2.3.1. Kỹ thuật chuyển búp sĩng.
Anten chuyển búp sĩng gồm nhiều búp sĩng kề nhau mà đầu ra của chúng cĩ thể thay đổi để chiếu đến một nhiều hay nhiều máy thu nhất định. Do đĩ một ơ trong hệ thống sẽ được chia nhỏ bởi các búp sĩng liên tục.Anten mảng bám pha động cũng cĩ thể coi là một loại anten chuyển búp sĩng, nhưng nĩ sử dụng thêm thơng tin hướng tới người sử dụng mong muốn để quay hướng cực đại búp sĩng về phía người đĩ nên cĩ chỉ tiêu tốt hơn anten chuyển búp sĩng thơng thường.
Hình 2.10. Đặc tuyến phủ sĩng của anten chuyển búp sĩng
Hệ thống chuyển búp sĩng đơn giản chỉ bao gồm một mạch tạo búp sĩng, một chuyển mạch cao tần cĩ điều khiển logic để chọn búp sĩng mong muốn. Mỗi máy thu phải cĩ một cơ chế lựa chọn búp sĩng để cĩ thể chọn được búp sĩng mong muốn dựa vào các vec-tơ trọng số đã định. Cơ chế để lựa chọn búp sĩng hiệu quả là khá phúc tạp và tùy theo phương pháp truy nhập là TDMA,FDMA,CDMA.
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương IV.Đánh giá hiệu năng của anten thơng minh
Anten chuyển búp sĩng tạo ra một tập hợp cố định các búp sĩng tương đối hẹp. Đầu ra cao tần tới các búp sĩng này cĩ thể là tín hiệu cao tần hay tín hiệu băng gốc số đã qua xử lý.
Mỗi vùng rẻ quạt (1200) được phục vụ bởi một mảng các chấn tử phát xạ nối với nhau qua mạch chuyển búp sĩng.Trong trường hợp lý tưởng, các búp sĩng tạo ra là độc lập với nhau. Số búp sĩng cĩ thể thay đổi vd: sáu búp sĩng cĩ độ rộng 200 hay bốn búp sĩng 300 cho mỗi vùng rẻ quạt.
Với anten mảng tuyến tính, độ rộng búp sĩng theo phương nằm ngang được xác định bởi chiều dài của mảng và bước sĩng. Ở chiều thẳng đứng,các phần tử anten được xếp chồng lên nhau để giảm độ rộng búp sĩng theo chiều này .Điều đĩ cũng làm tăng tăng ích của anten [6] vì tăng ích này phụ thuộc vào cả chiều nằm ngang và thẳng đứng. Tăng ích cĩ thể tính bằng
G =ηGd( , )θ φ (2.24)
Trong đĩ: η là hiệu suất của anten Gd là tăng ích định hướng
( , )θ φ tương ứng là độ rộng búp sĩng theo phương nằm ngang và thẳng đứng
tính bằng độ.
Các hệ thống anten thơng minh chuyển búp sĩng cĩ ưu điểm là đơn giản và chi phí khơng quá cao, nhưng vẫn cĩ một số nhược điểm sau.
Thứ nhất là khơng tránh được nhiễu của các thành phần đa đường đến từ các hương gần với hướng của tín hiệu mong muốn , do đĩ hệ thống dựa vào mạch tạo búp sĩng cố định mà thường nhạy cảm với tán xạ gĩc của các thành phần đa đường hơn là các hệ thống dựa vào các bộ xử lý mảng thích nghi.
Thứ hai là khơng cĩ khả năng lợi dụng được ưu điểm của phân tập đa đường bằng cách kết hợp các thành phần đa đường.
Thứ ba là cơng suất nhận được từ các thuê bao sẽ bị thăng giáng khi thuê bao di chuyển quanh trạm gốc do hiện tượng vỏ sị- một đường đẳng mức của giản đồ phương hướng anten phụ thuộc hướng tới thay đổi theo đường kính của mỗi búp sĩng được tạo ra bởi mạch tạo búp sĩng
Mặc dù cĩ những nhược điểm như trên song hệ thống chuyển búp sĩng vẫn được sử dụng phổ biến vì những lý do sau đây:
Cĩ khả năng mở rộng phạm vi phủ sĩng từ các hệ thống phức tạp . Tùy theo Mơi trường truyền sĩng , các hệ thống chuyển búp sĩng cĩ thể làm giảm trải trễ, hỗ trợ mơi trường thuê bao tốc độ cao
Vì việc tạo búp sĩng cố định là trường hợp đơn giản nhất của kỹ thuật anten thơng minh nên chi phí thiết kế và vấn đề sử dụng hệ thống này sẽ thấp hơn so với kỹ thuật phức tạp khác .
Khả năng tăng dung lượng khi sử dụng anten thơng minh chuyển búp sĩng trong các hệ thống thơng tin di động được đánh giá cụ thể.
2.3.2. Kỹ thuật tạo búp sĩng thích nghi
Kỹ thuật tạo búp sĩng thích nghi cho phép hiệu chỉnh một cách mềm dẻo giản đồ phương hướng của anten mảng để tối ưu một số dặc tính của tín hiệu thu được Trong quá trình quay búp sĩng , búp sĩng chính của mảng cĩ thể thay đổi hướng một cách liên tục hoặc theo từng bước nhỏ. Anten mảng sử dụng kỹ thuật tạo búp sĩng thích nghi cĩ thể loại bỏ tín hiệu gây nhiễu cĩ hướng tới các tín hiệu mong muốn khác . Anten mảng đa phân cực cũng cĩ thể loại bỏ tín hiệu gây nhiễu cĩ các trạng thái phân cực khác nhau . Dạng hình học của anten mảng và các yếu tố khác của giản đồ phương hướng hướng phân cực của các phần tử đều cĩ ảnh hưởng trực tiếp chỉ tiêu chất lượng của anten mảng.
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương IV.Đánh giá hiệu năng của anten thơng minh
-
Hình 2.11. Đặc tuyến phủ sĩng của anten thích nghi
Các trọng số phức của mỗi phần tử trong anten mảng cĩ thể được tính tốn nhằm tối ưu một số đặc tính của tín hiệu thu được .Việc tối ưu anten mảng được thực hiện bằng cách tạo ra các búp cĩ giá trị bằng khơng (null) theo hướng tín hiệu gây nhiễu . Kỹ thuật tạo búp sĩng thích nghi là một phép lặp xấp xỉ của tạo búp sĩng tối ưu.
2.3.2.1. Thuật tốn thích ứng
Vấn đề đặt ra trong việc nghiên cứu chế tạo giàn anten thích ứng là cần điều khiển các tham số trọng số ω của bộ tạo tia sao cho giảm được tối đa tín hiệu can nhiễu của những người dùng khơng mong muốn. Yêu cầu đặt ra là phải tìm ra được những phương pháp điều khiển bộ tạo tia thay đổi kịp với sự biến đổi của tín hiệu.
Việc điều khiển bộ xử lý bất kỳ thường tuân theo hai bước sau:
Thiết lập hàm mục tiêu đánh giá.
Tạo ra một tập các chương trình để thay đổi các trọng số của bộ tạo tia để sao cho thỏa mãn hàm mục tiêu đã đề ra.
Các phương pháp để tạo ra chương trình điều khiển trọng số của bộ tạo tia trong giàn anten thích ứng được gọi là những thuật tốn thích ứng (adaptive algorithm). Một số thuật tốn thích ứng như:
Trung bình bình phương bé nhất (LMS).
Nghịch đảo ma trận mẫu (SMI)
Đệ quy bình phương tối thiểu (RLS)
Các tiêu chuẩn này thường được biểu thị bằng hàm mục tiêu và gắn chặt với chất lượng tại đầu ra của giàn. Việc điều chỉnh các trọng số sẽ làm cho hàm mục tiêu càng bé dần theo từng bước lặp. Khi hàm mục tiêu đạt giá trị bé nhất, lúc đĩ tiêu chuẩn được đề ra là đạt được và thuật tốn được gọi là hội tụ.
Đối với giàn anten thích ứng cĩ thể sử dụng được nhiều thuật tốn. Nhưng chọn thuật tốn nào thì phải căn cứ vào bài tốn đặt ra và các yếu tố sau:
Tốc độ hội tụ: Nĩ được xác định bằng số bước lặp cần thiết để thuật tốn hội tụ đến nghiệm tối ưu.
Độ bám: Khi thuật tốn tối ưu hoạt động trong mơi trường khơng dừng, thuật tốn cần phải bám được các thay đổi thống kê trong mơi trường.
Độ thơng minh: Biểu thị năng lực của thuật tốn thỏa mãn các điều kiện số liệu đầu vào.
Độ phức tạp tính tốn: Bao gồm số thuật tốn, dung lượng bộ nhớ cần thiết để lưu trữ số liệu và chương trình, chi phí thấp.
Đơn giản cả phần cứng lẫn phần mềm và phương thức tổ chức hệ thống.
Nâng cao hiệu quả sử dụng băng tần truyền dẫn
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương IV.Đánh giá hiệu năng của anten thơng minh
Sau đây, đồ án trình bày về ba thuật tốn thường được sử dụng nhất là thuật tốn bình phương tối thiểu (LMS), thuật tốn đệ quy bình phương nhỏ nhất (RLS), thuật tốn nghịch đảo ma trận mẫu (SMI).
2.3.2.2. Thuật tốn bình phương trung bình tối thiểu (LMS)
Thuật tốn bình phương trung bình tối thiểu (LMS - Least Mean Square) là thuật tốn thích ứng phổ biến nhất cho độ thích nghi cao [6]. Nĩ cho phép chọn lựa véctơ trọng số để bình phương trung bình lỗi tiến đến giá trị nhỏ nhất. Thuật tốn LMS cho phép cập nhật véctơ trọng số tại thời điểm (n + 1) theo cơng thức: } ) ( { 2 ) ( ) 1 (n ωn µ ε e2 n ω + = − ∇ (2.26)
Trong đĩ μ là “khoảng kích thước” điều khiển các tham số hội tụ của ω(n), μ thoả mãn: max 1 1 λ µ< < (2.27)
λmax là giá trị thích hợp lớn nhất của ma trận dao động Rxx, mặt khác:
∇ε{e2(n)} = -2rrx + 2xxω(n) (2.28)
Thay (2.28) vào cơng thức (2.26) ta được:
ω(n+1) = ω(n) - μ[ -rrx + Rxxω(n)] (2.29) Việc cập nhật trọng số theo cơng thức (2.29) cần phải biết trước bộ hai tham số Rxx và rrx. Để đơn giản, người ta thay các cơng thức tính Rxx và rrx:
Rxx (n) = x(n).xH(n)
rxr(n) = x(n).rH(n) (2.30) Thay vào (2.29) ta được:
ω(n+1) = ω(n) + μ[x(n).rH(n) - x(n)xH(n)ω(n)] = ω(n) + μx(n)[r*(n) - xH(n)ω(n)]
= ω(n) + μx(n)[r*(n) – y*(n)]
= ω(n) + μx(n)e*(n) (2.31)
Tốc độ hội tụ của thuật tốn LMS phụ thuộc vào giá trị của μ, và nĩ tỉ lệ nghịch với sự các giá trị thay đổi của ma trận thống kê Rxx.
2.3.2.3. Thuật tốn đệ quy bình phương tối thiểu (RLS)
Thuật tốn Đệ quy bình phương tối thiểu (RLS - Recursive Least Squares) sử dụng bình phương lỗi nhỏ nhất để ước tính véctơ trọng số.Véctơ trọng số được chọn khi giá trị của hàm tính tổng các bình phương lỗi là nhỏ nhất thơng qua khung thời gian.
2 1 ) ( ) ( ∑ = − = n i i n e i n Q γ (2.32)
Trong đĩ: e(i) được định nghĩa bởi cơng thức (2.27) và 0 < γ < 1 là “hệ số quên”. Sử dụng phương pháp bình phương cực tiểu, véctơ tương quan và ma trận thống kê được cho bởi cơng thức:
∑ = − = n i H i n xx n x i x i R 1 ) ( ) ( ) ( γ (2.33) ∑ = − = n i i n xr n x i r i r 1 *( ) ) ( ) ( γ (2.34)
Các hệ số ngồi xác định tương ứng khi i = n, ta định được:
Rxx(n) = γRxx(n-1) + x(n).xH(n) (2.35)
rxr(n) = γrxr(n-1) + x(n).r*(n) (2.36)
Áp dụng định nghĩa của Woodbury, ta xác định được nghịch đảo của ma trận thống kê
Rxx-1 = γ-1[Rxx-1(n-1) + q(n)x(n).Rxx-1(n-1)] (2.37)
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương IV.Đánh giá hiệu năng của anten thơng minh Trong đĩ: ) ( ) 1 ( ) ( 1 ) ( ) 1 ( ) ( 1 1 1 1 n x n R n x n x n R n q xx H xx − + − = −− − − γ γ (2.38)
Ta thấy, véctơ trọng số cĩ thể được cập nhật theo cơng thức (2.23):
ω(n) = −1
xx
R (n).rxr(n) (2.39)
= γ-1[Rxx-1(n-1) + q(n)x(n).Rxx-1(n-1)][γrxr(n-1) + x(n).r*(n)] Kết quả cuối cùng ta được:
ω(n) = ω(n-1) + q(n)[r*(n) + ωH(n-1)x(n)] (2.40)
2.3.2.4. Thuật tốn nghịch đảo ma trận mẫu (SMI)
Thuật tốn nghịch đảo ma trận mẫu SMI (Sample Matrix Inversion) [6] sử dụng cơng thức (2.24) trong phương phương pháp trung bình bình phương cực tiểu (MMSE), khi mà cả tín hiệu mong đợi và tín hiệu tham khảo đều đã biết và coi như cĩ cùng độ ưu tiên. Nếu như cả tín hiệu yêu cầu và tín hiệu tham khảo đều chưa biết, ta cũng cĩ thể ước tính nĩ thơng qua véctơ dữ liệu đầu vào. ∑ ∑ = = = = n i xr n i H xx i r i x n n r i x i x n n R 1 * 1 ) ( ). ( 1 ) ( ) ( ). ( 1 ) ( (2.41)
Áp dụng vào cơng thức (2.23) ta ước tính được véctơ trọng số sử dụng phương pháp SMI như sau:
ω(n) = Rxx-1(n).rxr(n) (2.42)
Thuật tốn SMI là một thuật tốn “khối thích ứng” nên cĩ cĩ tốc độ ước tính việc chọn lựa véctơ trọng số một cách nhanh nhất. Tuy nhiên, việc tính tốn rất phức tạp do việc phải tính ma trận nghịch đảo của ma trận thống kê Rxx là một ma trận khá lớn.
2.3.3. So sánh Anten chuyển búp sĩng và Anten thích nghi
Sự tích hợp
An ten chuyển búp được thiết kế và sử dụng rộng rãi trong thơng tin di động tổ ong như là một thiết bị cơng nghệ thơng minh được thêm vào để cải thiện khả năng hoạt động của hệ thống. Trong khi đĩ Anten thích nghi dù cĩ nhiều ưu điểm vượt trội hơn hẳn Anten chuyển búp nhưng địi hỏi phải được triển khai như là một hệ thống tích hợp mới hồn tồn.
Vùng phủ sĩng
Tùy theo mơi trường vơ tuyến và các phần cứng/phần mềm sử dụng mà cơng nghệ chuyển búp cĩ thể tăng phạm vi hoạt động của trạm gốc lên từ 20 đến 200% so với cơng nghệ sector hố thơng thường. Việc tăng vùng phủ sĩng cũng cĩ nghĩa là giảm chi phí cho nhà cung cấp dịch vụ và do đĩ giảm giá dịch vụ cho khách hàng.
Ngồi ra cơng nghệ chuyển búp cũng cho phép cải thiện dung lượng của hệ thống nhờ việc nĩ khơng gửi tín hiệu đi tất cả các hướng. Anten thích nghi cĩ thể phủ sĩng một vùng rộng hơn và nâng cao dung lượng hơn nhiều so với An ten chuyển búp, tuy nhiên nĩ địi hỏi cơng nghệ rất phức tạp và do vậy chi phí đầu tư cao hơn nhiều.
Ngăn chặn xuyên lẫn
Anten chuyển búp cĩ thể ngăn chặn các xuyên nhiễu của các tín hiệu xuất phát từ các hướng ngồi chùm búp hoạt động. Tuy nhiên do đặc tuyến búp là cố định nên chùm búp khơng thể tập trung chính xác đến hướng xuất phát của tín hiệu, điều này làm cho tỷ số C/I thấp hơn so với An ten thích nghi.
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương IV.Đánh giá hiệu năng của anten thơng minh
Anten chuyển búp cũng thường chỉ được dùng để nhận tín hiệu (hướng lên) do nĩ khơng thể xác định chính xác vị trí của máy mobile, vì nếu dùng để truyền tín hiệu (hướng xuống) thì nĩ cĩ thể làm đứt liên lạc nếu chọn nhầm búp. Ngồi ra, cũng do đặc điểm các búp là cố định mà độ nhạy của An ten chuyển búp cĩ thể bị thay đổi khi MS thay đổi vị trí.
An ten chuyển búp sẽ làm việc tốt nhất trong mơi trường cĩ độ xuyên nhiễu thấp, nhưng trong trường hợp mà nguồn xuyên nhiễu lại nằm ở trung tâm của chùm búp được chọn trong khi tín hiệu mong muốn lại nằm phía rìa của búp thì chất lượng tín hiệu sẽ rất xấu. So với Anten chuyển búp thì An ten thích nghi nhờ sự điều chỉnh liên tục chùm búp nên cho phép loại bỏ xuyên nhiễu và cung cấp chất lượng tín hiệu tốt hơn nhiều
Hình 2.13 .Mơ hình xử lý khơng gian đầy đủ cho phép 2 người dùng đồng thời cùng
một keebg truyền thuộc cùng một cell
Đa truy nhập phân chia theo khơng gian (SDMA) - Một trong những ứng dụng phức tạp nhất của an ten thơng minh là SDMA, đây là phương thức sử dụng kỹ thuật xử lý tinh xảo để định vị và theo dõi mobile [7], điều chỉnh chùm bức xạ truyền tín hiệu về phía người dùng mong muốn và tránh xa nguồn xuyên nhiễu.
Cơng nghệ này đưa lại các ưu điểm vượt trội về khả năng loại bỏ xuyên nhiễu và tăng khả năng tái sử dụng tần số. Về bản chất cơng nghệ này cho phép điều chỉnh ưu tiên việc cung cấp các tần số cho những nơi cĩ mật độ người dùng cao nhất. Nĩ liên tục tạo ra các sector khác nhau một cách rất linh
động cho mỗi người dùng và phân bổ các kênh tần cho mỗi sector theo yêu cầu tại thời điểm đĩ. Điều này cho phép nâng cao khả năng tái sử dụng kênh tần số, thậm chí cĩ thể tái sử dung kênh tần trong cùng một cell (hình 2.13).
Việc xử lý khơng gian địi hỏi phải tích hợp việc đo đạc và phân tích mơi trường vơ tuyến ở mức độ cao, do vậy Anten thích nghi thích hợp hơn Anten chuyển búp sĩng nhiều trong việc thực hiện cơng việc này.
2.4. TỔNG KẾT
Ta nhận thấy rằng mỗi thuật tốn khác nhau đều cĩ những ưu điểm riêng . Do tính chất thay đổi liên tục của mơi trường thơng tin di động , cũng như những hạn chế về mặt tính tốn tức thời khi thực hiện trong thiết bị thực tế mà các hệ thống thử nghiệm đều chỉ xử dụng các thuật tốn kinh điển khơng địi hỏi quá trình tính tốn phức tạp . Đổi lại tốc độ hội tụ của thuật tốn cĩ thể chậm hơn hoặc khơng được đảm bảo như thuật tốn hằng số theo khối .
Cơng nghệ anten thơng minh cĩ thể cải thiện một cách đáng kể về hoạt động cũng như tính kinh tế của các hệ thống thơng tin di động ở những nơi cĩ