NGHIÊN cứu các THUẬT TOÁN điều KHIỂN TRONG ANTEN THÍCH NGHI

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ
NGUYỄN HỮU TRÍ
KHÓA 2
HỆ ĐÀO TẠO KỸ SƯ DÂN SỰ
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
NGÀNH ĐIỆN - ĐIỆN TỬ
MÃ SỐ: 20.00
NGHIÊN CỨU CÁC THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN TRONG
ANTEN THÍCH NGHI
Cán bộ hướng dẫn: TRUNG TÁ, TS. TRẦN XUÂN NAM
NĂM 2008
CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
AAA Adaptive Array Antenna Anten giàn thích nghi
AOA Angle Of Arrival Góc tới
AWGN Additive White Gaussian Noise Tạp âm Gauss cộng trắng
BER Bit Error Rate Tỉ lệ lỗi bít
BPSK Binary Phase Shift Keying Khóa dịch pha nhị phân
BS Base Station Trạm gốc
BTS Base Transceiver Station Trạm thu phát gốc
CCI Co-Channel Interference Nhiễu đồng kênh
CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo
mã
DMSI Direct Sample Matrix Inversion Nghịch đảo ma trận mẫu trực
tiếp
DOA Direction Of Arrival Hướng tới
DoF Degree of Freedom Bậc tự do
DSP Digital Signal Processing Xử lý tín hiệu số
ECF Extended area Coverage Factor
Hệ số vùngphủ
FDMA Frequency Division Multiple
Access

Đa truy nhập phân chia theo
tần số
ISI InterSymbol Interference Nhiễu xuyên dấu
LMS Least Mean Squares Trung bình bình phương nhỏ
nhất
ML Maximum Likelihood Hợp lẽ cực đại
MMSE Minimum Mean Square Error Sai số trung bình bình
phương cực tiểu
MS Mobile Station Trạm di động
MSE Mean Square Error Sai số trung bình bình
phương
MSINR Maximum Signal-to-Interference
plus Noise ratio
Cực đại tỉ số tín trên nhiễu
cộng tạp âm
MV Minimum Variance Phương sai cực tiểu
MVDR
Minimum Variance
Distortionless Response
Đáp ứng không méo phương
sai cực tiểu
REF Range Extension Factor Hệ số mở rộng vùng phủ
iii
RF Radio frequency Tấn số vô tuyến
RLS Recursive Least Squares Bình phương tối thiểu đệ quy
SBA Switched Beam Antenna Anten chuyển mạch búp sóng
SDMA Space Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo
không gian
SMI Sample Matrix Inversion Nghịch đảo ma trận mẫu
SINR Signal to Interference plus Noise

Ratio
Tỉ số tín hiệu trên nhiễu cộng
âm cộng với nhiễu
SNR Signal-to-Nosie Ratio Tỉ số tín trên tạp
SNR Signal to Noise Ratio Tỉ số tín hiệu trên nhiễu
TDLs Tapped Delayed Lines Đường dây trễ
TDMA Time Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo
thời gian
UC Unit Control Đơn vị điều khiển
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
2.1. Mở đầu 12
2.2. Hệ thống anten thông minh 12
2.2.1. Khái niệm 12
2.2.2. Nguyên lý hoạt động của anten thông minh 13
2.2.3. Cấu trúc sắp xếp của các phần tử giàn anten 14
2.2.4. Các tham số giàn anten 16
2.2.5. Mô tả định dạng không gian giàn tuyến tính 18
2.3. Ưu điểm của anten thông minh trong thông tin di động 29
iv
2.3.2. Giảm trải trễ và pha đinh đa đường 30
2.3.3. Giảm nhiễu đồng kênh 31
2.3.5. Giảm chuyển giao 32
2.3.7. Giảm công suất phát 33
2.5. Kết luận 35
3.1.2. Minimum Mean Square Error (MMSE) 40
MỤC LỤC
2.1. Mở đầu 12
2.2. Hệ thống anten thông minh 12
2.2.1. Khái niệm 12
2.2.2. Nguyên lý hoạt động của anten thông minh 13

2.2.3. Cấu trúc sắp xếp của các phần tử giàn anten 14
2.2.4. Các tham số giàn anten 16
2.2.5. Mô tả định dạng không gian giàn tuyến tính 18
2.3. Ưu điểm của anten thông minh trong thông tin di động 29
2.3.2. Giảm trải trễ và pha đinh đa đường 30
2.3.3. Giảm nhiễu đồng kênh 31
2.3.5. Giảm chuyển giao 32
2.3.7. Giảm công suất phát 33
2.5. Kết luận 35
3.1.2. Minimum Mean Square Error (MMSE) 40
v
LỜI NÓI ĐẦU
Xã hội càng phát triển, nhu cầu về thông tin của con người trong càng
trở nên cấp thiết, đòi hỏi nâng cao dịch vụ cả về chất lượng và số lượng. Các
nhà khai thác muốn cung cấp dịch vụ thông tin cho càng nhiều người sử dụng
càng tốt trong giới hạn đầu tư về công nghệ. Còn mỗi người sử dụng đều
mong muốn chất lượng dịch vụ tốt hơn, giá thành rẻ hơn, sử dụng dịch vụ
thuận tiện hơn, nhiều loại dịch vụ hơn nữa, đặc biệt là các dịch vụ đa phương
tiện.
Trong đó nhu cầu về thông tin di động cũng rất to lớn trong thúc đẩy sự
phát triển mạnh mẽ của thông tin di động theo hướng đa dạng, tiên tiến nhằm
đáp ứng các đòi hỏi ngày càng cao của người sử dụng . Tuy nhiên muốn làm
được điều này, chắc chắn phải dựa trên các kỹ thuật và công nghệ luôn được
đổi mới.
Với lý do đó, luôn có những động lực mạnh mẽ thúc đẩy các công nghệ
tiên tiến liên tục ra đời, phát triển và hoàn thiện nhằm hỗ trợ hệ thống thông
tin di động tăng cường các khả năng dịch vụ của mình. Đồng thời nó cũng đặt
ra các yêu cầu tìm hiểu, ứng dụng các công nghệ mới vào hệ thống thông tin
di động sao cho phù hợp với điều kiện cụ thể của mỗi quốc gia.
Để cải thiện các chỉ tiêu của hệ thống, nâng cao khả năng cung cấp dịch

vụ của hệ thống thông tin di động, hiện nay có một công nghệ mới đã và đang
được nghiên cứu, thử nghiệm và triển khai áp dụng vào thực tế, đó là công
nghệ anten thích nghi.
Công nghệ anten thích nghi hay anten thông minh trong thông tin di
động đã thu hút được sự quan tâm to lớn trong những năm gần đây. Nguyên
nhân cơ bản để anten thích nghi ra đời đó là khả năng tăng dung lượng trong
1
hệ thống thông tin di động, tăng bán kính phủ sóng do anten thích nghi có tính
định hướng cao, làm giảm công suất phát yêu cầu của trạm gốc, giảm nhiễu
đồng kênh, cải thiện chất lượng tín hiệu. Xuất phát từ những ưu điểm nổi bật
và khả năng triển khai thực tế của công nghệ anten thích nghi trong các hệ
thống thông tin di động hiện nay nên em đã chọn đề tài:
“Nghiêu cứu các thuật toán điều khiển trong anten thích nghi”
Nội dung đồ án bao gồm 4 chương:
Chương 1: Đặc điểm truyền sóng và một số vấn đề kỹ thuật trong
mạng thông tin di động tế bào.
Chương 2: Tổng quan về anten thông minh.
Chương 3: Nghiên cứu các thuật toán điều khiển thích nghi.
Chương 4: Mô phỏng các thuật toán điều khiển thích nghi
Em xin cảm ơn thầy giáo Trần Xuân Nam - giáo viên hướng dẫn trực
tiếp cùng các thầy cô giáo trong khoa Vô tuyến điện tử - Học viện Kỹ Thuật
Quân Sự đã tạo điều kiện và giúp đỡ em hoàn thành đồ án này.
Em xin chân thành cảm ơn.

Hà nội, tháng 4 năm 2008
Sinh viên
Nguyễn Hữu Trí
2
CHƯƠNG 1
ĐẶC ĐIỂM TRUYỀN SÓNG VÀ MỘT SỐ VẤN ĐỀ KỸ

THUẬT TRONG MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG TẾ BÀO
1.1. Khái quát chung
Việc truyền sóng trong thông tin di động (TTDĐ) sử dụng giao diện vô
tuyến với môi trường truyền dẫn tự do nên ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng
truyền tin, bởi lẽ luôn phải chịu những ảnh hưởng của các yếu tố môi trường
bên ngoài như: thời tiết, khí hậu, địa hình, các nguồn nhiễu trong tự nhiên,
hay các thiết bị vô tuyến khác, suy hao lớn,… do đó tín hiệu thu được ở máy
thu bị thay đổi so với tín hiệu đã phát đi cả về tần số, biên độ, pha và độ trễ.
Các thay đổi này mang tính ngẫu nhiên và rất phức tạp. Ở đây chúng ta xét
một số đặc điểm nổi bật gây ra như: tổn hao đường truyền, pha-đinh, hiệu
ứng Doppler và trải trễ.
1.1.1. Tổn hao đường truyền
Tổn hao đường truyền là lượng suy giảm mức tín hiệu thu so với mức
phát, là yếu tố quyết định đến phạm vi phủ sóng của 1 trạm gốc (BS: Base
station). Theo lý thuyết truyền sóng, công suất sóng điện từ tại điểm thu
r
P
được xác định bởi biểu thức:
2
2
( )
4
t t r
r
PG G
P d
d l
λ
π
=

(1.1)
trong đó:
r
P
,
t
P
là công suất thu và phát.
r
G
,
t
G
là tăng ích anten thu và phát
λ
là bước sóng (m)
d
: khoảng cách bên phát và bên thu (m)
3
l: tổn hao của phần cứng hệ thống.
Công thức (1.1) cho thấy: trong không gian tự do, công suất tín hiệu trên
một đơn vị diện tích của mặt cầu sóng P
t
giảm dần theo bình phương khoảng
cách giữa anten thu và anten phát nên mức điện thu trung bình của tín hiệu
thu giảm dần theo bình phương khoảng cách từ máy phát tới máy thu.
Trong TTDĐ ở môi trường khí quyển gần mặt đất, sóng điện từ bị môi
trường hấp thụ, bị che chắn bởi địa hình, vật cản do đó tổn hao đường truyền
có thể lớn hơn rất nhiều so với tổn hao truyền trong không gian tự do. Tổn
hao đường truyền phụ thuộc vào tần số bức xạ, địa hình, độ cao anten, loại

anten, tính chất môi trường, tốc độ di động của các vật cản…
Trong thông tin vô tuyến tế bào, tổn hao đường truyền được xác định
theo công thức:
2
0
0
( ) ( )
r r
d
P d P d
d
 
=
 ÷
 
(1.2)
trong đó
0
d
là khoảng cách từ anten thu tới anten phát sao cho công suất thu
được tại điểm thu bằng công suất độ nhạy máy thu, d là khoảng cách từ anten
thu tới anten phát. Luật mũ n thường dùng cho tổn hao đường truyền trên cự
ly xa và luật mũ 4 (n = 4) thường dùng trong tổn hao đường truyền trong các
vùng đô thị nói chung.
Mặc dù tổn hao đường truyền hạn chế kích thước tế bào và cự li liên lạc
nhưng người ta có thể lợi dụng tính chất của tổn hao đường truyền để phân
chia các tế bào và cho phép tái sử dụng tần số hiệu quả làm tăng hiệu quả sử
dụng tần số. Thực tế để khắc phục suy hao đường truyền, các máy phát ở trạm
thu phát gốc (BTS: Base Transceiver Station) và trạm di động (MS: Mobile
Station) luôn thực hiện điều chỉnh công suất phát để máy thu luôn nhận được

công suất tín hiệu cần thiết khi MS di chuyển. Việc điều chỉnh công suất được
giải thích như sau: theo công thức (1.2) công suất tín hiệu thu tỷ lệ nghịch với
khoảng cách thu phát, do đó để đảm bảo công suất thu không đổi khi MS ra
4
xa BTS (khoảng cách thu phát tăng), phải tăng công suất tín hiệu phát và
ngược lại. Khi đó nhiễu lẫn nhau giữa các kênh cùng tần số giảm và suy hao
đường truyền cũng được bù trừ.
1.1.2. Pha-đinh
Trong hệ thống thông tin vô tuyến nói chung và hệ thống TTDĐ nói
riêng pha đinh cũng là một trong những nguyên nhân gây suy giảm chất
lượng tín hiệu. Tín hiệu truyền từ máy phát đến máy thu sẽ bị phản xạ, khúc
xạ, tán xạ tại những trướng ngại vật trên đường truyền (như nhà cửa, cây cối,
đồi núi, xe cộ…) làm cho tín hiệu từ máy phát đến máy thu thông qua nhiều
đường (path) và tín hiệu đến máy thu là tổng hợp của tất cả các đường có biên
độ, pha và độ trễ khác nhau nên có thể kết hợp với nhau theo cách có lợi hoặc
không có lợi một cách ngẫu nhiên.
Pha-đinh phẳng là hiện tượng mức tín hiệu thu được suy hao như nhau
trong suốt cả dải băng tần của kênh. Pha-đinh chọn lọc theo tần số là hiện
tượng mức tín hiệu thu được suy hao đáng kể trong băng tần của tín hiệu.
Pha-đinh nhanh là hiện tượng mức tín hiệu thu tức thời thay đổi rất
nhanh làm giảm chất lượng tín hiệu. Thực tế trong hầu hết các môi trường
mỗi tia sóng thu được tại máy di động đều chịu những thay đổi về pha, độ trễ,
biên độ cũng như lượng dịch tần Doppler do các tia sóng trong quá trình
truyền bị khúc xạ, phản xạ, tán xạ bởi vật cản. Khi đó ở đầu thu xảy ra hiện
tượng tín hiệu thu được tại trạm di động thu bị thăng giáng so với bên phát
gọi là pha-đinh đa đường (multipath fading). Khi pha-đinh xảy ra mạnh tỷ số
tín trên tạp giảm xuống rất thấp. Để việc truyền dẫn không bị gián đoạn do
pha-đinh thì cần phải có lượng dự trữ pha-đinh, nghĩa là giá trị trung bình của
cường độ tín hiệu phải lớn hơn độ nhạy máy thu một lượng bằng lượng pha-
đinh thăng giáng mạnh nhất. Khi đó tín hiệu sau khi bị pha-đinh vẫn có cường

độ đạt mức yêu cầu.
5
1.1.3. Hiệu ứng Doppler
Hiệu ứng Doppler là sự thay đổi tần số của tín hiệu thu được so với tín
hiệu đã phát đi, gây bởi chuyển động tương đối giữa máy phát và máy thu
trong quá trình truyền sóng. Tần số tín hiệu thu bị dịch đi một lượng là:
cos
c
D i
f v
f
c
α
=
(1.3)
trong đó v là vận tốc của máy thu di chuyển so với máy phát.
i
a
là góc tới của tia sóng thứ i so với hướng chuyển động của máy thu.
Tại máy thu, tần số của tín hiệu nhận được theo tia sóng thứ i sẽ là:
c d
f f f= +
(1.4)
Tổng hợp tác động của mọi tia sóng tới máy thu theo mọi góc khác nhau
trong trường hợp tín hiệu phát là một sóng mang đơn không điều chế dẫn đến
tín hiệu nhận được tại máy thu là một tín hiệu trải rộng về tần số. Hiệu ứng
Doppler có thể làm cho chất lượng liên lạc suy giảm trầm trọng. Hiệu ứng
Doppler xảy ra mạnh nhất khi máy thu di động theo phương của tia sóng tới,
điển hình là máy thu được đặt trên các xe di chuyển trên các xa lộ còn các
anten trạm phát được bố trí dọc theo xa lộ.

1.1.4. Trải trễ
Trong thông tin di động số, việc truyền dẫn tín hiệu theo nhiều tia sóng
khác nhau trong môi trường di động sẽ gây ra hiện tượng trải trễ. Do trên
đường truyền luôn có vật cản, tín hiệu truyền đi sẽ bị phản xạ, khúc xạ, tán xạ
thành nhiều tia, đầu thu sẽ thu được nhiều tia sóng tương ứng có nhiều xung
khác nhau và kết thúc trước khi tín hiệu tiếp theo được phát đi. Hiện tượng
các xung (tương ứng với các tia sóng) trải rộng ra ở phía thu gọi là trải trễ.
Trải trễ lớn sẽ gây chờm lên nhau giữa các symbol trước và sau và gây nên
nhiễu xuyên ký tự (ISI: InterSymbol Interference). Việc truyền số liệu với tốc
độ thấp sẽ dễ giải quyết trải trễ hơn khi tốc độ truyền cao, tỷ lệ lỗi bít (BER:
6
Bit Error Ratio) tăng đáng kể. Để khắc phục, người ta sử dụng mạch san
bằng kênh hoặc thu hẹp kích thước tế bào lại.
1.2. Một số vấn đề kỹ thuật trong thông tin di động tế bào.
Cùng với các đặc điểm truyền sóng đã nêu ở trên thì trong mạng thông
tin di động tế bào luôn tồn tại các vấn đề kỹ thuật đòi hỏi các nhà khai thác và
quản lý mạng phải quan tâm thực hiện.
Việc liên lạc thông tin vô tuyến di động tế bào được tiến hành giữa một
hệ thống trạm gốc cố định BS được bố trí theo các vùng địa lý và các trạm di
động MS. Diện tích địa lý trong đó các MS liên lạc trực tiếp với một BS được
gọi là một tế bào, có thể coi biên của một tế bào được xác định bởi khoảng
cách cực đại mà một MS có thể ra khỏi BS mà vẫn chấp nhận được.
Về lý thuyết, các tế bào được bố trí dưới dạng tổ ong với kích thước
thích hợp cho phép tái sử dụng tần số nhằm đạt được mật độ người sử dụng
thích hợp. Trong thực tế, hình dáng và kích thước tế bào phụ thuộc vào địa
hình công suất phát, độ nhạy máy thu, mật độ người dùng, loại anten và độ
cao anten
1.2.1. Tái sử dụng tần số
Đặc điểm nổi bật của hệ thống thông tin di động tế bào là tái sử dụng tần
số. Do tài nguyên tần số là hữu hạn cho mỗi mạng di động chính vì vậy với

các cell cách nhau một cự ly nhất định thì có thể sử dụng lại tần số. Việc tái
sử dụng tần số làm tăng hiệu suất sử dụng phổ lên rất nhiều tuy nhiên đi kèm
với nó là vấn đề can nhiễu giữa các cell có cùng tần số gọi là nhiễu đồng kênh
(CCI: Co-Channel Interference) được minh họa trên Hình 1.1.
Để tránh xuyên nhiễu lẫn nhau thì các cell lân cận sử dụng các tần số
khác nhau. Để chất lượng thoại được đảm bảo thì một trong các yêu cầu là
mức thu của sóng mang mong muốn phải lớn hơn tổng mức nhiễu đồng kênh
và mức nhiễu kênh lân cận.
7
Trạm gốc 1
Trạm gốc 3
f1
Nhiễu CCI
f1
Hình 1.1: Nhiễu đồng kênh CCI
Việc sử dụng lại tần số được áp dụng với các cell có cự ly đủ lớn, công
suất phát đủ nhỏ để nhiễu lẫn nhau do cùng tần số không đáng kể, Hình 1.2
minh họa một cấu trúc tái sử dụng tần số. Khi số thuê bao di động tăng lên,
chất lượng phục vụ giảm sút, mạng di động sẽ tiến hành chia nhỏ các cell.
Việc chia nhỏ có thể không phải trên tất cả các cell mà chỉ tiến hành ở các cell
có lưu lượng lớn. Khi đó cần quy hoạch lại các tần số. Trong thông tin di
động tế bào quy hoạch và sử dụng lại tần số là một vấn đề quan trọng vì nó
liên quan đến hiệu suất của mạng.
Hình 1.2: Cấu trúc tái sử dụng tần số
1.2.2. Chuyển giao
Một vấn đề khác trong quá trình thực hiện cuộc gọi thuê bao có thể
chuyển ra khỏi vùng phủ sóng của cell hiện tại và sang vùng phủ sóng của cell
E
E
D

F
G
A
B
C
E
D
F
G
A
B
C
F
G
A
B
E
F
G
A
B
E
D
F
G
A
B
C
D
8

mới (Hình 1.3). Các MS sẽ yêu cầu kết nối với BTS của cell mới. Quá trình
chuyển kết nối từ BTS này sang BTS khác được gọi là chuyển giao. Nếu
không thực hiện chuyển giao tốt thì có nguy cơ cuộc gọi bị cắt đứt khi đang
dang dở. Vậy hệ thống thông tin di động tế bào phải có khả năng điều khiển
và chuyển giao cuộc gọi từ cell này sang cell khác mà cuộc gọi được chuyển
giao không bị ảnh hưởng gì.
Hình 1.3: Minh hoạ việc chuyển giao
1.2.3. Điều khiển công suất
Từ việc phân chia thành các cell và thực hiện tái sử dụng tần số trong
mạng tế bào dẫn đến phải thực hiện điều khiển công suất nhằm tiết kiện năng
lượng và giảm nhỏ xuyên nhiễu.
Trong hệ thống thông tin di động tế bào mỗi MS nằm trong cell nào sẽ
kết nối trực tiếp với BTS của cell đó qua giao diện vô tuyến. Giao diện vô
tuyến kết nối qua môi trường không gian luôn chịu ảnh hưởng của hiệu ứng
xa gần (Near-far effect), hiệu ứng che lấp (Shadowing effect), hiệu ứng
Doppler. Để đảm bảo chất lượng thông tin hệ thống cần phải điều khiển công
suất sao cho các MS có cụ ly tới BS khác nhau sẽ phát với công suất khác
nhau để tín hiệu nhận được tại BTS có công suất như nhau. Có nghĩa là BTS
thay đổi công suất phát phù hợp để tín hiệu nhận được của MS ở cự ly khác
nhau là như nhau. Việc điều khiển công suất thực chất nhằm tối thiểu mức
công suất phát của MS và BTS. Việc giảm nhỏ công suất phát này nhằm giảm
Trạm gốc 2
Trạm gốc 1
Trạm gốc 3
Chuyển giao
tới trạm gốc 2
9
nhỏ nhiễu của MS gây ra cho MS khác trong cùng cell và trong các cell lân
cận. Điều khiển công suất sẽ khắc phục được hiệu ứng xa gần. Khi ở gần
BTS, MS sẽ phát công suất nhỏ hơn khi nó ở xa. MS sử dụng năng lượng của

pin, việc giảm nhỏ công suất phát sẽ giúp tiết kiệm nguồn năng lượng trong
thời gian hoạt động.
Thực tế các máy phát MS và BTS đều tự động thực hiện điều chỉnh công
suất máy phát để máy thu luôn nhận được công suất tín hiệu cần thiết dù MS
ở bất kỳ đâu. Vì vậy, nhiễu lẫn nhau do việc sử dụng lại tần số là không đáng
kể và suy hao do mưa cũng được bù trừ.
1.3. Kết luận
Trong chương 1 đồ án đã nêu lên các đặc điểm truyền sóng như: tổn hao
đường truyền, pha-đinh, hiệu ứng Doppler, trải trễ và một số vấn đề kỹ thuật
cơ bản trong mạng thông tin di động tế bào như: tái sử sụng tần số, chuyển
giao, điều khiển công suất. Các đặc điểm và vấn đề đó luôn là bài toán đặt ra
cho các nhà kỹ thuật trong việc khai thác phát triển mạng. Hơn thế nữa trong
tương lai sự phát triển các mạng đi động là tất yếu khi đó bài toán dung lượng
hệ thống đòi hỏi phải được tính đến ngay từ bây giờ. Việc tăng dung lượng do
tăng số người dùng trong mạng và sự phát triển các dịch vụ dữ liệu tốc độ
cao. Dung lượng của hệ thống thông tin có thể được tăng lên trực tiếp bằng
cách mở rộng băng thông của kênh thông tin hiện có, hoặc định rõ vị trí tần số
mới đến dịch vụ đó. Tuy nhiên, vì phổ điện từ là một nguồn tài nguyên hữu
hạn và môi trường điện từ ngày càng trở nên tắc nghẽn vì sự tăng nhanh của
nguồn nhiễu cố ý và không cố ý do đó khả năng tăng dung lượng hệ thống
bằng cách mở rộng không gian phổ mới cho các ứng dụng thông tin vô tuyến
là rất khó thực hiện. Bởi vậy hiệu quả sử dụng nguồn tần số là tới hạn nếu chỉ
nhằm mục đích là tăng dung lượng của một hệ thống thông tin.
10
Để giải quyết bài toán trên đã có nhiều công nghệ được đưa ra một trong
số đó là công nghệ anten thông minh (anten thích nghi). Anten thông minh
giúp giảm trải trễ, giảm pha-đinh đa đường và nhiễu đồng kênh. Anten thông
minh còn cải thiện chất lượng tín hiệu, tăng dung lượng hệ thống thông qua
việc tăng khả năng tái sử dụng kênh tần số, mở rộng vùng phủ sóng, giảm
công suất phát, kéo dài thời gian sử dụng pin của máy cầm tay…. Công nghệ

anten thích nghi áp dụng kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo không gian
SDMA, bên cạnh đó còn kết hợp các kỹ thuật đa truy cập khác như CDMA,
TDMA và FDMA. Anten thông minh với những ưu điểm vượt trội đã trở
thành một giải pháp quan trọng được chú ý. Các chương tiếp theo của đồ án
sẽ tìm hiểu kỹ hơn về anten thông minh và làm rõ các ưu điểm của nó.
11
CHƯƠNG 2
TỔNG QUAN VỀ ANTEN THÔNG MINH
2.1. Mở đầu
Những năm gần đây, cùng với sự phát triển không ngừng của thông tin
di động, công nghệ anten trong hệ thống thông tin di động đang rất được quan
tâm và đã có nhiều công trình nghiên cứu nhằm đáp ứng nhu cầu về chất
lượng phục vụ cho mạng di động.
Anten thông minh là một trong những thành tựu quan trọng trong công
nghệ anten với nhiều ưu điểm đã cải thiện đáng kể chất lượng, dung lượng
mạng thông tin di động.
Trong chương 2, đồ án sẽ chỉ ra những nội dung cơ bản nhất của anten
thông minh như khái niệm, nguyên lý hoạt động, cấu trúc sắp xếp các phần tử
giàn anten và các tham số của giàn, tìm hiểu giàn anten thích nghi và việc
định dạng búp sóng thích nghi. Từ đó làm rõ các ưu điểm nổi bật của anten
thông minh trong hệ thống thông tin di động.
2.2. Hệ thống anten thông minh
2.2.1. Khái niệm
Anten thông minh là một hệ thống giàn anten gồm nhiều phần tử anten
có độ lợi thấp được bố trí trong không gian theo một trật tự nhất định và kết
nối với nhau thông qua một mạch kết nối và có khả năng thay đổi đồ thị bức
xạ thu hay phát (hay nói cách khác là các búp sóng) một cách linh hoạt sao
cho thích hợp với môi trường tín hiệu trong cell di động.
Thường thì thuật ngữ “anten” chỉ bao gồm chuyển đổi cấu trúc cơ học từ
sóng điện từ tự do sang tín hiệu tần số vô tuyến truyền sóng trong môi trường

cáp và ngược lại. Với anten thông minh, thuật ngữ “anten” có ý nghĩa mở
12
rộng hơn: nó bao gồm một mạng phân chia hoặc kết hợp và một đơn vị điều
khiển (UC: Unit Control). Đơn vị điều khiển thể hiện sự thông minh của
anten. Nó dùng các thuật toán phức tạp để điều khiển anten. Thông thường
UC là một bộ xử lý tín hiệu số (DSP: Digital Signal Processing) điều chỉnh
các tham số của anten dựa vào nhiều đầu vào, để tối ưu đường truyền thông
tin. Như vậy anten thông minh tốt hơn nhiều so với anten thông thường nhưng
đồng thời nó cũng phức tạp hơn rất nhiều.
2.2.2. Nguyên lý hoạt động của anten thông minh
Cho đến nay các anten trạm gốc vẫn là vô hướng hay anten dẻ quạt
(anten sectơ), anten chỉ đơn giản là bức xạ và nhận năng lượng như nhau theo
mọi hướng. Để truyền tín hiệu đến thuê bao, nó phát sóng đẳng hướng theo
phương ngang, khi truyền tín hiệu như vậy thì nó không có ý thức nào về
vùng lân cận thuê bao, năng lượng tín hiệu truyền đi một cách phân tán, phần
năng lượng tín hiệu truyền đến thuê bao chỉ là một phần rất bé so với năng
lượng mà anten truyền ra môi trường xung quanh. Đây là một sự lãng phí lớn.
Do hạn chế này mà công suất tín hiệu phát phải lớn hơn đầu thu mới nhận đủ
một năng lượng tín hiệu cần thiết (SNR tại phía thu đủ lớn). Trong trường hợp
có nhiều thuê bao đồng kênh, khi nâng công suất truyền, phần năng lượng
không đến được thuê bao mong muốn lại trở thành nguồn nhiễu đồng kênh
cho người dùng khác ngoài ý muốn.
Ý tưởng của anten thông minh là sử dụng giản đồ anten trạm gốc không
cố định mà biểu đồ bức xạ được biến đổi phù hợp với các điều kiện truyền
sóng hiện tại và có thể tạo ra các búp sóng theo ý muốn bằng cách khuếch đại
độ tăng ích của anten theo hướng có thông tin mong muốn đồng thời tạo ra
giản đồ với hướng phát xạ nhỏ (thậm chí tới 0) về phía nguồn nhiễu. Anten
thông minh có thể tránh được những nguồn nhiễu không mong muốn và cũng
tăng khả năng thu thông tin hữu ích, từ đó làm cho chất lượng của tuyến kết
13

nối thông tin có thể được cải thiện một cách đáng kể, với nhiều lợi ích khác
nhau.
Hình 2.1: Sự thay đổi đồ thị bức xạ khi thuê bao di chuyển
Trước đây chỉ có trạm gốc mới có khả năng tích hợp anten thông minh,
các thuê bao vẫn phát và nhận năng lượng một cách đẳng hướng. Nhưng đã
có những nghiên cứu mới đây để anten thông minh đã được đưa vào sử dụng
tại máy cầm tay.
2.2.3. Cấu trúc sắp xếp của các phần tử giàn anten
Vị trí của các phần tử anten luôn đóng một vai trò quan trọng trong việc
tạo ra chất lượng của đồ thị bức xạ. Một đồ thị bức xạ mong muốn trong anten
thông minh là búp sóng chính lớn hơn rất nhiều so với các búp phụ khác và
hướng về phía thuê bao mong muốn, các nút sóng hướng về phía các thuê bao
nhiễu đồng kênh trong cell đó. Các phần tử của anten có thể được sắp xếp
theo các cấu trúc như Hình 2.2
14
Hình 2.2: Các loại cấu trúc anten thông minh
a. Cấu trúc giàn đường thẳng (giàn tuyến tính) : Đây là cấu trúc thông
dụng nhất vì nó đơn giản, được sử dụng khi BS được chia thành nhiều vùng
phủ sóng hình quạt. Trong cấu trúc này, khoảng cách giữa các phần tử là
∆
x.
Búp sóng chính của hệ thống có thể phủ sóng trong một hình quạt.
b. Cấu trúc giàn hình tròn: Các phần tử anten tạo với tâm hệ thống một
góc
2
N
p
fD =
. Búp sóng chính của đồ thị bức xạ phủ toàn vùng ngang.
c. Cấu trúc giàn chữ nhật và cấu trúc giàn lập phương: Điều khiển búp

sóng theo cả hai phương dọc và ngang. Hai cấu trúc này cần thiết cho môi
trường truyền sóng phức tạp (đô thị đông đúc). Về mặt lý thuyết nếu hệ thống
có
M
phần tử anten, có thể tạo
1M −
nút sóng hướng về phía các thuê bao
nhiễu đồng kênh trong cell. Tuy nhiên trong môi trường đa đường thì con số
này có thể nhỏ hơn.
15
2.2.4. Các tham số giàn anten
Dưới đây là một số các định nghĩa được sử dụng để mô tả hệ thống
anten:
Mẫu bức xạ: Mẫu bức xạ của một anten là sự phân phối tương đối công
suất bức xạ như một hàm hướng trong không gian. Mẫu bức xạ của một anten
là kết quả của một mẫu phần tử và hệ số giàn, hai khái niệm này được định
nghĩa bên dưới. Nếu
),(
φθ
f
là mẫu bức xạ của mỗi phần tử anten và
),(
φθ
F
là hệ số giàn thì mẫu bức xạ của giàn,
),(
φθ
G
được gọi là mẫu búp
sóng được cho bởi phương trình dưới đây:

),(),(),(
φθφθφθ
FfG
=
(2.1)
Hình 2.3 là một ví dụ của đáp ứng phần tử anten đã được cách điệu hoá,
một hệ số giàn của giàn anten tuyến tính 8 phần tử với một khoảng cách giữa
các anten phần tử là
2/
λ
hướng tại
0
o
và mẫu bức xạ, kết quả của việc kết
hợp hai thành phần trên.
Hệ số giàn: Hệ số giàn
),(
φθ
F
là mẫu bức xạ trường xa của giàn anten
gồm các phần tử bức xạ đẳng hướng, trong đó
φ
là góc phương vị và
θ
là góc
của mặt phẳng chiếu trong không gian.
Búp sóng chính: Búp sóng chính của một mẫu bức xạ anten là búp sóng
chứa hướng của công suất bức xạ lớn nhất.
Búp sóng phụ: Búp sóng phụ là các búp sóng không tạo thành búp sóng

chính. Chúng cho phép các tín hiệu được nhận theo các hướng khác hướng
của búp sóng chính do đó các búp sóng này là không mong muốn nhưng
không thể tránh khỏi.
16
Hình 2.3: Hệ số giàn mẫu phần tử và mẫu phát xạ của giàn anten tuyến tính
Độ rộng búp sóng: Độ rộng búp sóng của một anten là độ rộng góc của
búp sóng chính. Độ rộng búp sóng 3 dB là độ rộng góc giữa các điểm trên búp
sóng chính đạt giá trị 3 dB bên dưới đỉnh của búp sóng chính. Độ rộng búp
sóng nhỏ hơn là kết quả của một giàn có kích thước rộng hơn nghĩa là khoảng
cách giữa hai phần tử xa nhất của giàn.
Hiệu suất anten: Hiệu suất anten là tỉ số của tổng công suất bức xạ của
anten trên tổng công suất đầu vào anten.
Búp sóng nhiễu xạ: Khi khoảng cách giữa các phần tử giàn anten
2
d
λ
>
xuất hiện các búp sóng nhiễu xạ trong mẫu bức xạ. Hiện tượng lấy mẫu không
gian dẫn đến sự không rõ ràng trong hướng của các tín hiệu đến, điều này có
nghĩa là xuất hiện những bản sao của búp sóng chính trong những hướng
không mong muốn. Do đó khoảng cách giữa các phần tử trong giàn phải được
chọn
2
d
λ
≤
để tránh các búp sóng nhiễu xạ.
17
2.2.5. Mô tả định dạng không gian giàn tuyến tính
Hình 2.4: Mô hình giàn tuyến tính

Xét một giàn anten gồm
M
thành phần anten vô hướng đặt tại vùng xa
của một nguồn phát như Hình 2.4. Giả thiết khoảng cách giữa các phần tử của
giàn là d và mặt sóng phẳng mở rộng trên giàn tại góc
θ
đối với pháp tuyến
giàn, khi đó sóng đến phần tử thứ
1m +
trước khi đến phần tử thứ
m
một
khoảng là
sind
θ
(xét theo khoảng cách dọc theo tia sóng). Bằng cách đặt pha
của tín hiệu sóng tới tại gốc toạ độ tại phần tử đầu tiên, do đó pha của tín hiệu
sóng tới tại phần tử thứ
m
sẽ có quan hệ với pha của phần tử thứ 1 là
( 1) sink m d
θ
−
trong đó
=2 /k
π λ
là hệ số truyền sóng và
λ
là bước sóng.
Kết hợp đầu ra của các phần từ của giàn có thể quy về hệ số giàn

F
sin 2 sin ( 1) sin
1 2 2
1
( ) w w w w
M
jkd j kd j m kd
m
m
F e e e
θ θ θ
θ
−
=
= + + + =
∑
(2.2)
Có thể biểu diễn
( )F
θ
dưới dạng biểu thức véc tơ:
( ) .
T
F = W v
θ
(2.3)
trong đó
[ ]
1 1 M-1
= w w w

T
W
(2.4)
18
là vector trọng số và:
sin
sin ( 1) sin
( 1) sin
1
1
jkd
T
jkd j M kd
j M kd
e
e e
e
θ
θ θ
θ
−
−
 
 
 
= =
 
 
 
 

 
v
M
(2.5)
là vector đáp ứng của giàn, nó bao gồm thông tin về hướng tới của tín hiệu
sóng điện từ. Dạng phức của trọng số là:
m
w
jm
m
A e
=
α
(2.6)
Trong đó pha của phần tử thứ
k
được làm sớm hơn pha của phần tử thứ
1k −
một lượng
α
thì hệ số giàn
( )F
θ
trở thành:
( ) ( )
1 sin + 1
m
1
( )
M

j m kd m
m
F A e
θ α
θ
− −
 
 
=
=
∑
(2.7)
Nếu
0
dsink=−
α θ
thì giá trị lớn nhất của
( )F
θ
sẽ là kết quả của góc
0
θ
. Có
nghĩa là búp sóng anten đã được lái theo hướng nguồn sóng.
2.2.6. Phân loại anten thông minh
Hệ thống anten thông minh có thể được chia thành hai loại: anten
chuyển búp (SBA: Switched Beam Antenna) và anten giàn thích nghi (AAA:
Adaptive Array Antenna).
2.2.6.1. Anten chuyển búp
Hệ thống SBA định rõ một con số xác định trên đồ thị mà ở đó định

trước các hướng bức xạ. Hệ thống SBA được tạo bởi nhiều phần tử định trước
với độ nhạy cao theo một hướng xác định. Hệ thống anten này phát hiện
cường độ tín hiệu, chọn từ một trong những phần tử cố định xác định mà nó
có khả năng phát và thu tốt nhất tín hiệu từ thuê bao gửi tới. Khi thuê bao di
chuyển cường độ tín mà BS nhận được do nó gửi về cũng thay đổi theo. BS
19
“cảm nhận” được điều này và chuyển từ phần tử này đến phần tử khác khi
máy di động di chuyển từ đầu đến cuối tế bào.
Hệ thống chuyển búp sóng kết hợp hướng bức xạ của nhiều anten giống
như làm mịn những phần tử phân đoạn để đạt được nhiều sự lựa chọn không
gian hơn. Để tạo được đồ thị bức xạ theo hướng cố định xác định trước, hệ
thống SBA sẽ thực hiện như sau:
• Khi thu (uplink): Hệ thống SBA kết hợpcác tín hiệu thu được theo
một quan hệ nào đó về pha và biên độ, điều này làm hệ thống anten thu năng
lượng tập trung tại hướng mong muốn.
• Khi phát (downlink): Hệ thống SBA truyền tín hiệu cần phát đến các
phần tử anten với cùng một dải tần vô tuyến, nhưng các tín hiệu này được
thiết lập với những quan hệ khác nhau về pha và biên độ. Bằng cách này đồ
thị bức xạ (phát hoặc thu) có búp hướng hẹp hơn nhiều so với việc chỉ dùng
một anten. Hơn nữa khi muốn thay đổi hướng thu hoặc phát nếu chỉ dùng một
anten ta phải thay đổi anten khác hoặc quay chính anten đó một cách cơ học.
Trong khi ở hệ thống SB dễ dàng thay đổi đồ thị bức xạ bằng cách thay đổi
vectơ trọng số nghĩa là thay đổi cách kết hợp các tín hiệu cao tần (RF: Radio
frequency) thu được từ các phần tử anten khi thu hoặc thay đổi pha và biên độ
các RF gửi đến các phần tử anten khi phát đi.
• Cấu tạo: SBA có cấu tạo khá đơn giản, được mô tả trong Hình 2.5. Hệ
thống SB có cấu trúc giống với các anten thông thường, ngoài ra nó còn được
trang bị thêm những bộ phận mới để phát triển mở rộng hệ thống tế bào,
người ta có thể bổ sung bằng cách cộng thêm những địa chỉ thông minh cần
thiết trong mạng sau khi đã tính toán kỹ càng.

Hình 2.5 mô tả một hệ thống SBA đơn giản bao gồm một mạng tạo búp
sóng (Beamforming MxM network), các chuyển mạch RF và logic điều khiển
để lựa chọn búp sóng cho trước
20
Hình 2.5: Hệ thống SBA dùng một mạng tạoM búp sóng từ M phần tử anten
2.2.6.2. Anten giàn thích nghi
Hình 2:6: Cấu trúc giàn anten thích nghi
21