằng nhau.
Trong mơi trường thực, MRC cĩ thể hoạt động tốt hơn EGC. Các kết quả sau cho thấy MRC với hệ số trọng số SNR hoạt động tốt hơn EGC nếu tỷ số SNR trung bình của hai anten là 2:1, như thấy trong bảng 4.1
SNR của anten1
Anten 1 Anten 2 EGC MRC với
(S+N) MRC với SNR -15 dB 18.6% 26.4% 14.9% 15.9% 13.5% -13 dB 11.3% 18.1% 7.2% 8.0% 6.4% -11 dB 4.5% 8.0% 1.6% 2.1% 1.5% (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Bảng 4.1: So sánh hiệu năng của EGC và MRC
4.2. Hiệu năng của kết hợp tương thích
Các kết quả mơ phỏng để đánh giá hiệu năng của các máy di động sử dụng hệ thống anten kép với lược đồ kết hợp tương thích trong hệ thống 3GPP được giới thiệu trong phần này. Một bộ kết hợp tương thích kết hợp các đầu ra bộ phận tương ứng của hai anten với các trọng số anten thích hợp đạt được dựa trên thuật tốn N-LMS.
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương IV.Đánh giá hiệu năng của anten thơng minh
4.2.1. Các kết quả mơ phỏng cho AC
Các kết quả mơ phỏng cho kết hợp tương thích với mơ hình đường trịn và elip GBSB được trình bày trong hình 4.3. Hình 4.3(a) và4.3(b) biễu diễn hiệu năng của hệ thống anten kép với dạng kênh đạt được từ mơ hình đường trịn và elip GBSB tương ứng. Như cĩ thể thấy từ hình vẽ, hệ thống anten kép với kết hợp tương thích hoạt động tốt hơn hệ thống anten đơn trong cả mơ hình đường trịn và elip.
(c) BER với mơ hình elip GBSB
(d) BER với mơ hình đường trịn GBSB
Hình 4.3: BER trong mơ hình đường trịn và elip GBSB
4.3. Hiệu năng của kết hợp lai ghép
Các kết quả để đánh giá hiệu năng của máy di động sử dụng hệ thống anten kép với lược đồ kết hợp lai ghép cho hệ thống 3GPP được giới thiệu trong phần này. Bộ kết hợp lai ghép (HC) kết hợp các tín hiệu đầu ra của bộ kết hợp phân tập (DC) và bộ kết hợp tương thích (AC) sử dụng MRC. Giá trị tín hiệu tức thời cộng tạp âm (S+N) được sử dụng để đo các tín hiệu đầu ta thay cho SNR.
4.3.1. Mơi trường mơ phỏng cho mơ hình GBSB
Mơi trường trong mơ phỏng của chúng ta hầu hết đều giống với các tham số cơ bản. Các tham số khác gồm những tham số sau. Khoảng cách và độ trễ đa đường là 4000 m và 61 chip trong mơ hình đường trịn GBSB. Tương quan đường bao của hai tín hiệu pha đinh Rayleigh cho mỗi một đa đường trong EFCCM được chọn là 0.5. Hai anten ở máy di động cũng nhận nhiễu và tạp
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương IV.Đánh giá hiệu năng của anten thơng minh
âm nền. Hai tín hiệu đa đường từ một trạm gốc lân cận, trạm này phát tín hiệu kết hợp của tín hiệu 8 người sử dụng và tín hiệu hoa tiêu chung, được xét đến. SINR trung bình là 7.4 dB (do nhiễu đa đường) khơng cĩ nhiễu từ các trạm gốc lân cận hay tạp âm. Tạp âm nền tạo ra SINR bằng 7.0 dB khơng kể nhiễu. Điều này do các nhiễu đa đường. Một bộ thu rake với bốn Rake thành phần được xem xét tại máy di động. Kích thước bậc, μ = 0.3, và số ký tự hoa tiêu trung bình để đạt được tín hiệu tham chiếu, Q = 3, cũng được sử dụng trong thuật tốn N- LMS .
Để giới thiệu hiệu năng của mỗi một lược đồ, biểu đồ BER trên SINR được đưa ra. Với BER của biểu đồ khơng được mã hố. Để thay đổi SINR, cơng suất trung bình thu được của các tín hiệu nhiễu từ các trạm gốc lân cận được thay đổi. Để tính được BER trung bình với một SINR cho trước, số lần chạy mơ phỏng (một mơ phỏng hoạt động trên bốn khung) được lặp lại cho
đến khi BER được ước tính nằm trong khoảng ±2% của giá trị thực với độ
chính xác là 99%. Dựa trên nguyên lý của mơ phỏng Monte Carlo, số lần tính lỗi cần thiết khoảng 16588. Nếu khơng cần phải quá cụ thể, dạng kênh đạt được từ mơ hình elip GBSB được sử dụng trong mơ phỏng.
4.3.2. Hiệu năng của HC đối với mơ hình GBSB
Như cĩ thể thấy trong phần trước, DC và AC cĩ những điểm ngược nhau về SINR, vận tốc di chuyển và tương quan đường bao. Do đĩ, HC cĩ mục đích là tận dụng những ưu điểm của hai lược đồ kết hợp này.
Chúng ta sẽ kiểm tra hiệu năng của HC với các vận tốc di chuyển khac nhau. Như đã nĩi ở trước, AC hoạt động tốt khi vận tốc di chuyển thấp, trong khi đĩ DC lại cĩ hiệu năng tốt khi vận tốc di chuyển cao. Các kết quả mơ phỏng với vận tốc di chuyển 2 km/h được cho ở hình 4.4 (a). Cĩ thể thấy từ
hình vẽ, AC cĩ hiệu năng tốt nhất, trong khi đĩ hiệu năng của HC bằng hoặc gần bằng hiệu năng của AC.
Khi vận tốc di chuyển tăng, HC cĩ hiệu năng tốt hơn cả AC và DC. Các kết quả mơ phỏng với vận tốc di chuyển là 60 km/h được cho ở hình 4.4(b). ví dụ, độ lợi SINR của HC cĩ hơn Ac là 0.4 dB với BER = 0.1 và cao hơn DC là 0.8 dB. Cuối cùng, DC cĩ hiệu năng tốt với vận tốc cao. Các kết quả mơ phỏng cho vận tốc di chuyển là 120 km/h được trình bày trong hình 4.4 (c). Hình cũng cho thấy hiệu năng của HC bằng hoặc thấp hơn rất ít so với hiệu năng của DC trong mơi trường cĩ SINR cao. Chúng ta cĩ thể thấy xu hướng này cúng giống như vậy với vận tốc 150 km/h. Tĩm lại, hiệu năng của DC là tốt hơn hoặc bằng với lược đồ thực hiện tốt hơn, hoặc DC hoặc AC, với bất cứ một vận tốc nào.
Chúng ta thử nghiệm HC với tương quan đường bao khác nhau, số lượng các tín hiệu nhiễu, và mơ hình đường trịn và elip GBSB. Tất cả các kết quả từ thử nghiệm cĩ thể kết luận rằng hiệu năng của HC là tốt nhất hoặc gần bằng lược đồ tốt nhất trong ba lược đồ đã cho.
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương IV.Đánh giá hiệu năng của anten thơng minh
(d) Hiệu năng với vận tốc di chuyển 2km/h
(e) Hiệu năng với vận tốc di chuyển 60 km/h
(f) Hiệu năng với vận tốc di chuyển 120 km/h
Hình 4.4 : Hiệu năng của HC với các vận tốc khác nhau
4.4. Tổng kết (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Như vậy, trong chương này đánh giá hiệu quả của các loại kết hợp phân tập gồm: Kết hợp phân tập, kết hợp tương thích và kết hợp lai ghép cho hệ thống 3GPP. Chương cũng đã đưa ra các kết quả mơ phỏng trong các mơi trường khác nhau cũng như sự so sánh giữa chúng để đưa ra một giải pháp tối ưu nhất nhằm đạt được hiệu năng cao nhất.
Kết quả cũng đã cho chúng ta thấy là lược đồ kết hợp HC sẽ cho hiệu năng tốt hơn cả trong mọi trường hợp và đây chính là lược đồ đang được áp dụng nhiều nhất trong hệ thống truyền thơng vơ tuyến ngày nay.
Sau thời gian tìm hiểu và nghiên cứu về Anten thơng minh và ứng dụng trong WCDMA em đã xây dựng được phần mềm đánh giá hiệu năng của anten thơng minh và đây là kết quả em đã đạt được khi sử dụng ngơn ngữ lập trình Visual Basic 6.0.
Hình 4.5 Giao diện chính của chương trình mơ phỏng
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương IV.Đánh giá hiệu năng của anten thơng minh
Hình 4.6 kết quả mơ phỏng với mơ hình GBSB đường trịn
Anten thơng minh sẽ là một trong các giải pháp kỹ thuật để cải thiện chỉ tiêu chất lượng của các hệ thống thơng tin di động. Khơng những thế, với các hệ thống thơng tin di động thế hệ sau, việc sử dụng anten thơng minh là khơng thể tránh khỏi để cung cấp các dịch vụ yêu cầu tốc độ truyền dữ liệu cao. Chính vì thế mà đồ án chọn anten thơng minh cũng như ứng dụng của nĩ tại máy cầm tay làm chủ đề nghiên cứu. Đồ án đã tập trung nghiên cứu các vấn đề liên quan đến anten như sau:
Chương I- đã đưa ra cái nhìn tổng quan nhất về anten thơng minh và đã đưa ra được các khái niệm, nguyên lý, cấu trúc của hệ thống anten thơng minh và mơ hình tín hiệu đến tại dàn anten, đồng thời phân tích một cách chi tiết những ưu điểm khi sử dụng anten thơng minh, cũng từ đĩ đã nêu bật lên được vai trị quan trọng của anten thơng minh trong việc cải thiện dung lượng và chất lượng của hệ thống thơng tin thơng tin di động.
Chương II- giới thiệu các thuật tốn đang được áp dụng cho anten thơng minh. Đây là cơ sở để đồ án giới thiệu cấu trúc của hệ thống anten thơng minh kép được sử dụng cho máy di động trong một số hệ thống thơng tin di động ngày nay.
Chương III- đã đưa ra một số các cấu trúc anten thơng minh kép được tích hợp trong máy di động trong hệ thống 3G WCDMA và cho thấy được ưu điểm của nĩ vượt trội so với anten đơn trong việc cải thiện chất lượng tín hiệu. Đồng thời chương cũng đã nghiên cứu một cách tổng quan các mơ hình kênh vơ tuyến ảnh hưởng đến các chỉ tiêu của việc sử dụng anten thơng minh tại máy di động.
Chương IV- giới thiệu các kết quả hiệu năng của ứng dụng anten thơng minh tại máy di động trong hệ thống 3GPP với các lược đồ kết hợp khác nhau.
Tuy các anten thử nghiệm và thương mại hiện nay hầu hết đều dựa trên các thuật tốn đơn giản, các thuật tốn anten thơng minh ngày càng phức tạp hơn và cĩ thể được kết hợp với xử lý theo miền thời gian, hệ thống nhiều anten ở máy di động di động với bài tốn nhiều đầu vào nhiều đầu ra.
Việc nghiên cứu mơ hình kênh vơ tuyến cho các mơi trường khác nhau cũng ảnh hư ởng đến chỉ tiêu hệ thống và cần được quan tâm một cách thấu đáo cho các trường hợp cụ thể của thành thị và ở nơng thơn của Việt Nam.
Nghiên cứu về anten thơng minh là một vấn đề mở cả về lý thuyết và thực nghiệm. Trên cơ sở các kết quả đã đạt được, hướng phát triển tiếp theo của đề tài là:
Thứ nhất, hồn thiện phần mơ phỏng đánh giá hiệu năng của anten thơng minh kép tại máy di động cho hệ thống thơng tin cá nhân vơ tuyến 3G, gồm cĩ hệ thống 3GPP WCDMA và cdma2000.
Thứ hai, đi vào nghiên cứu cụ thể các mơ hình kênh để thấy được ảnh hưởng của nĩ đối với việc áp dụng anten thơng minh tại máy di động.
Thứ ba, tiếp tục nghiên cứu để tìm giải thuật tính tốn anten thơng minh một cách tối ưu, nhằm giảm bớt độ phức tạp trong quá trình điều khiển hướng