Nghiên cứu và thiết kế anten băng kép cho công nghệ 4g và bluetooth

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

BÙI QUANG KHÁNH

“NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ ANTEN BĂNG KÉP
CHO CÔNG NGHỆ 4G VÀ BLUETOOTH”

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

HÀ NỘI - 2015


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

BÙI QUANG KHÁNH

“NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ ANTEN BĂNG KÉP
CHO CÔNG NGHỆ 4G VÀ BLUETOOTH”

Ngành

:Công Nghệ Điện Tử - Viễn Thông

Chuyên ngành

: Kỹ thuật Điện tử

Mã số

: 60 52 0203

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. TRƯƠNG VŨ BẰNG GIANG

HÀ NỘI - 2015


i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn tốt nghiệp: “Nghiên cứu và thiết kế anten băng kép cho
công nghệ 4G và Bluetooth” là công trình nghiên cứu của bản thân. Trong luận văn
có dùng một số tài liệu tham khảo như đã nêu trong phần tài liệu tham khảo.
Các số liệu, kết quả trình bày trong luận văn là hoàn toàn trung thực, nếu sai tôi xin
chịu hoàn toàn trách nhiệm và chịu mọi kỷ luật của khoa và nhà trường đề ra.

Tác giả luận văn

Bùi Quang Khánh


ii

LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành luận văn tốt nghiệp này, trước hết em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới
PGS.TS. Trương Vũ Bằng Giang, thầy đã tận tình chỉ bảo, hướng dẫn và giúp cho tôi
có được những kiến thức, cũng như kinh nghiệm quý báu trong thời gian học tập và
nghiên cứu tại trường Đại học Công Nghệ.

Tôi cũng xin được gửi lời cảm ơn tới các cán bộ, các em sinh viên Phòng thí nghiệm
của khoa Điện tử - Viễn thông đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn về chuyên môn và tạo
điều kiện tốt nhất cho tôi trong thời gian tôi thực hiện luận văn này.
Cuối cùng, tôi xin cảm ơn gia đình, người thân và các bạn của em, những người đã
luôn bên cạnh động viên, khích lệ và giúp đỡ em trong thời gian qua.
Luận văn này được thực hiện trong khuôn khổ đề tài Khoa học Công nghệ cấp Đại học
Quốc gia Hà Nội, mã số QGTĐ.13.05
Mặc dù có nhiều cố gắng, song thời gian thực hiện luận văn có hạn, nên luận văn còn
nhiều hạn chế. Tôi rất mong nhận được nhiều sự góp ý, chỉ bảo của các thầy, cô để
hoàn thiện hơn bài viết của mình.
Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 11 tháng 06 năm 2015
Học viên

Bùi Quang Khánh


iii

TÓM TẮT
4G LTE đang chứng tỏ là công nghệ di động có tốc độ phát triển nhanh nhất từ trước
đến nay. Theo nghiên cứu của ABI, cuối năm 2015 số lượng thuê bao sử dụng 4G LTE
ước tính đạt 1,3 tỷ thuê bao, tăng khoảng 650 nghìn so với năm 2014. Về lý thuyết,
theo định nghĩa của Liên minh Viễn thông Thế giới (ITU), 4G có thể tăng tốc độ tải về
của thiết bị lên tới 100 Mbps khi di chuyển, và đạt xấp xỉ 1 Gbps trong điều kiện đứng
yên. Chính bởi sự vượt trội về tốc độ nên 4G LTE được ví như “một sự tiến hóa” của
công nghệ viễn thông. 4G LTE hoạt động chủ yếu trên 2 băng tần: 1800MHz (đây là
băng tần chủ đạo với hơn 45% nhà mạng trên thế giới khai thác) và 2600MHz (chiếm
26% số nhà mạng triển khai 4G).

Bên cạnh đó, sự thống trị trong việc truyền nhận dữ liệu tầm gần giữa các thiết bị đầu
cuối vẫn thuộc về công nghệ Bluetooth. Với việc phát trên lên thế hệ Bluetooth 4.0
đạt tốc độ truyền tải lên đến 25Mbps, dễ dàng ghép đôi các thiết bị với nhau, hiệu năng
tiêu thụ thấp. Bluetooth thực sự vẫn là lựa chọn hàng đầu trong công nghệ truyền nhận
tầm gần. Chính bởi những tính năng tuyệt vời của 2 công nghệ 4G LTE và Bluetooth,
cùng với những thành công và tính ứng dụng cao của anten vi dải, luận văn này đã
nghiên cứu và trình bày được thiết kế mẫu anten cho ứng dụng 4G/LTE (1.8 GHz &
2.6 GHz) và Bluetooth (2.4 GHz). Anten gồm ba nhánh bức xạ, hai trong ba nhánh đó
được thiết kể để tạo một dải tần với băng thông lớn bao phủ từ 2.4 GHz đến 2.6 GHz.
Sau khi so sánh kết quả mô phỏng và đo đạc thực tế, cho thấy không có sự chênh lệch
quá lớn giữa các yêu cầu về băng thông, tần số hoạt động, độ suy hao. Qua chứng
minh thực tế, đưa anten gắn với thiết bị Wi-Fi Cards và Routers, kết quả cho thấy
anten hoạt động tốt ở dải tần 2.4 GHz.


iv

MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH VẼ ..................................................................................... vi
DANH MỤC BẢNG BIỂU .............................................................................. viii
DANH MỤC VIẾT TẮT ................................................................................... ix
MỞ ĐẦU ............................................................................................................. 1
TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ 4G/LTE VÀ BLUETOOTH ....................... 2
1.1. Công nghệ 4G (LTE) .................................................................................. 2
1.1.1. Tình hình hiện nay ................................................................................ 2
1.1.2. Quá trình phát triển .............................................................................. 3
1.1.3. Các đặc điểm chính của công nghệ 4G/LTE ......................................... 4
1.2. Bluetooth .................................................................................................... 8
1.2.1. Lịch sử phát triển.................................................................................. 8
1.2.2. Nguyên lý hoạt động ............................................................................. 9

1.2.3. Chuẩn băng tần Bluetooth .................................................................... 9
1.3. Anten trong truyền thông vô tuyến............................................................ 10
TỔNG QUAN VỀ ANTEN............................................................................... 13
2.1. Lý thuyết chung về anten .......................................................................... 13
2.1.1. Giới thiệu ........................................................................................... 13
2.1.2. Các thông số cơ bản của anten ........................................................... 16
2.2. Anten vi dải .............................................................................................. 22
2.2.1. Đặc tính của anten vi dải .................................................................... 22
2.2.2. Hoạt động của anten vi dải ................................................................. 24
2.2.3. Các phương pháp cấp nguồn .............................................................. 25
2.2.4. Các mô hình phân tích anten vi dải..................................................... 28
THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG, CHẾ TẠO VÀ ĐO ĐẠC ANTEN ........................ 35
3.1. Thiết kế và mô phỏng anten ...................................................................... 35


v

3.1.1. Phần mềm mô phỏng .......................................................................... 35
3.1.2. Lựa chọn chất điện môi ...................................................................... 38
3.1.3. Mục tiêu cần đạt được ........................................................................ 39
3.1.4. Thiết kế anten ..................................................................................... 40
3.1.5. Chế tạo anten ..................................................................................... 43
3.2. Kết quả mô phỏng..................................................................................... 43
3.3. Kết quả đo đạc thực tế .............................................................................. 46
KẾT LUẬN ....................................................................................................... 49
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................ 51


vi

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1-1: Quá trình phát triển mạng thông tin di động ................................................. 3
Hình 2-1: Anten như một thiết bị truyền sóng ............................................................ 14
Hình 2-2: Phương trình tương đương Thevenin ......................................................... 15
Hình 2-3: Hệ thống tọa độ phân tích anten ................................................................. 16
Hình 2-4: Giản đồ bức xạ vô hướng ........................................................................... 17
Hình 2-5: Giản đồ bức xạ trong mặt phẳng E và H cho anten loa ............................... 18
Hình 2-6: Các búp sóng của anten bức xạ hướng tính ................................................ 18
Hình 2-7: Độ rộng búp sóng ...................................................................................... 20
Hình 2-8: Cấu trúc của một phần tử anten vi dải hình chữ nhật .................................. 23
Hình 2-9: Một số dạng vi dải thông dụng ................................................................... 24
Hình 2-10: Hoạt động của anten vi dải ....................................................................... 24
Hình 2-11: Sóng phản xạ của anten vi dải .................................................................. 25
Hình 2-12: Anten vi dải với đường tiếp điện đồng trục và mạch tương đương ........... 26
Hình 2-13: Anten vi dải với đường truyền tiếp điện vi dải và mạch tương đương ...... 26
Hình 2-14: Các kỹ thuật phối hợp trở kháng bằng đường truyền vi dải ...................... 27
Hình 2-15: Anten vi dải với kỹ thuật ghép khe và mạch tương đương ........................ 27
Hình 2-16: Anten vi dải với kỹ thuật ghép gần và mạch tương đương ........................ 28
Hình 2-17: Mô hình đường truyền sóng ..................................................................... 29
Hình 2-18: Hiệu ứng đường biên xung quanh anten vi dải ......................................... 30
Hình 2-19: Đường truyền vi dải ................................................................................. 30
Hình 2-20: Hiệu ứng đường biên của anten vi dải ...................................................... 31
Hình 2-21: Hằng số điện môi hiệu dụng của anten vi dải ........................................... 31
Hình 2-22: Đường truyền vi dải ................................................................................. 31


vii

Hình 2-23: Phân bố điện tích và mật độ dòng trên anten vi dải .................................. 33
Hình 2-24: Mô hình hộp cộng hưởng của anten vi dải................................................ 33

Hình 2-25: Mô hình hốc cộng hưởng cho anten vi dải................................................ 34
Hình 3-1: Mặt phẳng bức xạ và mặt phẳng đất ........................................................... 42
Hình 3-2: Mô hình anten ............................................................................................ 42
Hình 3-3: Anten chế tạo thực tế ................................................................................. 43
Hình 3-4: Suy hao phản hồi của mẫu anten ................................................................ 44
Hình 3-5: Giản đồ bức xạ anten với tần số 1.8 GHz và 2.6 GHz ................................ 45
Hình 3-6: Giản đồ bức xạ anten với tần số 2.4 GHz ................................................... 45
Hình 3-7: Độ lợi cùa anten ......................................................................................... 46
Hình 3-8: Hình ảnh đo hệ số suy hao phản xạ của anten thực nghiệm ........................ 47
Hình 3-9: Kết quả so sánh hệ số suy hao phản xạ giữa thực tế và mô phỏng .............. 47
Hình 3-10: Kết nối anten làm Card mạng cho PC và Wi-Fi Router ............................ 48


viii

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1-1: Các thông số lớp vật lý của 4G/LTE ............................................................ 6
Bảng 1-2: Các dải tần Bluetooth ................................................................................ 10
Bảng 3-1: Kích thước anten ....................................................................................... 42
Bảng 3-2: Kết quả đồ thị suy hảo phản xạ .................................................................. 44
Bảng 3-3: So sánh hệ số suy hao phản xạ và băng thông giữa thực tế và mô phỏng ... 47


ix

DANH MỤC VIẾT TẮT
LTE

Long-Term Evolution

4G

Fourth-Generations

GSM

Global System Mobile

3GPP

Generation Partnership Project

BWT

Bluetooth Technology

ISM

Industrial, Scientific and Industrial

IP

Internet Protocol

2D

Two Dimensions

3D

Three Dimensions

3G

Third Generations

DSC

Digital Cellular Service

PCS

Personal Communications Service

EMI

Electromagnetic Interference

PCB

Printed Circuit Board

UMTS

Universal Mobile Telecommunication System


1

MỞ ĐẦU

Trong xã hội ngày nay, nhu cầu về trao đổi thông tin, truyền dữ liệu, dịch vụ trên các
thiết bị di động thông minh ngày càng cao. Các hệ thống thông tin di động 2G, 3G vẫn
đang hoạt động tốt và ngày càng phát triển với những ưu điểm của mình. Tuy nhiên
chúng vẫn chưa phần nào đáp ứng được mong đợi của những khách hàng có nhu cầu
sử dụng truyền dữ liệu tốc độ cao. Vì vậy công nghệ mạng di động thế hệ thứ tư
4G/LTE được nghiên cứu và phát triển, cung cấp cho người dùng tốc độ truy cập dữ
liệu cao lên đến hàng trăm Mb/s thậm chí đạt 1Gb/s, cho phép phát triển thêm nhiều
dịch vụ truy cập sóng vô tuyến mới dựa trên nền tảng IP.
Công nghệ Bluetooth cho phép kết nối không dây giữa các thiết bị điện tử trong phạm
vi 10 mét (33 feet). Một kết nối Bluetooth có thể được dùng để gửi hình ảnh, video,
văn bản, danh thiếp, ghi chú lịch, hoặc để kết nối không dây đến các thiết bị sử dụng
công nghệ Bluetooth. Một số đặc điểm chính của công nghệ Bluetooth như: tiêu thụ
năng lượng thấp, ứng dụng nhiều loại thiết bị, giá thành rẻ, tốc độ truyền dữ liệu có thể
đạt tối đa 1Mbps, tính tương thích cao nên được nhiều nhà sản xuất phần cứng và phần
mềm hỗ trợ.
Anten vi dải ngày càng được sử dụng rộng rãi trong ứng dụng truyền thông vô tuyến
bởi các lợi thế: cấu trúc nhỏ nhẹ, dễ chế tạo, giá thành thấp, dễ dàng tích hợp lên bề
mặt …
Vì vậy muc đích nghiên cứu của luận văn là đề xuất mẫu anten vi dải cho ứng dụng
4G/LTE và Bluetooth. Mẫu anten đã được thiết kế, mô phỏng, chế tạo và đo đạc thực
tế. Anten được thiết kế trên vật liệu Fr4 – epoxy, độ dày h =1.6mm, hằng số điện môi
= 4.4, kích thước 3D 20mm × 50mm × 1.6mm.
Luận văn gồm 4 chương:
Chương 1: Tổng quan về công nghệ 4G/LTE và Bluetooth.
Chương 2: Lý thuyết về anten vi dải, các thông số đặc trưng của anten như độ lợi,
băng thông, độ định hướng, giản đồ bức xạ.
Chương 3: Quá trình thiết kế, mô phỏng, thiết kế và đo đạt mẫu anten. Kết quả mô
phỏng và đo đạc thực tế được nói đến tại chương này.
Chương 4: Kết luận những điều đã đạt được trong luận văn này.

2

Chương 1
TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ 4G/LTE VÀ
BLUETOOTH

1.1. Công nghệ 4G (LTE)
1.1.1. Tình hình hiện nay
Từ năm 2012, trên thế giới, công nghệ 4G đã có sự phát triển vượt bậc và từng bước
chiếm thị phần của công nghệ 3G. Theo số liệu thống kê vào tháng 4 năm 2015, trên
thế giới đã có hơn 646 đơn vị kinh doanh dịch vụ viễn thông tại hơn 181 quốc gia đã
cung cấp dịch vụ 4G/LTE. Trong đó, khu vực châu Á có 61 đơn vị thuộc 25 quốc gia.
Riêng khu vực Đông Nam Á có 17 đơn vị cung cấp dịch vụ 4G tại 8 quốc gia là
Singapore, Malaysia, Indonesia, Philippines, Brunei, Thái Lan, Lào và Campuchia.
Trong đó, trừ các quốc gia đã có nền tảng công nghệ cao như Singapore, Malaysia hay
các quốc gia có điều kiện địa lý thuận lợi như Bruei… đã triển khai thành công công
nghệ 4G thì hầu hết các quốc gia khác vẫn còn đang trong giai đoạn thử nghiệm. Tuy
nhiên, theo nghiên cứu tổng thể của công ty Seed Planning, số lượng người sử dụng
công nghệ 4G trong khu vực châu Á-Thái Bình Dương sẽ tăng từ 100 triệu người năm
2013 lên hơn 1 tỷ người trong năm 2018.
Tại Hội thảo Quốc tế 4G LTE “Quy hoạch tổng thể, tối ưu hóa công nghệ, đa dạng hóa
dịch vụ hướng tới đông nhất công nghệ 4G tại tiểu vùng sông Mekong” diễn ra ngày
26/3 tại Hà Nội, Bộ TT&TT xác định năm 2015 là thời điểm thích hợp để triển khai
công nghệ 4G tại Việt Nam. Dự kiến Việt Nam sẽ tổ chức triển khai cấp phép 4G từ
đầu năm 2016. Trên cơ sở đánh giá về nhu cầu thị trường, công nghệ , thiết bị và các
điều kiện khác, Việt Nam sẽ cấp phép 4G với mục tiêu sử dụng hiệu quả băng tần cao,


3

khả năng dùng chung, chia sẻ mạng... tạo một môi trường viễn thông ngày càng cạnh
tranh và phát triển, tạo động lực cho phát triển kinh tế của đất nước.

1.1.2. Quá trình phát triển
Thế hệ mạng di động đầu tiên (1G) được phát triển vào những năm 1980, cung cấp
dịch vụ gọi thoại qua tần số 900 MHz và kĩ thuật tương tự đến khi được thay thế bằng
mạng truyền vô tuyến số 2G. Những hệ thống mạng 2G thì có dung lượng lớn hơn
những hệ thống mạng thế hệ thứ nhất. Một kênh tần số thì đồng thời được chia ra cho
nhiều người dùng (bởi việc chia theo mã hoặc chia theo thời gian). Vào năm 1992,
ITU công bố chuẩn IMT-2000 (International Mobil Telecommunication -2000) cho hệ
thống 3G với các ưu điểm chính được mong đợi đem lại bởi hệ thống 3G như: cung
cấp dịch vụ thoại chất lượng cao, dịch vụ tin nhắn đa phương tiện, truy cập
internet,…[2].

Hình 1-1: Quá trình phát triển mạng thông tin di động

LTE là thế hệ thứ tư của chuẩn UMTS do 3GPP phát triển. UMTS thế hệ thứ ba dựa
trên WCDMA đã được triển khai trên toàn thế giới. Để đảm bảo tính cạnh tranh cho hệ
thống này trong tương lai, tháng 11/2004 3GPP đã bắt đầu dự án nhằm xác định bước
phát triển về lâu dài cho công nghệ di động UMTS với tên gọi Long Term Evolution
(LTE). 3GPP đặt ra yêu cầu cao cho LTE, bao gồm giảm chi phí cho mỗi bit thông tin,
cung cấp dịch vụ tốt hơn, sử dụng linh hoạt các băng tần hiện có và băng tần mới, đơn
giản hóa kiến trúc mạng với các giao tiếp mở và giảm đáng kể năng lượng tiêu thụ ở
thiết bị đầu cuối.


4

1.1.3. Các đặc điểm chính của công nghệ 4G/LTE

Mục tiêu của LTE là cung cấp 1 dịch vụ dữ liệu tốc độ cao, độ trễ thấp, các gói dữ liệu
được tối ưu, công nghệ vô tuyến hỗ trợ băng thông một cách linh hoạt khi triển khai.
Đồng thời kiến trúc mạng mới được thiết kế với mục tiêu hỗ trợ lưu 28 lượng chuyển
mạch gói cùng với tính di động linh hoạt, chất lượng của dịch vụ, thời gian trễ tối
thiểu.
 Các đặc tính cơ bản của 4G/LTE:
 Hoạt động ở băng tần: 700 MHz – 2.6 GHz
 Độ trễ: < 5ms
 Độ rộng băng thông linh hoạt: 1,4 MHz; 3 MHz; 5 MHz; 10 MHz; 15 MHz; 20
MHz. Hỗ trợ cả hai trường hợp độ dài băng thông lên và xuống bằng nhau hoặc
không.
 Phổ tần số:
 Hoạt động ở chế độ FDD hoặc TDD
 Độ phủ sóng: 5 – 100 km
 Dung lượng 200 user/cell ở băng tần 5 MHz.
 Tốc độ được quy định bởi ITU là 100 Mbs khi di chuyển tốc độ cao và 1 Gbps
đối với thuê bao đứng yên so với trạm
 Tốc độ dữ liệu ít nhất là 100 Mbps giữa bất kì hai điểm nào trên thế giới
 Hiệu suất phổ đường truyền là 15bit/s/Hz ở đường xuống và 6.75 bit/s/Hz ở
đường lên (có nghĩa là 1000 Mbps ở đường xuống và có thể nhỏ hơn băng
thông 67 MHz)
 Hiệu suất sử dụng phổ hệ thống lên đến 3 bit/s/Hz/cell ở đường xuống và 2.25
bit/s/Hz/cell cho việc sử dụng trong nhà.
 Chuyển giao liền (Smooth handoff) qua các mạng hỗn hợp.
 Chất lượng dịch vụ
 Hỗ trợ tính năng đảm bảo chất lượng QoS
 VoIP đảm bảo chất lượng âm thanh tốt, trễ tối thiểu thông qua mạng UMTS
 Liên kết mạng:
 Khả năng liên kết với các hệ thống UTRAN/GERAN hiện có và các hệ thống
không thuộc 3GPP cũng sẽ được đảm bảo.

5

 Thời gian trễ trong việc truyền tải giữa E-UTRAN và UTRAN/GERAN sẽ nhỏ
hơn 300ms cho các dịch vụ thời gian thực và 500ms cho các dịch vụ còn lại.
 Tương thích với các chuẩn không dây đang tồn tại.
 Tất cả là IP, mạng chuyển mạch gói.
Băng thông linh hoạt trong vùng từ 5 MHz đến 20 MHz, điều này có nghĩa là nó có thể
hoạt động trong các dải băng tần của 3GPP. Trong thực tế, hiệu suất thực sự của LTE
tùy thuộc vào băng thông chỉ định cho các dịch vụ và không có sự lựa chọn cho phổ
tần của chính nó. Điều này giúp đáng kể cho các nhà khai thác trong chiến lược về
kinh tế và kỹ thuật. Triển khai tại các tần số cao, LTE là chiến lược hấp dẫn tập trung
vào dung lượng mạng, trong khi tại các tần số thấp nó có thể cung cấp vùng bao phủ
khắp nơi. Mạng LTE có thể hoạt động trong bất cứ dải tần được sử dụng nào của
3GPP. Nó bao gồm băng tần lõi của IMT-2000 (1.9-2 GHz) và dải mở rộng (2.5 GHz),
cũng như tại 850-900 MHz, 1800 MHz, phổ AWS (1.7- 2.1 GHz)…Băng tần chỉ định
dưới 5MHz được định nghĩa bởi IUT thì phù hợp với dịch vụ IMT trong khi các băng
tần lớn hơn 5MHz thì sử dụng cho các dịch vụ có tốc độ cực cao. Tính linh hoạt về
băng tần của LTE có thể cho phép các nhà sản xuất phát triển LTE trong những băng
tần đã tồn tại của họ.
 Các kĩ thuật được sử dụng:
 MIMO: để đạt được hiệu suất phổ tần cao bằng cách sử dụng phân tập theo
không gian, đa anten, đa người sử dụng.
 Sử dụng lượng tử hóa trong miền tần số, chẳng hạn như OFDM hoặc SCFDE ở
đường xuống: để tận dụng thuộc tính chọn lọc tần số của kênh mà không phụ
phải lượng tử phức tạp.
 Ghép kênh trong miền tần số OFDMA hoặc DC-FDMA ở đường xuống: tốc độ
bit thay đổi bằng việc gán cho người dùng các kênh khác nhau dựa trên điều
kiện kênh.

 Mã hóa sửa lỗi Turbo: để tối thiểu yêu cầu về tỷ số SNR ở bên thu.
 Lập biểu kênh độc lập: để sử dụng các kênh thay đổi theo thời gian.
 Thích nghi đường truyền: điều chế thích nghi và các mã sửa lỗi
 Các thông số lớp vật lý của 4G/LTE


6

Bảng 1-1: Các thông số lớp vật lý của 4G/LTE
UL

DTFS-OFDM (SC-FDMA)

DL

OFDMA

Kỹ thuật truy cập

Băng thông

1,4 MHz, 3 MHz, 5 MHz, 15 MHz, 20
MHz

TTI tối thiểu

1ms

Khoảng cách sóng mang con

15 KHz

Ngắn

4, 7  s

Dài

16, 7  s

Chiều dài CP

Điều chế

QPSK, 16QAM, 64 QAM
1 lớp cho UL/UE

Ghép kênh không gian

Lên đến 4 lớp cho DL/UE
Sử dụng MIMO cho UL và DL

Sự khác nhau giữa 3G và 4G
Hiện nay, công nghệ 3G cho phép truy cập Internet không dây và các cuộc
gọi có hình ảnh. 4G được phát triển trên các thuộc tính kế thừa từ công nghệ 3G. Về
mặt lý thuyết, mạng không dây sử dụng công nghệ 4G sẽ có tốc độ nhanh hơn mạng
3G từ 4 đến 10 lần. Tốc độ tối đa của 3G là tốc độ tải xuống 14Mbps và 5.8Mbps
tải lên. Với công nghệ 4G, tốc độ có thể đạt tới 100Mbps đối với người dùng di
động và 1Gbps đối với người dùng cố định. 3G sử dụng ở các dải tần quy định quốc
tế cho UL : 1885-2025 MHz; DL : 2110-2200 MHz; với tốc độ từ 144kbps-2Mbps,

độ rộng BW: 5 MHz. Đối với 4G LTE thì Hoạt động ở băng tần : 700 MHz-2,6
GHz với mục tiêu tốc độ dữ liệu cao, độ trễ thấp, công nghệ truy cập sóng vô tuyến
gói dữ liệu tối ưu. Tốc độ DL :100Mbps( ở BW 20MHz), UL : 50 Mbps với 2 aten
thu một anten phát. Độ trễ nhỏ hơn 5ms với độ rộng BW linh hoạt là ưu điểm của
LTE so với WCDMA, BW từ 1.25 MHz, 2.5 MHz, 5 MHz, 10 MHz, 15 MHz, 20


7

MHz. Hiệu quả trải phổ tăng 4 lần và tăng 10 lần số người dùng/cell so với
WCDMA.
 Ưu điểm nổi bật
 Tốc độ dữ liệu cao hơn rất nhiều lần so với 3G
 Tăng hiệu quả sử dụng phổ và giảm thời gian trễ
 Cấu trúc mạng sẽ đơn giản hơn, và sẽ không còn chuyển mạch kênh nữa
 Hiệu quả trải phổ tăng 4 lần và tăng 10 lần user/cell so với WCDMA.
Độ rộng băng tần linh hoạt cũng là một ưu điểm quan trọng của LTE đối với
WCDMA
 Các ứng dụng đã tạo nên ưu điểm của 4G LTE so với 3G
Hiệu suất phổ cao
- OFDM ở DL
+ Chống nhiễu đa đường
+ Hầu hết dữ liệu người dùng thì ít hơn di động
- SC-FDMA ở UL
+ PAPR thấp
+ Người dùng trực giao trong miền tần số
- MIMO
Tốc độ dữ liệu cao
+ Phát nhiều dòng dữ liệu độc lập song song qua các anten riêng lẻ => tăng tốc độ dữ
liệu. (sử dụng MIMO)

Độ trễ thấp
+ Thời gian cài đặt và thời gian trì hoãn chuyển tiếp ngắn
+ Trễ HO và thời gian ngắt ngắn : TTI ngắn, trạng thái RRC đơn giản
Giá thành rẻ
+ Cấu trúc mạng đơn giản, giảm các thành phần của mạng
Chất lượng dịch vụ cao
+ Sử dụng các tần số cấp phép để đảm bảo chất lượng dịch vụ : LTE sử dụng các dải
tần số khác nhau : 2100 MHz, 1900 MHz, 1700 MHz, 2600 MHz, 900 MHz, 800
MHz.
+ Luôn luôn thử nghiệm ( giảm thời gian trễ trong điều khiển định tuyến)
+ Giảm độ trễ khứ hồi ( round trip delay)
Tần số tái sử dụng linh hoạt
Giảm nhiễu liên cell với tần số tái sử dụng lớn hơn 1.
-Sử dụng hai dải tần số:


8

+ Dải 1 : hệ số tái sử dụng lớn hơn 1 => công suất phát cao hơn
+ Dải 2 : phổ còn lại
+ Các user ở cạnh cell : sử dụng dải 1 => SIR tốt
+ Các user ở trung tâm cell : sử dụng toàn bộ băng => tốc độ dữ liệu cao

1.2. Bluetooth
Bluetooth là công nghệ truyền thông vô tuyến công suất thấp tầm gần được thiết kế để
thay thế dây cáp trong việc kết nối những thiết bị như máy tính, máy in, bàn phím và
chuột. Công nghệ này cho phép các thiết bị điện tử giao tiếp với nhau một cách dễ
dàng trong khoảng cách ngắn bằng sóng vô tuyến qua băng tần chung ISM (Industrial,
Scientific and Industrial) trong dải tần 2.4 – 2.48 GHz.[4]

1.2.1. Lịch sử phát triển
Ban đầu, Sven Mattison và Jaap Haartsen – hai nhân viên của Ericsson (hiện nay là
Sony Ericsson và Ericsson Mobile Platforms) đã phát triển những tính năng đầu tiên
của Bluetooth vào năm 1994. Sau đó Bluetooth Special Interest Group (SIG) tiếp tục
triển khai công nghệ này từ ngày 20/5/1999. Dần dần, Sony Ericsson, IBM, Intel,
Toshiba và Nokia cùng nhiều công ty khác đã tham gia phát triển công nghệ không
dây tầm gần này nhằm hỗ trợ việc truyền dữ liệu qua các khoảng cách ngắn giữa các
thiết bị di động và cố định, tạo nên các mạng cá nhân không dây (Wireless Personal
Area Network-PANs). Do đó, Bluetooth còn được gọi là IEEE 802.15.1.Từ đó, công
nghệ này đã thu hút sự chú ý của hang tram nhà sản xuất trên toàn thế giới. Bluetooth
SIG thiết lập cơ quan đầu não toàn cầu tại Overland Park, Kansas, USA. Bluetooth bắt
đầu nổi lên như là một công nghệ vô tuyến hàng đầu. Các công ty điện thoại di động
bắt tay vào khai thác thị trường sôi nổi này bằng cách cho ra đời các thế hệ điện thoại
di động đời mới hỗ trợ Bluetooth. Các phiên bản 1.1, 1.2… và đến này là 4.1 đã được
đưa ra trên thị trường.
Khác với những công nghệ hiện tại, như công nghệ hồng ngoại đề xuất bởi IrDA
(Infrared Data Association) hay là DECT, Bluetooth hỗ trợ cho ngành công nghiệp
viễn thông và khoa học máy tính. Dù có một số lượng lớn các nhà sản xuất hợp tác với
hiệp hội IrDA trong các sản phẩm điện thoại của họ, bao gồm cả Ericsson, Motorola
và Nokia, sự thay đổi này đã gây khó chịu cho người dùng, không tải được thông tin
của họ từ máy tính hoặc PDAs lên điện thoại và ngược lại. Những thiết bị tích hợp
Bluetooth có thể nhận diện và giao tiếp với nhau như máy tính giao tiếp với máy in.


9

Hơn nữa, những sản phẩm có tích hợp công nghệ này giá cả lại rẻ và phải chăng hơn
nhiều.
Bluetooth hiện đang có tốc độ phát triển chóng mặt với khả năng ứng dụng ngày càng
đa dạng, tính đến nay con số thiết bị sử dụng Bluetooth không thể tính hết được..

1.2.2. Nguyên lý hoạt động
Tất cả các thiết bị phải được trang bị một micro chip thu phát để thu phát trong băng
tần 2.4 GHz, có trên toàn cầu (băng thông được cấp khác nhau ở từng nước). Bên cạnh
đó, có 3 kênh thoại được cung cấp. Thông tin có thể được trao đổi với tốc độ lên đến 1
mega bít trong một giây (2 mê-ga bít trong giây thứ 2 đối với thế hệ thứ 2).
Những thiết bị tích hợp công nghệ Bluetooth có những ưu điểm tiêu biểu sau:
 Tiêu thụ rất ít năng lượng, cho phép ứng dụng được trong nhiều loại thiết
bị, bao gồm cả các thiết bị cầm tay, cố định và di động
 Giá thành của các thiết bị này rẻ, thích hợp với hầu hết người tiêu dùng
 Cho phép giao tiếp giữa hai thiết bị đầu cuối với khoảng cách có thể lên
đến 10 mét ngoài trời và 5 mét trong tòa nhà. Với các điểm truy cập (access
point) có thể lên tới 100 mét ngoài trời và 30 mét trong tòa nhà.
 Bluetooth sử dụng băng tần không đăng ký 2.4 GHz trên băng tần ISM.
Tốc độ truyền dữ liệu có thể đạt tới 25 Mbps (với chuẩn 3.0 và 4.0) mà các
thiết bị không cần phải thấy trực tiếp nhau ( light of sight requirements)
 Dễ dàng trong việc phát triển ứng dụng: Bluetooth kết nối một ứng dụng
này với một ứng dụng khác thông qua các chuẩn “Bluetooth profiles”, do
đó có thể độc lập về phần cứng cũng như hệ điều hành sử dụng.
 Bluetooth được dùng trong giao tiếp dữ liệu tiếng nói: có 3 kênh để truyền
tiếng nói và 7 kênh để truyền dữ liệu trong một mạng cá nhân.
 An toàn và bảo mật: được tích hợp với sự xác nhận của người dùng và mã
hóa
Tính tương thích cao, được nhiều nhà sản xuất phần cứng cũng như phần mềm hỗ trợ.

1.2.3. Chuẩn băng tần Bluetooth
Bluetooth sử dụng sóng vô tuyến cực ngắn ở dài tần 2,4 GHz đến 2,4835 GHz. Trên
thế giới, băng tần này là có sẵn, băng thông có thể khác nhau ở những nước khác nhau,
tùy theo dải tần có sẵn ở nước đó. Để tuân theo giới hạn dải tần ở từng quốc gia,

10

những thuật toán nhảy tần đặc biệt đã được nghiên cứu và định ra ở các nước này.
Nhưng cần chú ý rằng những sản phẩm được thực thi để giảm băng tần sẽ không tương
thích với những sản phầm hoạt động toàn dải. Do đó, những sản phẩm thực thi việc
giảm băng tần cần được xem xét với các phiên bản địa phương cho một thị trường đơn
nhất. Bluetooth SIG đã thực hiện một chiến dịch để giải vượt qua những khó khăn và
tiến tới hài hòa trong băng tần.

Bảng 1-2: Các dải tần Bluetooth

Khu vực

Dải tần

Kênh vô tuyến

Europe and USA

2,4 – 2,4835 GHz

Japan

2,471 – 2,497
GHz

f = 2473 + k
(MHz)

k= 0,1,..,22

Spain

2,445 – 2,475
GHz

f = 2449 + k
(MHz)

k= 0,1,…, 22

f = 2402 + k
(MHz)

k= 0, 1,…, 78.

Do đó, để các hệ thống và thiết bị có thể được sử dụng toàn cầu thì các máy phát cần
phủ dải tần từ 2.4 đến 2.5 GHz và tùy từng quốc gia sẽ chọn tần số thích hợp. Băng tần
ISM là băng tần mở cho tất cả các hệ thống vô tuyến nhưng các hệ thống này cần phải
chú ý tới các nguồn nhiễu từ các hệ thống điều khiển cửa gara, điện thoại không dây,
và lò vi sóng (nguồn nhiễu cao).
Với sự ra đời của phiên bản Bluetooth 4.1 đã đánh dấu bước cải tiến vượt bậc cho
công nghệ Bluetooth khi nó đã cải thiện được tình trạng chồng chéo tính hiệu của
Bluetooth và mạng 4G/LTE. Bluetooth 4.1 sẽ tự động nhận diện vùng phủ và công
suất phát của LTE từ đó nó có thể điều chỉnh băng tần để thiết bị đầu cuối sử dụng
được tối đa năng lực của nó.

1.3. Anten trong truyền thông vô tuyến
Bùng nổ vào đầu thế kỷ XX, cuộc cách mạng công nghệ đã làm thay đổi hoàn toàn

cuộc sống của con người trên toàn thế giới. Hàng loạt các kỹ thuật công nghệ được
nghiên cứu và sử dụng nhằm cải thiện nâng cao đời sống của con người. Nhu cầu về


11

trao đổi tri thức và thông tin của con người ngày một gia tăng và các yêu cầu đặt ra
như thuận tiện, nhanh chóng, tiết kiệm ngày càng cao và cần thiết. Truyền thông vô
tuyến đã được nghiên cứu, phát triển và ứng dụng để giải quyết những vấn đề bức thiết
đó.
Với những ưu điểm hơn hẳn so với các kỹ thuật truyền thông cổ điển, truyền thông vô
tuyến cho phép thu phát thông tin qua không gian mà không cần đến các thiết bị dây
cáp phức tạp, rắc rối mà vẫn đảm bảo được độ chính xác. Có thể nói truyền thông vô
tuyến đã mang lại rất nhiều tiện ích, thuận tiện cho con người. Một trong những thành
phần quan trọng của các hệ thống truyền thông vô tuyến là anten, thiết bị dung để bức
xạ sóng điện từ hoặc thu nhận sóng từ không gian bên ngoài.
Anten là bộ phân quan trọng không thể thiếu được của bất kỳ hệ thống vô tuyến điện
nào, đây chính là đầu cuối thu phát sóng (thông tin) của các hệ thống vô tuyến.
Một hệ thống liên lạc vô tuyến đơn giản luôn bao gồm máy phát, máy thu, anten phát
và anten thu. Máy phát có nhiệm vụ tạo ra dao động điện cao tần, dao động điện sẽ
truyền qua fide (thiết bị nối giữa máy phát/máy thu với anten) tới anten dưới dạng
sóng điện từ rang buộc. Anten phát có nhiệm vụ biến đổi sóng điện từ ràng buộc trong
fide thành sóng điện từ tự do bức xa ra không gian. Cấu tạo của anten sẽ quyết định
khả năng biến đổi và bức xạ năng lượng điện từ nói trên. Anten thu có nhiệm vụ ngược
với anten phát, nghĩa là tiếp nhận sóng điện từ tự do từ không gian bên ngoài và biến
đổi chúng thành sóng điện từ ràng buộc.
Anten được ứng dụng trong tất cả các hệ thống thông tin vô tuyến như vô tuyến truyền
thanh, truyền hình, vô tuyến đạo hang, vô tuyến thiên văn, vô tuyến điều khiển từ xa.
Anten được sử dụng với các mục đích khác nhau cũng có những yêu cầu khác nhau.
Với các đài phát thanh và vô tuyến truyền hình thì anten cần bức xạ đồng đều trong

mặt phẳng ngang (mặt đất), để cho các máy thu đặt ở các hướng bất kỳ đều có thể thu
được tín hiệu của đài phát. Song, anten lại cần bức xạ định hướng trong mặt phẳng
đứng, với hướng, cực đại song song mặt đất để các đài thu trên mặt đất có thể nhận
được tín hiệu lớn nhất và để giảm nhỏ năng lượng bức xạ theo các hướng không cần
thiết.
Trong thông tin mặt đất hoặc vũ trụ, thông tin truyền tiếp, rada, vô tuyến điều khiển
…, thì yêu cầu anten bức xạ với hướng tính cao, nghĩa là sóng bức xạ chỉ tập trung
trong một góc rất hẹp trong không gian.
Như vậy, nhiệm vụ của anten không chỉ đơn giản là biến đổi năng lượng điện từ cao
tần thành sóng điện từ tự do, mà phải bức xạ sóng ấy theo những hướng nhất định, với
các yêu cầu kỹ thuật cho trước. Trong trường hợp tổng quát, anten cần được hiểu là


12

một tổ hợp bao gồm nhiều hệ thống, trong đó chủ yếu là các hệ thống bức xạ, hoặc
cảm thụ sóng bao gồm các phần từ anten (thu hoặc phát), hệ thống cung cấp tín hiệu
đảm bảo việc phân phối năng lượng cho các phần tử phát xạ với các yêu cầu khác nhau
(trường hợp anten phát), hoặc hệ thống gia công tín hiệu (trường hợp anten thu) [1].

Anten trong thiết bị di động
Trong thập kỷ gần đây, sự tiến bộ đáng kể trong hệ thống thông tin di động đòi hỏi hệ
thống ăng ten cũng phải có những cải tiến tương thích. Hệ thống điện thoại di động
phát triển từ điện thoại tương tự hay còn được gọi là thế hệ điện thoại di động đầu tiên
1G đến thế hệ thứ hai 2G, thế hệ điện thoại di động kỹ thuật số, và để phục vụ nhu cầu
truyền thông tin (không phải chỉ gọi thoại) trên mạng di động ngày càng tăng thì thế hệ
thứ ba 3G và thế hệ thứ tư 4G đã lần lượt ra đời trên thị trường. Do đó hệ thống ăng
ten đã có những thay đổi hết sức linh hoạt về phẩm chất, cấu trúc, kích thước nhằm
thoả mãn tối đa nhu cầu của người sử dụng.
Hiện nay, một trong hai xu hướng chính trong thiết kế ăng ten là thiết kế cho hệ thống

điện thoại di động mà yêu cầu phải có kích thước nhỏ gọn, trọng lượng nhẹ, tính linh
hoạt, dễ tích hợp với các loại vật liệu, thiết bị đầu cuối và đặc biệt là có băng thông
rộng và hoạt động được ở nhiều dải tần.
Điện thoại di động sử dụng một ăng ten tích hợp sẵn đa băng tần có khả năng đáp ứng
đồng thời một vài chuẩn tần số , ví dụ như GSM 800, 900, 1800, 1900 MHz and
UMTS, WCDMA 1.8, 1.9, 2.1 and 2.5 GHz and LTE 1.8, 2.6 GHz. Các dải chuẩn tần
số trên có thể được tính như sau:
 Băng tần GSM còn được gọi là băng tần 900 MHz: 890 – 960 MHz
 Băng tần GPS: 1575 MHz
 Băng tần DCS còn được gọi là băng tần 1800 MHz: 1710 – 1880 MHz
 Băng tần PCS cũng được gọi là băng tần 1900 MHz: 1850 – 1990 MHz
 Băng tần UMTS được biết đến như băng tần 3G hay băng tần 2100 MHz: 1920
- 2170 MHz.
 Băng tần WLAN cũng được biết đến như là băng tần Bluetooth (2.4 GHz):
2400-2480 MHz
 Băng tần LTE hay còn gọi băng tần 1800 MHz: (1710 – 1880) hoặc 2600 MHz
(2500 – 2690)


13

Chương 2
TỔNG QUAN VỀ ANTEN

2.1. Lý thuyết chung về anten
2.1.1. Giới thiệu
Thiết bị dùng để bức xạ sóng điện từ (anten phát) hoặc thu nhận sóng (antenthu) từ
không gian bên ngoài được gọi là anten. Nói cách khác, anten là cấu trúc chuyển tiếp
giữa không gian tự do và thiết bị dẫn sóng (guiding device), như thể hiện trong hình
1.1. Thông thường giữa máy phát và anten phát, cũng như giữa máy thu và anten thu

không nối trực tiếp với nhau mà được ghép với nhau qua đường truyền năng lượng
điện từ, gọilà fide. Trong hệ thống này, máy phát có nhiệm vụ tạo ra dao động điện
cao tần. Dao động điện sẽ được truyền đi theo fide tới anten phát dưới dạng sóng điện
từ ràng buộc. Ngược lại, anten thu sẽ tiếp nhận sóng điện từ tự do từ không gian bên
ngoài và biến đổi chúng thành sóng điện từ ràng buộc. Sóng này được truyền theo fide
tới máy thu. Yêu cầu của thiết bị anten và fide là phải thực hiện việc truyền và biến đổi
năng lượng với hiệu suất cao nhất và không gây ra méo dạng tín hiệu [5].


14

Hình 2-1: Anten như một thiết bị truyền sóng

Phương trình tương đương Thevenin hệ thống anten trong hình 1.1 làm việc ở chế độ
phát được thể hiện trong hình 1.2, trong đó nguồn được thể hiện bởi bộ tạo dao động lý
tưởng, đường truyền dẫn được thể hiện bởi đường dây với trở kháng đặc trưng ZC, và
anten được thể hiện bởi tải ZA, trong đó ZA=(RL+ Rr)+jXA. Trở kháng tải RL thể hiện
sự mất mát do điện môi và vật dẫn (conduction and dielectric loss), 2 thành phần mất
mát này luôn gắn với cấu trúc anten. Trở kháng Rr được gọi là trở kháng bức xạ, nó
thể hiện sự bức xạ sóng điện từ bởi anten. Điện kháng XA thể hiện phần ảo của trở
kháng kết hợp với sự bức xạ bởi anten. Ngoài sóng điện từ bức xạ ra khu xa, còn có
trường điện từ dao động ở gần anten, giàng buộc với anten. Phần công suất này không
bức xạ ra ngoài, mà khi thì chuyển thành năng lượng điện trường, khi thì chuyển thành
năng lượng từ trường thông qua việc trao đổi năng lượng với nguồn. Công suất này gọi
là công suất vô công, và được biểu thị thông qua điện kháng XA. Trong điều kiện lý
tưởng, năng lượng tạo ra bởi nguồn sẽ được truyền hoàn toàn tới trở kháng bức xạ Rr.
Tuy nhiên, trong một hệ thống thực tế, luôn tồn tại các mất mát do điện môi và mất
mát do vật dẫn (tùy theo bản chất của đường truyền dẫn và anten), cũng như tùy theo
sự mất mát do phản xạ (do phối hợp trở kháng không hoàn hảo) ở điểm tiếp điện giữa
đường truyền và anten.[5]