Ănten thông minh và ứng dụng trong WCDMA

LỜI NÓI ĐẦU Thông tin di động ra đời vào cuối những năm 1940. Khi đó phương thức thông tin mới này chỉ là những hệ thống thông tin di động điều vận. Đến nay thông tin di động đã tr λ thành hệ thống toàn cầu và trải qua nhiều thế hệ . Thế kỷ 21 của chúng ta đã và đang chứng kiến sự phát triển mạnh mẽ không ngừng của ngành công nghiệp viễn thông và trong đó không thể thiếu thông tin di động. Con người càng vươn tới những đỉnh cao trong cuộc sống, trong khoa học thì nhu cầu trao đổi thông tin ngày càng nhiều và chính vì thế mà nhu cầu thông tin di động ngày một cấp thiết. Với lượng dân số thế giới là trên 6 tỷ người, thì việc trao đổi thông tin không chỉ đơn thuần là đối thoại thông thường với băng thông hẹp, tốc độ thấp mà con người ngày nay còn đòi hỏi phải được truy cập dữ liệu, âm thanh, hình ảnh với tốc độ cao băng thông rộng. Làm thế nào để nâng cao dung lượng của hệ thống nhưng không làm tăng băng tần của vô tuyến? Làm thế nào để hệ thống đảm bảo cung cấp dịch vụ với giá thành rẻ, chất lượng và tốc độ truyền dữ liệu cao, đồng thời phải giảm thiểu năng lượng truyền tín hiệu từ thuê bao nhằm tăng tuổi thọ của pin, làm cho cấu trúc của máy di động ngày càng gọn nhẹ? Việc đi tìm lời giải cho các câu hỏi này quả là một thách thức lớn cho các nhà quản lý và khai thác mạng viễn thông cũng như các nhà thiết kế hệ thống vì dường như các yêu cầu này không có tính dung hoà với nhau. Đã có rất nhiều giải pháp đưa ra nhằm giải quyết những vướng mắc này. Trong hệ thống những giải pháp đó, ănten thông minh với những ưu điểm vượt trội đã tr λ thành một giải pháp quan trọng được chú ý và lựa chọn. Ănten thông minh bắt đầu được nghiên cứu từ những năm 90 và ngày nay đang được triển khai rộng rãi nhiều nơi trên thế giới. Ănten thông minh giúp giải quyết vấn đề xuyên nhiễu giữa các máy di động ảnh hư λng lên nhau và tạp âm của môi trường truyền dẫn vô tuyến bằng cách tăng SINR. Ănten thông minh còn cải thiện tín hiệu đầu thu, tăng dung lượng hệ thống, m λ rộng vùng phủ sóng, tăng chất lượng tín hiệu, làm giảm chi phí lắp đặt các trạm BTS, kéo dài thời gian sử dụng pin của máy cầm tay, cho phép truy cập dữ liệu tốc độ cao. Công nghệ ănten áp dụng kỹ thuật đa truy cập phân chia theo không gian SDMA, bên cạnh đó còn kết hợp các kỹ thuật đa truy cập khác như CDMA, TDMA và FDMA và gần đây nhất là sự ra đời của hệ thống thông tin di động sử dụng kỹ thuật WCDMA để đạt được hiệu quả tối ưu nhất. Ngày nay, ănten thông minh không chỉ được áp dụng tại trạm gốc mà còn được tích hợp trong các thiết bị đầu cuối nhằm cải thiện hơn nữa các chỉ tiêu chất lượng và dung lượng của hệ thống. Và mặc dù đã được nghiên cứu nhiều năm nhưng cho đến nay, ănten thông minh luôn là một vấn đề thu hút sự quan tâm của nhiều người. Xuất phát từ những vấn đề trên, em đã lựa chọn đề tài nghiên cứu của mình là “Ănten thông minh và ứng dụng trong WCDMA”. Đề tài đã đi vào nghiên cứu từ những kiến thức cơ bản nhất cho đến những ứng dụng mới mẻ của ănten thông tại máy cầm tay trong hệ thống WCDMA. Theo đó, đề tài tiến hành nghiên cứu các nội dung chính theo bố cục gồm bốn chương. Chương I: Trình bày một cách tổng quan về ănten thông minh bao gồm : Khái niệm, nguyên lý hoạt động, cấu trúc và các tham số dàn ănten, mô hình tín hiệu và những lợi ích khi sử dụng ănten thông minh trong hệ thống thông tin di động. Chương II: Trình bày các thuật toán được áp dụng trong ănten thông minh bao gồm: kết hợp phân tập và kết hợp tương thích. Ngoài việc giới thiệu các thuật toán được sử dụng trong ănten thông minh, chương còn đưa ra những phân tích, đánh giá và so sánh các thuật toán này với nhau. Chương III: Đi vào nghiên cứu ứng dụng của ănten thông minh tại máy cầm tay trong hệ thống WCDMA, gồm hệ thống 3GPP và cdma2000. Chương đã giới thiệu một số các cấu trúc của hệ thống ănten thông minh kép được tích hợp trong các đầu cuối di động. Theo đó, chương cũng đưa ra những cấu trúc của ănten thông minh trong các môi trường truyền lan khác nhau cũng như ănten thông minh sử dụng các thuật toán khác nhau trong thực tế. Chương IV: Đánh giá hiệu năng của việc sử dụng ănten thông minh tại máy cầm tay khi sử dụng các lược đồ kết hợp phân tập, tương thích hay lai ghép cho hệ thống 3 GPP. Đồng thời trong chương cũng đã có những phép so sánh giữa ba loại lược đồ kết hợp này. MỤC LỤC THUẬT NGỮ VÀ TỪ VIẾT TẮT iv DANH MỤC CÁC HÌNH viii DANH MỤC CÁC BẢNG xi LỜI NÓI ĐẦU xii CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĂNTEN THÔNG MINH 1 1.1 M λ đầu 1 1.2 Hệ thống ănten thông minh 1 1.2.1 Khái niệm 1 1.2.2 Nguyên lý hoạt động của ănten thông minh 2 1.2.3 Cấu trúc sắp xếp của các phần tử ănten 3 1.2.4 Các tham số dàn ănten 4 1.3 Mô hình tín hiệu 5 1.4 Ưu điểm của ănten thông minh trong thông tin di động 9 1.4.1 Giảm trải trễ và pha đinh đa đường 9 1.4.2 Giảm nhiễu đồng kênh 11 1.4.3 Tăng dung lượng hệ thống và cải thiện hiệu suất phổ 12 1.4.4 Tăng hiệu suất truyền dẫn 12 1.4.5 Giảm chuyển giao 12 1.4.6 M λ rộng tầm sóng 12 1.4.7 Tăng diện tích vùng phủ sóng 14 1.4.7.1 Mức độ vùng phủ của ănten thu đơn phần tử 14 1.4.7.2 Mức độ vùng phủ của ănten thu L phần tử 15 1.4.8 Giảm công suất phát trạm di động 17 1.4.9 Cải thiện chất lượng tín hiệu 17 1.4.10 Tăng tốc độ dữ liệu 17 1.5 Tổng kết 17 CHƯƠNG II: CÁC KỸ THUẬT TRONG ĂNTEN THÔNG MINH 19 2.1. Kết hợp phân tập 19 2.1.1 Phân tập chuyển mạch 19 2.1.2 Phân tập lựa chọn (SD) 20 2.1.3 Phân tập kết hợp tỷ lệ tối đa (MRC) 21 2.1.4 Kết hợp độ lợi cân bằng (EGC) 23 2.1.5 Kết hợp lựa chọn tổng quát hoá GSC (Generalized Selection Combining) 23 2.1.6 Tổng kết 26 2.2 Tạo búp sóng 27 2.2.1 Ví dụ về tạo búp sóng 27 2.2.2 Các loại tạo búp sóng 29 2.2.2.1 Tạo búp sóng tương tự 29 2.2.2.2 Tạo búp sóng số 29 2.2.2.3 Tạo búp sóng không gian phần tử 29 2.2.2.4 Tạo búp sóng không gian – búp sóng 31 2.2.3 Kỹ thuật tham chiếu thời gian 34 2.2.3.1 Bình phương trung bình tối thiểu 35 2.2.3.2 Bình phương trung bình tối thiểu chuẩn hoá (NLMS) 38 2.2.3.3 Nghịch đảo ma trận mẫu (SMI) 39 2.2.3.4 Bình phương tối thiểu đệ quy (RLS) 45 2.2.4 Kỹ thuật tham chiếu không gian - Định cỡ ănten 47 2.2.5 Thuật toán mô đun hằng (CM) 49 2.3 Tổng kết 51 CHƯƠNG III: ỨNG DỤNG ĂNTEN THÔNG MINH TẠI MÁY CẦM TAY TRONG HỆ THỐNG WCDMA 53 3.1 Ănten thông minh tại máy cầm tay 53 3.2 Hệ thống truyền thông vô tuyến thế hệ 3 55 3.2.1 Hệ thống 3GPP 56 3.2.2 Hệ thống cdma2000 58 3.2 Các lược đồ kết hợp 59 3.2.1 Kết hợp phân tập 59 3.3.2 Kết hợp tương thích 60 3.3.3 Kết hợp lai ghép 62 3.4 Mô hình kênh 63 3.4.1 Giới thiệu chung về mô hình kênh 63 3.4.2 Tương quan đường bao 65 3.4.3 Mô hình kênh pha đinh tương quan không gian và mô hình kênh pha đinh tương quan không chặt 65 3.4.4 Mô hình kênh pha đinh tương quan đường bao 67 3.4.5 Thủ tục lấy profile kênh sử dụng GBSB 69 3.4.5.1 Mô hình GBSB 69 3.4.5.2 Thủ tục lấy profile kênh sử dụng GBSB 70 3.4.6 Mô hình kênh có phađinh logarit chuẩn 72 3.5 Tổng kết 73 CHƯƠNG IV: ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG CỦA ĂNTEN THÔNG MINH TẠI MÁY CẦM TAY 74 4.1 Hiệu năng của kết hợp phân tập 74 4.1.1 Môi trường mô phỏng 74 4.1.2 Các kết quả mô phỏng trong mô hình kênh đường tròn GBSB 75 4.1.3 Các kết quả mô phỏng trong mô hình kênh elip GBSB 80 4.2 Hiệu năng của kết hợp tương thích 86 4.2.1 Môi trường mô phỏng 86 4.2.2 Các kết quả mô phỏng cho AC 87 4.3 Hiệu năng của kết hợp lai ghép 89 4.3.1 Môi trường mô phỏng cho mô hình GBSB 89 4.3.2 Hiệu năng của DC và AC trong mô hình GBSB 90 4.3.3 Hiệu năng của HC đối với mô hình GBSB 94 4.4 Tổng kết 96 KẾT LUẬN 97 TÀI LIỆU THAM KHẢO 99