CÁC KỸ THUẬT TRONG ANTEN THÔNG MINH
3.2 KỸ THUẬT BEAMFORMING (TẠO BÚP SÓN G) 1 Chuyển búp sóng
Anten chuyển búp sóng gồm nhiều búp sóng kề nhau mà đầu ra của chúng có thể thay đổi để chiếu tới một hoặc nhiều máy thu nhất định. Do đó, một ô trong hệ thống sẽ được chia nhỏ bởi một nhóm các búp sóng liên tục. Anten mảng bám pha động cũng có thể được coi là một loại anten chuyển búp sóng, nhưng nó sử dụng thêm thông tin hướng tới từ người dùng mong muốn để quay hướng cực đại búp sóng về phía người đó nên có chỉ tiêu tốt hơn anten chuyển búp sóng thông thường. Còn đối với anten thích nghi, cấu trúc búp sóng có thể biến đổi thích nghi với môi trường tín hiệu cao tần, định hướng búp sóng tới người sử dụng mong muốn, đồng thời làm suy giảm tăng ích anten ở hướng gây nhiễu. Tuy có chỉ tiêu tốt hơn, nhưng anten mảng thích nghi thường phải sử dụng những xử lý số phức tạp nên có chi phí tốn kém hơn hệ thống chuyển búp sóng.
Hệ thống chuyển búp sóng đơn giản chỉ bao gồm một mạch tạo búp sóng, một chuyển mạch cao tần có điều khiển logic để chọn búp sóng mong muốn. Mỗi máy thu phải có một cơ chế lựa chọn búp sóng để có thể chọn được búp sóng mong muốn dựa vào các vector trọng số đã định. Cơ chế để lựa chọn búp sóng hiệu quả là khá phức tạp và tuỳ thuộc vào phương pháp truy nhập theo CDMA, TDMA hay FDMA.
Anten chuyển búp sóng tạo ra một tập hợp cố định các búp sóng tương đối hẹp. Đầu ra cao tần tới các búp sóng này có thể là tín hiệu cao tần hoặc tín hiệu đã qua xử lý băng gốc số. Mỗi vùng phủ dẻ quạt (1200) được phục vụ bởi một mảng các chấn tử phát xạ nối với nhau qua mạch chuyển búp sóng. Trong trường hợp lý tưởng, các búp sóng được tạo ra là độc lập với nhau. Số búp sóng có thể thay đổi, ví dụ: sáu búp sóng có độ rộng 20o hay bốn búp sóng có độ rộng 30o cho mỗi vùng phủ dẻ quạt.
Với anten mảng tuyến tính, độ rộng búp sóng theo phương nằm ngang được xác định bởi chiều dài của mảng và bước sóng. Ở chiều thẳng đứng, các phần tử anten được xếp chồng lên nhau để giảm độ rộng búp sóng theo chiều này. Điều đó cũng làm tăng tăng ích anten vì tăng ích này phục thuộc vào cả độ rộng búp sóng theo chiều nằm ngang và thẳng đứng. Tăng ích có thể tính bằng:
Trong đó:
η là hiệu suất anten, Gd là tăng ích định hướng,
θ và φ là độ rộng búp sóng tương ứng theo phương nằm ngang và thẳng đứng, tính bằng độ ( o ).
Mạch thông dụng nhất để tạo lập búp sóng trong kỹ thuật chuyển búp
sóng là ma trận Butler . Ma trận tạo búp sóng Butler của hệ thống 8 búp sóng liên tiếp có 8 cổng vào và 8 cổng ra. Đây là một cấu trúc thuận nghịch, mỗi đầu có thể là cả đầu vào hoặc đầu ra cao tần. Ma trận này gồm 4 bộ chuyển đổi hay bộ nối ghép cặp theo hướng và các bộ chuyển pha cố định thụ động. Số lượng mỗi loại phục thuộc vào số búp sóng phát ra. Ví dụ, với anten mảng tuyến tính M phần tử, số lượng bộ nối ghép cặp là:
c = (M/2) log2M (3.2) Trong đó: M là số búp sóng,
Số bộ chuyển pha cố định là:
s = M/2 log2(M-1) (3.3) Khi số cổng ( búp sóng ) lớn, thì giá trị trên là khá lớn. Tuy nhiên trong các ứng dụng thông tin di động tổ ong, giá trị này ở mức có thể chấp nhận được.
Các mảng Butler có thể lập lên mọi mẫu búp sóng là bội số nhân của 2: 2, 4, 8, 16, 32 .v.v. Số búp sóng sẽ bằng số phần tử của mảng. Các kỹ thuật tạo búp sóng có thể sử dụng trong các mảng hai chiều bằng cách phối hợp đầu ra các cột phần tử anten thành các ma trận, sau đó phối hợp các đầu ra của ma trận cột này thành một nhóm ma trận hàng.
Ở giữa băng thông của anten, khi khoảng cách giữa các phần tử anten bằng 1/2 độ dài bước sóng, vị trí của búp sóng tính bằng:
sinθ = 2k - 1 / M (3.4) Trong đó: θ là góc lệch, và
k là số búp sóng
Động rộng búp sóng và khoảng cách búp sóng biến đổi ngược nhau so với tần số, nên có thể duy trì mức giao cắt không đổi ở giữa các búp sóng.
Ngoài xử lý bằng kỹ thuật tương tự (analog) như trên, anten chuyển búp sóng cũng có thể được thực hiện bằng kỹ thuật xử lý số. Khi đó, tín hiệu cao tần được biến đổi xuống trung tần, rồi xuống băng gốc. Sau đó được chuyển đổi thành tín hiệu số trong bộ chuyển đổi tương tự/số (A/D). Tín hiệu này tiếp tục được xử lý ở máy thu số rồi chuyển đến mạch tạo búp sóng số.
Các hệ thống anten thông minh chuyển búp sóng có ưu điểm là đơn giản và chi phí không quá cao, nhưng vẫn có một số nhược điểm sau:
- Thứ nhất là không tránh được nhiễu của các thành phần đa đường đến từ các hướng gần với hướng của tín hiệu mong muốn, do hệ thống dựa vào mạch tạo búp sóng cố định mà thường nhậy cảm với tán xạ góc của các thành phần đa đường hơn là các hệ thống dựa vào các bộ xử lý mảng thích nghi.
- Thứ hai là không có khả năng lợi dụng được ưu điểm của phân tập đa đường bằng cách kết hợp các thành phần đa đường.
- Thứ ba là công suất nhận được từ thuê bao sẽ bị thăng giáng khi thuê bao di chuyển vòng tròn quanh trạm gốc do hiện tượng vỏ sò (scalloping) - một đường đẳng mức của giản đồ phương hướng anten phụ thuộc hướng tới thay đổi theo đường kính của mỗi búp sóng được tạo ra bởi mạch tạo búp sóng; Thông thường các mạch này tạo ra các búp sóng đan chéo nhau, do đó cường độ tín hiệu của thuê bao thay đổi khi thuê bao di chuyển từ giữa búp sóng đến biên vùng phủ của một búp sóng nào đó.
Mặc dù có những nhược điểm như trên song hệ thống chuyển búp sóng vẫn được sử dụng phổ biến vì các lý do sau:
- Có khả năng mở rộng phạm vi phủ sóng từ các hệ thống phức tạp. Tuỳ theo môi trường truyền sóng, các hệ thống chuyển búp sóng có thể làm giảm độ trải trễ, hỗ trợ môi trường thuê bao tốc độ cao...
- Vì việc tạo búp sóng cố định là trường hợp đơn giản nhất của kỹ thuật Anten thông minh nên chi phí thiết kế và vấn đề sử dụng các hệ thống này sẽ thấp hơn các kỹ thuật phức tạp khác.