2.8.2.2.1. Anten thơng minh
Anten thơng minh là một hệ thống gồm một ma trận các an ten phối hợp với nhau bằng cơng nghệ số nhằm tối ưu hố việc phát và thu tín hiệu. Các an ten này cĩ khả năng tự động điều chỉnh hướng đặc tuyến phủ sĩng của mình sao cho phù hợp nhất với mơi trường tín hiệu. An ten thơng minh khơng những làm tăng chất lượng tín hiệu mà cịn làm tăng dung lượng hệ thống thơng qua việc tăng khả năng tái sử dụng kênh tần số.Một Anten thơng minh bao gồm nhiều Anten thành phần. Cũng giống như cách phân tích của bộ não về sự khác nhau giữa âm thanh thu được ở hai tai, những tín hiệu phát ra từ những máy di động đến Anten thành phần được phân tích giúp xác định hướng của nguồn tín hiệu. Trên thực tế thì các Anten thành phần được phân bố tĩnh. Việc xác định được hướng của nguồn tín hiệu là kết quả của việc tính tốn tín hiệu nhận được từ những Anten thành phần, và khơng cĩ phần nào của Anten phải quay đổi hướng cả. Cơng việc tính tốn này địi hỏi thực hiện theo thời gian thực (realtime) để Anten thơng minh cĩ thể bám theo nguồn tín hiệu khi nĩ chuyển động.
Sử dụng các phép tính đơn giản giúp cho những gĩi tin cĩ thể truyền đến nguồn tín hiệu trong một búp sĩng hẹp theo đúng hướng của nguồn tín hiệu phát ra. Sử dụng Anten thơng minh để phát tín hiệu rất giống như việc chiếu đèn vào các diễn viên trên sân khấu. Nếu như đèn chiếu rộng thì rất ít ánh sáng chiếu đúng vào người diễn viên. Bằng một đèn chiếu tập trung, hầu như tồn bộ ánh sáng chiếu
đúng phần cần thiết cịn những khu vực cịn lại thì tối, tăng hiệu dụng cơng suất phát sáng.
Cơng việc tính tốn phức tạp và địi hỏi thời gian đáp ứng nhanh dẫn đến việc phải gia tăng đáng kể cơng việc xử lý ở tại trạm phát sĩng.
2.8.2.2.2. Hệ thống Smart Antena
Hệ thống anten thích nghi thưc chất là một hệ thống gồm nhiều anten cấu thành mạng , các anten thành phần đĩ hồn tồn giống nhau . Cấu trúc mạng anten rất đa dạng tuỳ theo từng mục đích như :kiểu tuyến tính, vịng trịn, plana, khối….
Hình 2.18 Hệ thống anten tuyến tính
Cho dù hình dạng và kiến trúc khác nhau nhưng tất cả các đều phải đảm bảo các đièu kiện sau:
◊Khơng cĩ sự tác động qua lại của các anten thành phần. ◊Khơng cĩ sự biến đổi biên độ giữa các anten.
◊Tín hiệu thu được phải độc lập cĩ thể rời rạc hố trên mặt phẳng.
Tất cả các hệ thống anten thích nghi đều bao gồm 2 khối cơ bản : Khối xử lý cứng – Logic circuit và xử lý mềm – Adative Algỏithm là các chương trình xử lý tương thích tín hiệu.
Hệ thống anten thích nghi sử dụng hai kỹ thuật xử lý tín hiệu.
● Switch beam (chuyển mạch búp sĩng) sử dụng anten trong đĩ các anten thành phần thu phát một cách độc lập , biểu đồ hướng anten sẽ thay đổi chuyển anten thành phần này sang anten thành phần khác để bám theo đối tượng khi thuê bao duy chuyển .Tuy nhiên dung lượng hệ thống bị giới hạn vì phụ thuộc vào số lượng anten thành phần trong mạng anten, biểu đồ hướng sĩng anten được xác định trước hoặc dưới dạng kết hợp ( các sector). Hệ thống này tương đối đơn giản, dễ lắp đặt trong các hệ thống thơng tin di động hiện nay. Tuy nhiên hệ thống này vẫn
cịn một số nhược điểm cần khắc phục như : dung lượng hệ thống phụ thuộc vào số anten thành phần trong mạng anten, khơng tận dụng được tính chất đa đường để tăng cường tín hiệu...
Hình 2.19 Hệ thống chuyển mạch búp sĩng
● Adaptive Aray (mạng tương thích) :biểu đồ hướng sĩng khơng xác đinh,mang tính chất động và các biểu dồ hướng sĩng anten đĩ cĩ thể diều chỉnh theo thời gian thực hệ thống này tất nhiên là phức tạp hơn hệ thống anten trên tuy nhiên lại cĩ ưu điẻm hơn hệ thống anten trên tuy nhiên lại cĩ ưu điểm hơn vì nhờ tính chất hoạt động của hệ thống anten nên dung lượng của hệ thống cĩ thể thay đổi một cách linh hoạt ,khắc phục những nhược điểm cơ bản của hệ thống trên như lợi dụng tính chất đa đường để tăng cường tín hiệu.
2.8.3. Cơ sở kỹ thuật xử lý tín hiệu trong hệ thống Smart Antena kết hợp điều khiển cơng suất hợp điều khiển cơng suất
Hệ thống anten thich nghi hay thơng minh là vì trong bất cứ mơi trường truyền sĩng nào hệ thống anten cũng đều tự động điều chỉnh biểu đồ hướng anten của mình theo những hướng cĩ thuê bao . Triệt tiêu những hướng khơng cần thiết và nhiễu. Về mặt cấu trúc như đã biết tồn bộ hệ anten là một mạng N kênh , mỗi kênh được xử lý với trọng số riêng các trọng số này được đièu khiển theo hiệu ứng tổng hợp ở đầu ra của hệ thống.
Hình 2.21 Sơ đồ khối của anten thích nghi dưới dạng tổng quát
Như trên đã trình bày hai kỹ thuật xử lý tín hiệu trong smart antenna .Do đĩ sẽ cĩ những đặc trưng riêng thể hiện ưu điểm của mỗi loại kỹ thuật. Tuy nhiên cả hai phương pháp trên đều phải thơng qua các cơng đoạn xử lý chung sau :
◊Xác nhận các đáp ứng của hệ thống anten: ma trận các véctơ trọng số sĩng . Đây mới chỉ là phản ứng sơ bộ của hệ thống anten khi cĩ các tín hiệu thuê bao tác động lên, thời điểm này chưa cĩ sự điều khiển tương thích với sĩng mong muốn . Đồng thời xác định đựoc vết khơng gian của các tín hiệu thơng số định lượng khả năng đáp ứng của mạng anten và các thơng số về gĩc của sĩng tới, thời gian trễ, cường độ tín hiêu… Bước này rất quan trọng vì cĩ vai trị rất quan trọng cho tới những bước xử lý chọn lọc và tương thích sau này.
◊Tiếp theo tín hiệu được đưa tới từng bộ lọc của từng nhánh, ở đĩ tín hiệu đựoc tối ưu hố, các thơng số được xác định một cách chính xác, như việc xác
định thơng số DOA (gĩc tới của sĩng), việc xác định thơng số này cần cĩ sự tham gia của phần mềm xử lý tin hiệu như : MUSIC ( Thuật tốn phân loại đa tín hiệu ,ESPRIT (thuật tốn định lượng các thơng số tín hiệu thơng qua kỹ thuật bất biến luân phiên)…..Đây là một thơng số rất quan trọng kết hợp với các thơng số ở bước trước để sau này hệ thống thực hiện chọn lọc tín hiệu tương thích và loại bỏ những tín hiệu khơng mong muốn và điều khiển cơng suất thu sao cho hợp lý
◊Tương thích: là khâu yêu cầu sự tính tốn rất phức tạp và chính xác. Trong hệ thống xử lý luơn cĩ một ma trận các vector trọng số sĩng nhận được . Trên cơ sở biết được yêu cầu cần kết nối ta xác định được các vectỏ trọng số sĩng mong muốn thơng qua thuật tốn xử lý tương thích như : MMSE ( Minimum Mean Square Eror –thuật tốn lỗi bình phương sai phân tối thiểu) hay thuật tốn thích nghi mù. Khi đĩ tín hiệu khơng mong muĩn sẽ bị triêt tiêu trên cở sở kỹ thuật đa truy nhập theo tần số trực giao OFDM , quá trình điều khiển cơng suất hoạt động song song với quá trình xử lý tín hiệu nhận dạng thuê bao để tránh hiện tượng chèn ép kênh và hao phí cơng suất ….
Hình 2.22 Phần mềm hệ thống smart antenna
◊Sau khi nhận được tín hiêu mong muốn thì ta phải định lượng được cường độ tín hiệu nghĩa là phải cĩ giá trị cao hơn giá trị ngưỡng cho trước thì mới cĩ thể đưa tới bộ giải điều chế. Tín hiệu cĩ cường độ nhỏ hơn giá trị ngưỡng thì hệ thống
sẽ phải lặp lại sự tương thích lại với sự thay đổi hệ số tương thích – thay đổi cơng suất thu.
◊Cuối cùng những tín hiêu mong muốn lớn hơn giá trị ngưỡng sẽ được đưa tơí bộ kết hợp tạo ra tín hiệu đầu ra cĩ cường độ cực đại . Tại đây người ta sử dụng bộ thu RAKE – điều chỉnh thời gian trẽ tín hiệu , lợi dụng tính chất đa đường để nâng cao cơng suất tín hiệu và loại bỏ nhiễu trong tín hiệu mong muốn.
2.8.4. Ứng dụng của anten thơng minh trong mạng 3G
Bởi Anten thơng minh giúp tăng cơng suất thu và giảm nhiễu nên điều này đặc biệt cĩ ý nghĩa đối với các mạng di động 3G sử dụng cơng nghệ CDMA. CDMA (Code Division Multiple Access) chia phổ tần bằng cách xác định mỗi kênh vơ tuyến trong một trạm thu phát và thuê bao bằng một mã số. Thuê bao chỉ được nhận ra bằng mã của mình. Tín hiệu thu và phát từ những máy di động khác (với những mã khác) đối với một máy điện thoại di động chính là nhiễu. Cho nên, càng nhiều điện thoại trong một vùng phủ sĩng của trạm thu phát thì nhiễu càng nhiều. Điều đĩ là giảm số điện thoại di động mà tram thu phát cĩ thể phục vụ được.
Tất cả các tiêu chuẩn điện thoại 3G (UMTS, cdma2000 và TD-SCDMA...) đều sử dụng cơng nghệ CDMA. Đối với những hệ thống CDMA, Anten thơng minh giúp giảm nhiễu trong một ơ bởi vì nĩ tăng cơng suất phát để duy trì tất cả các kênh vơ tuyến từ trạm phát tới mọi thuê bao. Điều này đặc biệt quan trọng khi nhu cầu tốc độ số liệu cao ngày càng tăng. Một kênh vơ tuyến tốc độ cao cần mức cơng suất cao gấp 10 lần một kênh thoại trong mạng GSM. Tăng mức cơng suất để duy trì một kênh vơ tuyến cũng cĩ nghĩa là giảm khả năng phục vụ các thuê bao cịn lại trong ơ cũng như từ các ơ liền kề.
Anten thơng minh giảm sự can nhiễu bằng 2 cách:
- Búp sĩng của Anten hướng chính xác đến thuê bao, do vậy cơng suất phát chỉ phát đúng đến hướng cần thiết.
- Khả năng điều khiển tín hiệu định hướng, Anten thơng minh tránh phát tín hiệu về phía nguồn can nhiễu.
Anten thơng minh giống như một bơng hoa với những cánh hoa cĩ độ dài khác nhau mỗi cánh hoa là một bút sĩng phục vụ một thuê bao. Những búp sĩng này sẽ bám theo đúng hướng của thuê bao khi di chuyển.
Kết hợp những lợi ích của Anten thơng minh, hệ thống CDMA giảm được chi phí tính tốn cơng suất, tăng dung lượng phục vụ.
2.8.5. Những lợi ích chính khi triển khai anten thơng minh
Tăng số lượng thuê bao được phục vụ trong một trạm, tăng doanh thu, giảm khả năng khố và rơi cuộc gọi đối với các thuê bao.
Chất lượng tín hiệu truyền dẫn được cải thiện mà khơng cần tăng cơng suất phát mà lại giảm được can nhiễu.
Giảm cơng suất thu phát ở cả hai hướng (Thuê bao - Trạm phát và ngược lại), giúp cho pin của điện thoại dùng được lâu hơn.
2.8.6. Tổng kết cơng nghệ Smart Antena
Anten thơng minh là một tập hợp các Anten thành phần được điều khiển để cĩ thê bức xạ ra các búp sĩng hẹp với mức cơng suất phù hợp với yêu cầu nên nĩ nâng cao được cơng suất thu, giảm nhiễu nội bộ giữa các kênh vơ tuyến trong cùng một trạm phát. Với những đặc điểm và nguyên lý hoạt động của Anten thơng minh, việc sử dụng Anten thơng minh trong mạng 2G (GSM) khơng mang lại hiệu quả cao. Đối với mạng di động 3G (CDMA), khi thiết kế, xây dựng cần xem xét khả năng triển khai Anten thơng minh ngay để giảm số trạm phát, tăng dung lượng thuê bao và chất lượng phục vụ, giành ưu thế cạnh tranh ngay từ đầu.
2.9. KẾT LUẬN CHƯƠNG
Như đã biết trong hệ thống phân chia theo mã, các users sử dụng chung băng tần để truyền tín hiệu, vì vậy việc gây ra nhiễu lẫn nhau là điều đáng quan tâm. Mặc dù, với kỹ thuật sử dụng các mã trực giao với nhau, sự giao thoa nhiễu giữa các tín hiệu được tránh khỏi. Tuy nhiên, vẫn cịn sự ảnh hưởng của nhiễu mơi trường tác động lên mức tín hiệu nhận được tại đầu thu làm suy giảm chất lượng tín hiệu và cĩ
thể khơng thể giải mã được. Thật khơng may, với hệ thống mã trực giao, các tín hiệu khơng giao thoa lẫn nhau, nhưng tín hiệu này lại trở thành nhiễu mơi trường với tín hiệu khác. Nếu khơng cĩ phương pháp điều khiển cơng suất thì tín hiệu ở gần thiết bị thu sẽ khiến cho tín hiệu cần nhận được phát ở xa bị lấn lướt hồn tồn và khơng giải mã được. Một giải thuật tương tự được áp dụng trong UMTS, nhằm đảm bảo tất cả các tín hiệu tới được đầu thu cĩ mức tín hiệu gần bằng nhau. Để làm được điều này, trong hệ thống UMTS, tỉ số tín hiệu trên nhiễu được quan tâm một cách đặt biệt. Đây cũng chính là thơng số giúp hệ thống tự điều chỉnh cơng suất để đảm bảo tiêu chí đề ra. Ta sẽ thấy tỉ số này được sử dụng như thế nào trong các thủ tục điều khiển cơng suất Inner Loop, Open Loop, Outer Loop được UE, Node B và RNC thực hiện trong cả hai hướng Uplink và DownLink. Trong chương này cịn đề cập đến một giải pháp điều khiển cơng suất là sử dung smart Anten là một tập hợp các Anten thành phần được điều khiển để cĩ thể bức xạ ra các búp sĩng hẹp với mức cơng suất phù hợp với yêu cầu nên nĩ nâng cao được cơng suất thu, giảm nhiễu nội bộ giữa các kênh vơ tuyến trong cùng một trạm phát. Với những đặc điểm và nguyên lý hoạt động của Anten thơng minh, việc sử dụng Anten thơng minh trong mạng 2G (GSM) khơng mang lại hiệu quả cao. Đối với mạng di động 3G (CDMA), khi thiết kế, xây dựng cần xem xét khả năng triển khai Anten thơng minh ngay để giảm số trạm phát, tăng dung lượng thuê bao và chất lượng phục vụ, giành ưu thế cạnh tranh ngay từ đầu.
CHƯƠNG III
CÁC THUẬT TỐN ĐIỀU KHIỂN CƠNG SUẤT
3.1. GIỚI THIỆU
Chương này đề cập đến các thuật tốn điều khiển cơng suất vịng ngồi, điều khiển cơng suất hướng lên DSSPC (Dynamic step-size Power Control) là phương pháp điều khiển cơng suất hướng lên thơng minh dựa trên việc sử dụng dữ liệu gốc, vịng lặp kín và sự tương thích với những nhân tố quản lý tài nguyên vơ tuyến. Trong khi DPC (Distributed Power Control) chỉ sử dụng thơng tin SIR và sử dụng kỹ thuật lặp để điều khiển cơng suất truyền đến mức tối ưu và đáp ứng các yêu cầu về chất lượng của người sử dụng.
Điều khiển cơng suất là một khâu quan trọng trong thơng tin di động, nhưng vấn đề này được chú trọng trong hệ thống UMTS hơn vì hệ thống này sử dụng một tần số chung cho tất cả các thuê bao cũng như quá trình tách sĩng khơng nhất quán tại trạm gốc và ảnh hưởng của hiệu ứng gần xa.
3.2. THUẬT TỐN ĐKCS VỊNG NGỒI
Một trong các thuật tốn điều khiển cơng suất vịng ngồi là dựa vào kết quả kiểm tra dữ liệu CRC và cĩ thể được đặc trưng bởi các mã giả. Thuật tốn này như sau:
IF CRC check OK
Step_down = BLER_target * Step_size;
Eb/N0_target(n+1) = Eb/N0_target(n) –Step_down; ELSE
Step_up =Step_size –BLER_target * Step_size; Eb/N0_target(n+1) = Eb/N0_target(n) + Step_up; END
Trong đĩ: Eb/N0_target(n): Eb/N0 mục tiêu trong khung n. BLER_target là BLER mục tiêu cho cuộc gọi.
Step_size là một thơng số kích cỡ bậc, thường bằng 0.3-0.5dB.
Nếu BLER của kết nối là một hàm giảm đều của Eb/N0 mục tiêu, thì thuật tốn này sẽ cho kết quả là BLER bằng với BLER mục tiêu nếu cuộc gọi đủ dài. Thơng số kích cỡ bậc xác định tốc độ hội tụ của thuật tốn đến mục tiêu mong muốn và cũng xác định tổng phí gây ra bởi thuật tốn. Theo nguyên tắc, kích cỡ bậc càng cao sự hội tụ càng nhanh và tổng phí càng cao. Hình 3-11 đưa ra một ví dụ mơ tả hoạt động của thuật tốn với BLER mục tiêu là 1% và kích cỡ bậc là 0.5dB.
Hình 3.1 Eb/N0 mục tiêu trong kênh ITU Pedestrian A, bộ mã hố/giải mã thoại AMR, BLER mục tiêu 1%, bậc 0,5dB, tốc độ 3km/h.
3.3. PHƯƠNG PHÁP ĐKCS THEO BƯỚC ĐỘNG DSSPC (Dynamic Step-size Power Control) Power Control)
Là sự giả thuyết về sự biến đổi kênh ban đầu mà cần phải được xác định theo kết quả của phép đo vơ tuyến thời gian thực.Rút ra từ sự kết hợp của AC