Nghiên cứu hệ thống anten thông minh trong thông tin di động

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN
1.1 Giới thiệu chương
Chương này gồm 2 mục chính là giới thiệu về anten và cơ sở về anten, nhằm lý giải về lợi ích
rất lớn của việc phát triển nhanh chóng lĩnh vực anten thông minh Để thiết kế và phân tích anten
thông minh đòi hỏi kiến thức thực hành của nhiều lĩnh vực khác nhau và liên quan đến kiến thức
nhiều môn học bao gồm các kiến thức các quá trình ngẫu nhiên, điện từ, truyền sóng, các phương
pháp ước lượng phổ, các kỹ thuật thích nghi…Đặc biệt là việc thiết kế anten thông minh dựa trên
lý thuyết cơ bản về anten, do đó, trong chương này cũng trình bày một số vấn đề cơ bản của
anten như độ rộng búp sóng, độ định hướng, góc khối của anten, độ lợi, diện tích hiệu dụng, công
suất bức xạ đẳng hướng tương đương.
1.2 Giới thiệu về anten
1.2.1 Giới thiệu chung về Anten
Năng lượng điện từ có thể được truyền đi theo hai cách:
-

Dùng các hệ truyền dẫn, nghĩa là các hệ dẫn sóng điện từ như đường dây song hành,
đường truyền đồng trục, ống dẫn sóng kim loại hoặc điện môi v.v. Sóng điện từ truyền lan
trong các hệ thống này thuộc loại sóng điện từ ràng buộc.

-

Bức xạ sóng ra không gian, sóng sẽ được truyền đi dưới dạng sóng điện từ tự do.

Thiết bị dùng để bức xạ sóng điện từ hoặc thu nhận sóng từ không gian bên ngoài được
gọi là anten. Anten có chức năng chuyển đổi năng lượng điện từ từ một môi trường này (từ không
gian) thành tín hiệu điện ở một môi trường khác (dây dẫn, cáp đồng trục hoặc ống dẫn sóng…) và
ngược lại. Các thiết kế vật lý của anten có thể thay đổi tùy vào từng loại anten.
Anten được ứng dụng trong các hệ thống thông tin vô tuyến, vô tuyến truyền thanh,
truyền hình, vô tuyến đạo hàng, vô tuyến thiên văn, vô tuyến điều khiển từ xa v.v…Trong thông
tin mặt đất hoặc vũ trụ, ra đa, vô tuyến điều khiển thì yêu cầu anten bức xạ với hướng tính cao,
nghĩa là sóng bức xạ chỉ tập trung vào một góc rất hẹp trong không gian.

Ngày nay, sự phát triển của kỹ thuật trong các lĩnh vực thông tin, ra đa điều khiển v.v…
đòi hỏi anten không chỉ đơn thuần làm nhiệm vụ bức xạ hay thu sóng điện từ mà còn tham gia
vào gia công tín hiệu. Trong trường hợp tổng quát, anten là một tổ hợp gồm nhiều hệ thống,
trong đó chủ yếu là hệ thống bức xạ, hoặc cảm thụ sóng bao gồm các phần tử anten (dùng để thu
hoặc phát), hệ thống cung cấp tín hiệu đảm bảo việc phân phối năng lượng cho các phần tử bức
xạ với các yêu cầu khác nhau (trường hợp anten phát), hoặc hệ thống gia công tín hiệu (trường
hợp anten thu).
1.2.1.1 Anten vô hướng

Trang i


Hình 1.1. Anten vô hướng và vùng phủ sóng
Anten vô hướng phát và thu như nhau trong mọi hướng. Phương pháp này tán xạ các tín
hiệu, khi tới được đúng đối tượng sử dụng thì năng lượng tín hiệu chỉ bằng một phần nhỏ tổng
năng lượng đã phát xạ vào môi trường.
Kỹ thuật anten vô hướng không thể loại bỏ tín hiệu gây nhiễu và không có khả năng định
hướng đa đường không gian.
1.2.1.2 Anten định hướng
Anten định hướng được xây dựng để có các hướng phát và thu ưu tiên cố định. Ngày nay,
rất nhiều tháp anten thông thường phân chia thành các tế bào hình quạt. Một vùng 360 0 thường
được phân chia thành 3 vùng nhỏ 120 0. Các anten quạt cho độ tăng ích cao hơn trong những vùng
hạn chế của góc phương vị khi so sánh với các anten vô hướng.

Side View

Top View

Hình 1.2. Anten định hướng và vùng phủ sóng

1.2.2 Anten thông minh là gì?
Thuật ngữ “anten thông minh” nói chung là để chỉ bất kỳ anten mảng nào, được nối đến bộ
xử lý tín hiệu phức tạp, bộ xử lý này có thể hiệu chỉnh hay làm thích nghi các đồ thị búp sóng của
chính nó để làm nổi bật các tín hiệu có ích và tối thiểu các tín hiệu nhiễu.

Trang ii


Anten thông minh thường bao gồm cả hai hệ thống thích nghi chuyển búp và định dạng búp.
Các hệ thống chuyển búp sẽ chứa một vài mẫu búp sóng cố định trong đó, qua đó, búp sóng tới
sẽ được chọn khi muốn truy cập tại bất kỳ thời điểm cho trước nào, tùy thuộc vào các yêu cầu
của hệ thống. Các hệ thống thích nghi định dạng búp cho phép anten lái búp tới bất kỳ hướng
nào có ích đồng thời cũng làm triệt các tín hiệu nhiễu. Khái niệm anten thông minh trái ngược
với búp cố định “anten đổ”, không làm thích nghi đồ thị bức xạ của nó tới môi trường trường điện
từ thường xuyên thay đổi. Trong những năm trước, anten thông minh được gọi là anten mảng
thích nghi hoặc các anten mảng định dạng búp sóng bằng số. Thuật ngữ mới này phản ánh đúng
kỹ thuật “thông minh” của chúng ta ngày nay và chỉ ra một cách rõ ràng hơn rằng một anten mảng
thích nghi được điều khiển bởi quá trình xử lý tín hiệu tinh vi.

1.2.3 Các lợi ích của anten thông minh
Anten thông minh có rất nhiều lợi ích quan trọng trong các ứng dụng không dây cũng như là
các cảm biến như rađa. Trong thế giới của các ứng dụng không dây di động, anten thông minh có
thể làm tăng dung lượng hệ thống bằng cách hướng các tia hẹo đến thuê bao có ích, trong khi
triệt đi các thuê bao không có ích còn lại. Việc này tạo ra một tỉ số tín hiệu trên nhiễu cao hơn,
mức công suất thấp hơn, và có thể tái sử dụng tần số nhiều hơnn trong cùng một cell. Khái niệu
này được gọi là đa truy cập phân chia theo không gian (SDMA). Tại Hoa Kỳ, hầu hết các trạm gốc
đều sectơ hóa mỗi cell với góc 120o. Điều này sẽ làm tăng dung lượng hệ thống lên gấp 3 lần trong
một cell bởi vì các thuê bao trong mỗi 3 sectơ này có thể chia sẽ cùng nguồn tài nguyên phổ với
nhau. Hầu hết các trạm gốc có thể được điều chỉnh để trang bị anten thông minh trong mỗi sectơ.
Do đó, các sectơ 120o có thể được chia nhỏ hơn như hình. Việc chia nhỏ hơn này giúp có thể sử

dụng mức công suất thấp hơn, làm tăng dung lượng hệ thống và băng thông.
Một lợi ích khác của anten thông minh là có thể làm giảm các ảnh hưởng có hại của hiệu ứng
đa đường. Một thuật toán hằng số module để điều khiển anten thông minh có thể được hoàn
thành để triệt đi các tín hiệu đa đường. Việc này sẽ làm giảm pha đinh một cách đột ngột ở tín
hiệu thu. Tốc độ dữ liệu sẽ cao hơn vì anten thông minh có thể đồng thời vừa giảm can nhiễu
cùng kênh vừa giảm hiệu ứng pha đinh đa đường. Việc giảm đa đường không chỉ đem lại lợi ích
cho thông tin di động mà còn cho nhiều ứng dụng của hệ thống rađa khác.
Anten thông minh có thể được dùng để nâng cao các kỹ thuật tìm phương (DF) bằng kỹ
thuật chính xác hơn đó là kỹ thuật tìm góc tới (AOA). Việc tích hợp một mảng rất lớn các kỹ thuật
ước lượng phổ sẽ làm cô lập AOA bằng thuật toán hiệu chỉnh góc, thuật toán này sẽ khuếch đại
độ phân giải của mảng ướng lượng phổ đó lên. Việc ước lượng chính xác góc tới (AOA) thì rất hữu
dụng đặc biệt là trong các hệ thống rađa trong vấn đề giải quyết hiện tượng vật ảnh hoặc vật di
chuyển. Khả năng tìm phương (DF) của anten thông minh cũng có thể làm mở rộng phạm vi cung
cấp dịch vụ trong hệ thống không dây vì nó có thể làm tăng khả năng xác định vị trí của một thuê
bao di động đặc biệt. Ngoài ra, anten thông minh thậm chí có thể hướng dãy búp sóng chính về
phía các tín hiệu có ích khi không có tín hiệu tham chiếu hoặc chuỗi huấn luyện cho trước. Khả
năng này được gọi là định dạng búp sóng mù. Anten thông minh cũng là một phần trong hệ thống
thông tin MIMO và trong hệ thống rađa MIMO đa dạng sóng. Vì mỗi dạng sóng khác nhau được
phát từ một phần tử trong dãy anten phát và được kết hợp lại tại dãy anten thu, khi đó anten
thông minh sẽ có vai trò trong việc xác định các mẫu bức xạ để làm tối ưu khả năng nhận diện tín
hiệu đa đường. Đối với hệ thống rađa MIMO, anten thông minh có thể khai thác tính độc lập

Trang iii


giữa các tín hiệu khác nhau tại mỗi dãy phần tử nhằm sử dụng phương pháp mục tiêu nhấp nháy
đối với các tín hiệu có chất lượng đã được tăng, để tăng độ phân giải, và để làm giảm tín hiệu dội.
1.3 Cơ sở về anten
1.3.1 Mật độ công suất
Các trường được bức xạ bởi anten mang năng lượng có thể bị ngăn chặn bởi khoảng cách xa

các anten thu. Một ví dụ đơn giản, giả sử quá trình lan truyền của trường pha (phasor field) được
phát ra bởi một điểm nguồn của anten đẳng hướng (isotropic antenna), được thể hiện trong
tọa độ cầu :

Eθ s =

E0 − jkr ˆ
e θ V/m
r

Hφ s =

(1.1)

E0 − jkr ˆ
e φ A/m
ηr

(1.2)

Với η là trở kháng sóng (trở kháng đặc trưng) của môi trường.
Nếu bản chất môi trường là không tổn hao, thì các trường thay đổi tức thời theo
thời gian dễ dàng được suy ra từ biểu thức (1.1) và (1.2) :

 E j ωt −kr ) ˆ  E0
E ( r , t ) = Re  0 e (
θ  = cos ( ωt − kr ) θˆ
r
 r

(1.3)

E
 E
H ( r , t ) = Re  0 e j ( ωt − kr ) φˆ  = 0 cos ( ωt − kr ) φˆ
η r
 ηr

(1.4)

Cường độ trường điện trong biểu thức (1.3) xem như là bức xạ theo hướng dương
của r và được phân cực theo hướng dương của θˆ . Cường độ từ trường trong biểu thức (1.4) xem
như là bức xạ theo hướng dương của r và được phân cực theo hướng dương của øˆ . Hình 1.1 cho
thấy các vectơ trường trong hệ tọa độ cầu.

Trang iv


Hình 1.1 Trường điện từ bức xạ từ một nguồn điểm.
Các trường xa (far-field) này trực giao với nhau và tiếp xúc với hình cầu bán kính r. Vectơ
Poynting là tích có hướng (cross product) của các vectơ cường độ điện trường và các vectơ
cường độ từ trường (vectơ Poynting : do John Henry Poynting tìm ra):
2
P = E × H W/m

(1.5) Tích có hướng (cross product)
theo chiều kim đồng hồ và theo hướng lan truyền của mật độ công suất (power density). Vectơ
Poynting là thước đo mật độ công suất tức thời chảy ra từ nguồn. Bằng cách thay biểu thức (1.3)
và (1.4) vào (1.5) và dùng phép đơn giản hàm lượng giác ta có :

E02
1 + cos ( 2ωt − 2kr )  rˆ
P ( r, t ) =
2η r 2 

(1.6) Thành phần thứ nhất

trong biểu thức (1.6) là mật độ công suất trung bình theo thời gian bức xạ ra từ anten, thành phần
thứ hai là sự tăng và giảm tức thời của mật độ công suất. Chúng ta có được mật độ công suất
trung bình (average power density) bằng cách lấy trung bình theo thời gian của biểu thức (1.6) :
T

Wr =

E02
1
P
r
,
t
dt
=
rˆ W/m2
( )
2
∫
T 0
2η r

(1.7)

Cách tính mật độ công suất trung bình theo thời gian thì giống như việc tính toán trong không
gian pha (phasor space).

W ( r ,θ ,φ ) =

1
1
Re Es × H s* =
Es
2
2η

(

)

2

(1.8)

Hình 1.2 Mật độ công suất từ một nguồn điểm đẳng hướng.
Biểu thức (1.8) tương ứng với mật độ công suất trung bình bức xạ ra từ anten đẳng hướng
và biểu thức này không là một hàm của θ hoặc ø. Trong các anten thực tế, mật độ công suất luôn
luôn là một hàm theo r và ít nhất một tọa độ góc (angular coordinate). Nhìn chung, mật độ công
suất có thể được trình bày như là một dòng chảy của công suất qua mặt cầu bán kính r như
trong hình 1.2. Tổng công suất được bức xạ bởi anten được tính bằng tích phân mặt kín của mật
độ công suất trên biên mặt cầu của anten. Điều này tương đương với việc áp dụng định lý phân kỳ
(divergence theorem) cho mật độ công suất. Tổng công suất được tính bởi :

Trang v


Ptot = ∫∫ Wds = ∫

2π

0

=∫

2π

0

∫

π

0

∫

π

0

Wr ( r ,θ , φ ) r 2 sin θ dθ dφ

Wr ( r , θ , φ ) r 2 d Ω W

(1.9)

Với d Ω = sin θ dθ d φ =góc khối của các phần tử hay là sai lệch của góc khối. Trong trường
hợp đẳng hướng, mật độ công suất không phải là hàm theo θ hay ø, công thức (1.9) đơn giản như
sau :

Ptot = ∫

2π

0

∫

π

0

Wr ( r ) r 2 sin θ dθ d φ = 4π r 2Wr ( r )

(1.10)

Hoặc :

Wr ( r ) =

Ptot
4π r 2

(1.11)

Đối với các anten đẳng hướng, mật độ công suất trải ra như nhau, tổng công suất bức xạ là bề
mặt hình cầu bán kính r. Mật độ công suất tỉ lệ nghịch với r 2 . Cần chú ý rằng, mật độ công suất chỉ
là một hàm của công suất thực (Ptot) phát ra bởi các anten đầu cuối. Công suất phản kháng không
tính vào các trường được bức xạ.

Hình 1.3 Đồ thị hình vẽ hai vùng r1 và r2
1.3.2 Cường độ bức xạ
Cường độ bức xạ (radiation intensity) được xem như mật độ công suất được chuẩn hóa theo
khoảng cách. Mật độ công suất trong công thức (1.8) tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách và
giảm nhanh chóng khi ra xa anten. Điều này có ích cho việc xác định mức công suất nhưng lại
không có lợi trong việc biểu thị đồ thị khoảng cách của anten. Cường độ bức xạ bỏ đi thành phần
phụ thuộc vào 1/r2 , do đó đồ thị trường xa vẽ theo khoảng cách. Cường độ bức xạ được định
nghĩa như sau:

U ( θ , φ ) = r 2 W ( r ,θ , φ ) = r 2Wr ( r , θ , φ )

(1.12)

Trang vi


Dễ dàng thấy rằng công thức (1.12) có thể biểu diễn như sau:

U ( θ ,φ ) =

2
r2
ηr 2

Es ( r , θ , φ ) =
H s ( r ,θ , φ )
2η
2

2

(1.13)

Nhờ định nghĩa này làm đơn giản hóa cách tính tổng công suất được bức xạ bởi anten. Viết lại
công thức (1.9) thay thế cường độ bức xạ:

Ptot = ∫

2π

0

∫

π

0

Wr ( r , θ , φ ) r 2 sin θ dθ dφ = ∫

2π

0

π

∫ U ( θ ,φ )d Ω W
0

(1.14)

Cường độ bức xạ dạng tổng quát cho thấy đồ thị bức xạ của anten ở dạng 3-D. Tất cả các
anten không đẳng hướng (anten có hướng) có cường độ bức xạ không đẳng hướng do đó nó tạo
ra một đồ thị bức xạ không đẳng hướng. Hình 1.4 là một ví dụ về đồ thị 3-D trong hệ tọa độ cầu.
Đồ thị anten hay đồ thị búp sóng (beam pattern) cho thấy hướng tín hiệu bị bức xạ.

Hình 1.4 Đồ thị 3-D kiểu bức xạ của anten
Trong hình 1.4 hướng bức xạ cực đại là hướng θ = 0 hay là dọc theo trục z.
1.3.3 Các thuật ngữ anten cơ bản
1.3.3.1 Độ rộng búp sóng
Độ rộng búp được đo tại điểm -3dB của đồ thị bức xạ. Hình 1.5 là mặt cắt 2-D của hình 1.4.
Độ rộng búp là góc giữa điểm -3dB. Vì vậy, điểm -3dB còn được gọi là điểm nửa tia công suất.

Trang vii


Hình 1.5 Độ rộng tia nửa công suất
Trong trường hợp đồ thị trường thay vì đồ thị công suất, điểm -3dB sẽ được chuẩn hóa về biên độ
=

1
= 0.707
2

1.3.3.2 Độ định hướng
Độ định hướng là một số đo làm sao cho một anten độc lập tương đương với một anten đẳng
hướng bức xạ cùng một công suất tổng. Mặt khác, độ định hướng là tỉ số của mật độ công suất
của một anten không đẳng hướng (anten có hướng) với một anten đẳng hướng bức xạ cùng
công suất tổng. Di đó, độ định hướng được cho như sau:

W ( θ , φ ) 4π U ( θ , φ )
=
Ptot
Ptot
2
4π r

D ( θ ,φ ) =

(1.15)

Độ định hướng sẽ rõ ràng hơn khi ta thay công thức (1.14) vào (1.15) :

D ( θ ,φ ) =

2π

π

0

0

4π U ( θ , φ )

∫ ∫ U ( θ , φ ) sin θ dθ dφ

(1.16)

Độ định hướng cực đại là một hằng số và là giá trị cực đại của công thức (1.16) và thường được ký
hiệu là D0 . Độ định hướng cực đại được tìm bằng một sự thay đổi nhỏ trong công thức (1.16) :

D ( θ ,φ ) =

2π

π

0

0

4π U max

∫ ∫ U ( θ ,φ ) sin θ dθ dφ

(1.17)

Độ định hướng của một nguồn đẳng hướng luôn luôn bằng 1 vì nguồn đẳng hướng bức xạ như
nhau theo mọi hướng.
1.3.3.3 Góc khối của anten
Góc khối của anten Ω A là góc mà tất cả công suất bức xạ đi qua, nếu cường độ bức xạ của nó
bằng với cường độ bức xạ của chính anten đó. Góc khối của anten có thể được cho bởi công thức
sau :

D0 =

4π
4π
=
2π π U ( θ , φ )
ΩA
∫0 ∫0 U max sin θ dθ dφ

(1.18)

Với

ΩA = ∫

2π

0

π

U ( θ ,φ )

0

U max

∫

sin θ dθ dφ

(1.19)

Trang viii


Góc khối anten có đơn vị là đơn vị góc khối (steradian) với một đơn vị góc khối được định
nghĩa là một giá trị được tính bằng diện tích mặt cầu được giới hạn bởi hình chóp nón chia cho
bình phương bán kính mặt cầu r 2. Do đó có 4π đơn vị góc khối trên một mặt cầu. Góc khối anten
là một dạng không gian của tạp nhiễu băng thông tương đương (noise equivalent bandwidth)
trong viễn thông.
1.3.3.4 Độ tăng ích (độ lợi)
Độ định hướng của một anten cho thấy tính định hướng của anten. Anten có khả năng hướng
năng lượng tốt hơn. Tính định hướng giả sử rằng không có suy hao trong anten, suy hao vật dẫn,
suy hao cách điện, và đường dây truyền sóng mất phối hợp. Độ tăng ích của anten là một sự sửa
đổi của độ định hướng bao gồm cả những hiệu ứng không có lợi của anten. Độ lợi phản ánh nhiều
hơn đặc tính thực tế của anten. Công thức độ lợi của anten :

G ( θ , φ ) = eD ( θ , φ )

(1.20)

e là hiệu suất của anten bao gồm các ảnh hưởng của suy hao và mất phối hợp. Đồ thị tạo ra bởi
độ tăng ích của anten thì giống như là đồ thị tạo ra bởi độ định hướng ngoại trừ hệ số tỉ lệ hiệu
suất (efficiency scale factor) e.
1.3.3.5 Diện tích hiệu dụng
Một anten có thể bức xạ công suât theo nhiều hướng ưu tiên khác nhau và nó cũng có thể
thu nhận công suất từ các hướng ưu tiên giống nhau. Đây được gọi là nguyên lí thuận nghịch.
Hình 1.6 là các anten phát và anten thu. Anten phát thì phát đi công suất P 1 (Watts) và bức xạ

một mật độ bức xạ W1 (Watts/m2).

Trang ix


Hình 1.6 Anten phát và anten thu
Anten thu chặn một phần mật độ công suất tới W 1 bằng cách đó đưa công suất P2 đến tải.
Anten thu có thể được xem như một diện tích hiệu dụng của diện tích A e2 bắt lấy một phần công
suất khả dụng. Dùng công thức (1.15) và (1.20) ta có thể viết công suất thu như sau :

P2 = Ae 2W1 =

Ae 2 Pe
1 1 D1 ( θ1 , φ1 )
4π r12

W

(1.21)

Với r1 , θ1 , φ1 là hệ tọa độ cầu cục bộ cho anten 1.
Nếu các anten trong hình 1.6 làm ngược lại anten thu phát và anten phát thu, ta
được :

P1 = Ae1W2 =

Ae1 P2e2 D2 ( θ 2 , φ2 )
4π r22

W

(1.22)

Với r2 , θ 2 , φ2 là hệ tọa độ cầu cục bộ cho anten 2
1.3.3.6 Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương (EIRP)
Là tổng công suất mà nó bức xạ bởi anten vô hướng, cường độ bức xạ của nó bằng với cường
độ bức xạ của anten đang xét. Bởi vì, đối với một anten vô hướng thì công suất được bức xạ tổng
bằng 4π lần cường độ bức xạ :

EIRP = 4π U max

(1.23)

Tất cả các trạm FM và TV đều được gắn một EIRP tối đa để chúng bao trùm xấp xỉ toàn bộ
vùng, EIRP của trạm thông thường tăng theo tần số, ví dụ tất cả các kênh FM có một EIRP 100kw
trong khi đó tất cả các kênh VHF thì EIRP có thể cao đến 5000kw.
1.4 Kết luận chương
Một số vấn đề cơ bản về anten đã được trình bày khá cụ thể trong chương này. Trong thế
giới của các ứng dụng thông tin di động, những lợi ích to lớn của anten thông minh có thể áp
dụng trong rất nhiều lĩnh vực như tăng độ phủ sóng và dung lượng trong mạng 3G, áp dụng trong
các trạm di động, các hê thống MIMO. Cụ thể sẽ được trình bày ở chương 2.

Trang x


CHƯƠNG 2 HỆ THỐNG ANTEN TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG
2.1 Giới thiệu chương
Chương này sẽ trình bày vai trò của anten trong thông tin di động bao gồm:
- Tăng độ phủ sóng và tăng dung lượng trong mạng 3G: tác động của anten thông minh đến dung
lượng đường uplink và downlink.

- Anten thông minh trong các trạm di động.
- Anten thông minh trong hệ thống MIMO: các kỹ thuật đa anten này sẽ giải quyết được các
nguyên nhân của can nhiễu và hiện tượng đa đường theo nhiều cách khác để hoặc làm giảm nhẹ
tác động của chúng hoặc khai thác nó để tăng chất lượng hệ thống và tuyến thông tin.
2.2 Tăng độ phủ sóng và tăng dung lượng trong mạng 3G
2.2.1 Tác động của anten thông minh đến độ phủ sóng và dung lương đường uplink
Vì độ phủ sóng đường uplink bị giới hạn, ngoại trừ đối với dữ liệu có tốc độ rất cao hoặc
những dung lượng PA thấp (VD: các microcell), nênphần này sẽ tập trung vào vấn đề làm tăng độ
phủ sóng bằng cách dùng anten mảng tại trạm gốc. Mật độ của bộ thu BS này được xác định bằng
hệ số nhiễu, tốc độ symbol tối đa thu được, mức nhiễu của môi trường RF, và điểm khởi tạo

. Nếu ta có thể giảm độ nhạy yêu cầu thì sẽ làm tăng dung lượng và/hoặc làm giảmcông
suất phát di động. Độ nhạy máy thu là

Với: C là công suất sóng mang.
N và IMAI là công suất nhiễu và can nhiễu đa truy cập.
Và tải của cell là

Với can nhiễu đa truy cập là

Nếu anten thông minh có thể làm giảm độ nhạy máy thu cần thiết về S’, thì sẽ làm
tăng dung lượng thêm

và giảm công suất đi một lượng

như sau

Trang xi

Ta có dung lượng và độ giảm công suất như sau

Trong hình 2.1, ta vẽ

là một hàm theo độ lợi của mạng, có được bằng cách

dùng anten thông minh cho các hệ số tải khác nhau. Độ lợi mạng được xác định là
tổng của tổng độ lợi trực tiếp, độ lợi hoặc tổn hao phân tập, và các loại tổn hao
khác, như tổn hao kết hợp tương ứng với một vài quá trình thực hiện kỹ thuật búp
cố định. Trong một hệ thống có 75% tải, một độ lợi 1 dB của độ nhạy máy thu có
thể làm giảm công suất đi 3 dB. Khi công suất phát giảm, tuổi thọ pin của thiết bị di
động sẽ tăng.
Mặt khác, nếu cùng một công suất phát của thiết bị di động được giữ lại, sẽ
đồng nghĩa với việc mởrộng phạm vi hoạt động. Hình 2.2 biểu diễn khả năng tăng
dung lượng mong muốn nhưng không làm giảm công suất. Độ lợi 3 dB có 40% tải
hệ thống tương đương với việc tăng dung lượng lên khoảng 250%. Tuy nhiên, trong
trường hợp trên, nếu ta cho dung lượng tăng lên, tải hệ thống cũng sẽ tăng.

Trang xii


Hình 2.1 Độ giảm công suất và độ lợi

Hình 2.2 Độ tăng của dung lượng với độ lợi của mạng lưới khi công suất không giảm

Để kiểm soát và duy trì cùng một tải hệ thống này, công thức làm tăng dung lượng
hệ thống bên trên được sửa lại như sau

Biểu diễn biểu thức (2.7) ở hình 2.3 trong một hệ thống có 50% tải cho các hệ số
giảm công suất khác nhau. Đối với độ lợi 3 dB, công suất có thể giảm 50% và dung

lượng sẽ tăng 33%. Có thể tăng dung lượng lên 67.5% khi độ lợi là 4 dB

Trang xiii


Hình 2.3 Độ tăng dung lượng và độ giảm công suất giống nhau khi hệ thống có tải 50%

Có một số phương pháp có thể được dùng để làm tăng chất lượng do tác động
của anten thông minh. Từ việc mở rộng tuyến và mô phỏng mức hệ thống đến các
kỹ thuật phân tích về khả năng không được sử dụng và quá trình phân tích dung
lượng thống kê. Một cách khác để làm tăng tác động của anten thông minh lên
đường uplink thông qua chương này là dùng quỹ đường truyền và các biểu thức tải.
Dùng anten thông minh ở đường uplink sẽ có hai điều lợi, thứ nhất là giảm tỉ số
cần thiết, và thứ hai là độ lợi về khoảng cách, cả hai đều làm tăng độ phủ
sóng. Ta có thể thấy rằng hệ số tải đường uplink là hàm theo tốc độ dữ liệu,
và số lượng thuê bao. Do đó, việc giảm

,

sẽ làm giảm hệ số tải cho một lượng

thuê bao hoặc thông lượng của sector cho trước. Việc giảm tải đường uplink cho
một thông lương hệ thống cho trước sẽ làm tăng cả độ phủ sóng và dung lượng
kênh. Độ phủ sóng tăng là do hệ số tải thấp và do đó tổn hao đường tối đa cho phép
(MAPL) sẽ cao hơn.Dung lượng tăng là do số thuê bao và thông lượng sector tăng
đến khi hệ số tải đạt đến mức tải chỉ tiêu. Hình 2.4 mô tả phương pháp lám tăng độ
phủ sóng bằng cách dùng 4 anten có búp cố định, cho rằng

giảm 3 dB. Chú ý

rằng các độ lợi phụ thuộc vào số lượng thuê bao (thông lượng) hoặc, chính xác hơn
là, tùy thuộc và hệ số tải.
Độ lợi sẽ lớn nhất khi tải nhiều, vì tại các mức đó, can nhiễu do nhiệt sẽ tăng rất
cao. Đều này được chứng minh ở hình 2.5, ta thấy rằng ảnh hưởng lớn nhất là khi
tải cao. Tóm lại, khi dùng anten thông minh tại trạm gốc, ta có thể tăng dung lượng
Trang xiv


đường uplink bằng cách tăng hệ số tải chỉ tiêu của đường uplink mà không làm mất
đi độ phủ sóng do

giảm và độ lợi anten mảng có thể giới hạn mức can nhiễu

và làm tăng độ phủ sóng.

Hình 2.4 Độ tăng sự phủ sóng đường uplink của đa anten có búp sóng cố định

Trang xv


Hình 2.5 Độ giảm can nhiễu đường uplink của đa anten có búp sóng cố định
2.2.2 Tác động của anten thông minh đến dung lượng đường downlink
2.2.2.1 Định dạng búp sóng

Mật độ phủ và dung lượng có liên hệ với nhau theo tỉ lệ nghịch, khi anten thông
minh được dùng để tăng độ phủ sóng và dung lượng thì có thể tăng đồng thời cả
hai. Anten mảng hơn hai phần tử thực hiện cả búp sóng cố định và chuỗi người
dùng đặc trưng có thể tạo ra độ lợi lớn hơn kỹ thuật phân tập phát. Độ lợi có hai
thành phần chính, độ lợi về khoảng cách và độ lợi của việc lọc theo không gian. Độ
lợi khoảng cách tỉ lệ với số lượng phần tử anten M và bằng 10log(M). Việc lọc theo

không gian sẽ làm giảm can nhiễu trong một AS giới hạn, và do đó độ lợi sẽ lớn
nhất khi AS nhỏ vì can nhiễu bị giới hạn thành một vùng góc nhỏ và giảm khi AS
tăng, vì nhiều can nhiễu tăng lên hoặc trải vài hệ thống. Hình 2.6 biểu diễn độ lợi
theo quan điểm giảm công suất

trong một macrocell. Ta có thể thấy rằng độ

lợi tăng khi số búp sóng (phần tử) tăng và cao nhất khi AS nhỏ.

Hình 2.6 Độ lợi định dạng búp sóng và độ rộng góc trong WCDMA

Trang xvi


Hình 2.7 Độ tăng dung lượng và độ phủ sóng đường downlink và uplink của đa anten có búp sóng
cố định. Macrocell, góc mở nhỏ.

Hình 2.8 Độ tăng dung lượng và độ phủ sóng đường downlink và uplink. Macrocell, góc mở lớn.
Với 4 tia cố định tại đường uplink sẽ cung cấp độ lợi khoảng 3 dB về

và 2.2 dB cho hai búp

sóng ở đường downlink khi AS bằng 2o, thông lượng sector có thể tăng từ 905 Kbps lên 1,208
Kbps, trong khi độ phủ sóng tăng lên khoảng 9 dB. Những độ lợi của

khi AS bằng 20o là

tương đối nhỏ (1.8 dB). AS cao hơn sẽ làm can nhiễu nhiều hơn ở đường uplink hoặc trải dài
đường downlink vì vùng góc sẽ rộng hơn, do đó làm giảm độ lợi về chất lượng một ít. Độ lợi là kết
quả của quá trình tăng quỹ đường uplink, hệ số tải uplink (can nhiễu thấp hơn), độ lợi về khoảng

cách. Đây là quá trình tăng cả về quỹ đường truyền và biểu thức tải. Độ lợi cũng sẽ cao hơn nếu
dùng 4 tia ở đường downlink. Ví dụ, độ phủ sóng đường downlink sẽ tăng đáng kể khi dữ liệu có
tốc độ 384/64 Kbps, như ở hình 10.23, với anten mảng có độ lợi về

là 4.5 dB. Dung lượng

thực tế theo thông lượng sector phụ thuộc vào tải chỉ tiêu của đường downlink. Hình 10.24 so
sánh các độ lợi đó khi tải chỉ tiêu khác nhau.

Trang xvii


Hình 2.9 Độ tăng sự phủ sóng đường downlink của đa anten có búp sóng cố định.

Hình 2.10 Độ tăng dung lượng đường downlink của đa anten có búp sóng cố định.
2.2.2.2 Môi trường Microcell
Trong một microcell, công suất phát trạm gốc thường bị giới hạn và thấp hơn
nhiều so với trường hợp macrocell. Do đó, độ phủ sóng trong một macrocell sẽ có
khả năng bị giới hạn về đường downlink. Một khác biệt chính nữa giữa hai loại cell
này là độ rộng góc (AS) trong một microcell lớn hơn nhiều trong một macrocell.
Như đã khảo sát ở các chương trước, khi AS tăng, độ tương qua giữa các phần tử
anten cũng tăng nên độ phân tập cũng tăng. Do đó, độ phân tập phát có thể có ảnh
hưởng nhiều hơn trong các môi trường này vì chất lượng định dạng búp sóng về
việc giảm can nhiễu bị ảnh hưởng bởi AS lớn. Dung lượng STTD và CLTD tăng
khoảng 50% và 75%, một cách tương ứng, trong môi trường microcell. Hình 2.11
so sánh độ giảm của can nhiễu (độ lợi về dung lượng) bằng cách dùng STTD trong
cả microcell và macrocell. Hệ số trực giao đường downlink và tỉ số can nhiễu liên
cell dùng trong phép tính là 0.9 và 0.4, một cách tương ứng, đối với microcell, trái
ngược với 0.5 và 0.65 trong trường hợp macrocell. Đối với hệ số tải chỉ tiêu 40%

Trang xviii


(độ tăng nhiễu khoảng 2.2 dB), thông lượng sẽ tăng 65% đối với trường hợp
microcell với khoảng 50% với trường hợp macrocell.

Hình 2.11 Độ tăng dung lượng đường downlink với độ tăng can nhiễu của STTD:
(a) macrocell, và (b) microcell
Tóm lại, ở đường uplink, anten mảng tại trạm gốc sẽ kích hoạt chức năng tự điều
chỉ hệ thống để làm tối ưu tín hiệu thu. Kết quả là mức tín hiệu thu sẽ được cải thiện
bằng một hệ số M (số phần tử anten); tại cùng một thời điểm, can nhiễu sẽ giảm
đáng kể. Độ lợi tương ứng cũng sẽ xảy ra khi dùng anten thông minh ở đường
downlink. Khi hệ thống được điểu chỉnh để đạt được mức công suất truyền tín hiệu
tối ưu theo hệ số M thông qua việc phát công suất bằng một anten đơn tại trạm gốc.
Cùng lúc đó, can nhiễu thấp hơn sẽ được trải rộng ở đường downlink. Can nhiễu
giảm sẽ là tăng cả về số thuê bao của hệ thống hoặc chất lượng tín hiệu, điều đó là
thông lượng dữ liệu cao hơn. Lợi ích của việc giảm can nhiễu cho mạng rộng là,
trong cả hai trường hợp, làm tăng hiệu quả về phổ. Lợi ích của anten thông minh
không chỉ giới hạn ở việc cung cấp độ lợi về khoảng cách, mà còn làm tăng tỉ số
, đồng nghĩa với việc tăng độ phủ sóng và dung lượng. Mọi hệ thống vô
tuyến đều chịu một số tác động của hiệu ứng pha-đing. Do mội trường luôn thay
đổi, hiệu ứng pha-đing sẽ thay đổi theo thời gian. Và khó khăn cho người thiết kế
Trang xix


hệ thống vô truyền là hệ thống phải mạnh để trái các trường hợp mất kết nối và xảy
ra các margin độ ngột, và phải thiết kế sao cho có thể tránh được hiện tượng phađing, vì nó sẽ làm giảm độ phủ sóng. Pha-đing thực chất được giảm nhẹ khi dùng
nhiều anten. Khi một anten bị biến chất trong anten mảng, thì sẽ cần đến các anten
còn lại. Do đó, ngõ ra của anten mảng sẽ tốt hơn theo thời gian. Do đó, có một yếu
tố làm giảm margin để chống lại hiệu ứng pha-đing, được gọi là “độ lợi phân tập”

ngoài độ lợi về khoảng cách. Độ lợi này tùy thuộc vào khả năng mất kết nối, mức
xử lý hiệu ứng pha-đing cần thiết, và số lượng anten. Đơn giản là, các hệ thống
anten thông minh làm tăng độ phủ sóng và hiệu quả về phổ của hệ thống không dây,
mặc dù có một số mối liên hệ giữa chi phí, độ phủ sóng, và dung lượng còn lại
trong hệ thống vô tuyến.
2.3 Anten thông minh trong các trạm di động
Với sự ra đời của các ứng dụng di động có tốc độ cao, người ta mong đợi rằng dung lượng
đường downlink của hệ thống CDMA 3G càng cao càng tốt. Do đó, điều quan trọng là phát
minh ra các phương pháp có thể làm tăng dung lượng đường downlink để đáp ứng nhu cầu
ngày càng tăng này. Có thể gia tăng chất lượng bằng việc phân tập trong hệ thống vô tuyến, kỹ
thuật này rất phổ biến và được dùng trong các hệ thống cellular trong nhiều thập niên tại các bộ
thu trạm gốc. Tuy nhiên việc ứng dụng tính phân tập vô tuyến này vẫn chưa thể thực hiện vì một
số lý do. Rào cản quan trọng nhất là việc thực hiện kỹ thuật phân tập sẽ tăng tính phức tạp và chi
phí cho các trạm nền. Lý do thứ hai là các điện thoại cho hệ thống cellular còn chưa thịnh hành,
dẫn đến thực tế rằng các lợi nhuận có thể thu được từ các thiết bị đó sẽ phụ thuộc vào kỹ thuật
hiện có. Các mạng CDMA cố định sẽ thu lợi nhuận cao nếu có bất kỳ can nhiễu nào được giảm,
thậm chí nếu chỉ một phần nhỏ người dùng điện thoại di động có bộ thu phân tập. Việc tăng
dung lượng đường downlink cũng sẽ đơn giảm tỉ lệ với phần trăm thiết bị điện thoại cao cấp (vd:
điện thoại có trang bị bộ thu phân tập). Vì một bộ thu đôi sẽ cần lượng công suất phát trạm nền
nhỏ hơn, do đó sẽ cho phép nhiều kết nối đồng thời hơn nhằm tăng giới hạn của phổ và công suất
phát trung bình. Dung lượng đường downlink của một hệ thống CDMA sẽ tỉ lệ nghịch với công
suất phát trạm gốc cần thiết để duy trì mức dịch vụ cho mỗi người dùng cho trước. Để có thể điều
khiển công suất, trạm gốc (hoặc nhiều trạm gốc trong trường hợp chuyển vùng mềm) sẽ hiệu
chỉnh phần công suất phát đến mỗi thuê bao để duy trì mức dịch vụ cho trước. Tỉ số năng lượng
mỗi bit thông tin so với tổng mật độ nhiễu và can nhiễu là

Eb
; đây là thông số then chốt mô tả
Nt

chất lượng của bất kỳ hệ thống thông tin số nào. Khi biết được dạng truyền và cách thức thu tín
hiệu, giá trị

Eb
sẽ xác định mức sai số của đường truyền số và là hàm theo đặc tính kênh truyền.
Nt

Trong hệ thống CDMA, giá trị này cần phải thay đổi để theo kịp tốc độ sai số qua các điều kiện
kênh truyền khác nhau. Điều này có thể được thực hiện thông qua bộ điều khiển công suất vòng
bên ngoài, nó sẽ thiết lập giá trị cần thiết dựa trên chất lượng dịch vụ mong muốn. Độ lợi xử lý

Trang xx


được ký hiệu là PG =

W
, là tỉ số giữa tốc độc chip trải phổ và tốc độ bit tín hiệu. Khi cho sẵn
Rb

băng thông tín hiệu, W sẽ cố định [VD: 1.2288 Mcps với sóng mang 1.25-MHz (đối với IS-95 hoặc
CDMA2000) hoặc 3.84 Mcps với sóng mang 5-MHz đối với hệ thống WCDMA]. Chú ý rằng tốc độ
bit Rb sẽ thay đổi theo loại dịch vụ (VD: các dịch vụ thoại trong CDMA2000 có thể dùng các bộ mã
hóa tiếng nói có tốc độ khác nhau, có Rb bằng 9600 bps, 4800 bps, 2400 bps và 1200 bps, suy ra
độ lợi xử lý là 128, 256, 512 và 1024, tương ứng, hoặc các ứng dụng tốc độ dữ liệu cao khoảng
153.6 Kbps đối với hệ thống 1XRTT và 3.1 Mbps đối với hệ thống 1XEV-DV). Các hệ thống WCDMA
hiện tại có tốc độ đường downlink là 64, 128, 256, hoặc 384 Kbps. Ký hiệu công suất phát tổng của
trạm gốc là Ior và công suất pháy của trạm gốc theo lưu lượng hoặc kênh chỉ định đối với thuê bao
thứ i là Ec. Khi đó phần công suất phát cấp cho người dùng thứ i là

 Ec 
 ÷ Phần công suất này thay đổi theo thời gian và quá trình điều khiển công suất. Cuối cùng,
 I or  i
SINR là ký hiệu của tỉ số tín hiệu trên can nhiễu, nó là hàm theo vị trí của thuê bao di động trong
khu vực được phủ sóng và theo các điều kiện kênh truyền tương ứng. Mối quan hệ giữa các
thông số đã đề cập trên cho thuê bao thứ i khi đó sẽ bằng

Eb W  Ec 
= .  ÷ .SINR
N t Rb  I or  i

(2.8)

Từ đó ta có phần công suất phát được cấp cho thuê bao thứ i là

 Ec  Rb Eb 1
 ÷= . .
 I or i W N t SINR

(2.9)

Đối với dịch vụ thoại, phần công suất này cũng là hàm theo hệ số hoạt động thoại v như sau

 Ec  Rb Eb 1
.v
 ÷= . .
 I or i W N t SINR

(2.10)

Biểu thức (2.10) cho rằng mỗi thuê bao di động chỉ có một kênh lưu lượng duy nhất từ trong
một sector. Khi các thuê bao chuyển giao mềm hơn (có các tuyến đang hoạt động đến từ các
sector cùng thuộc 1 trạm gốc) hoặc chuyển giao mềm (các tuyến đang hoạt nằm ở các trạm gốc
khác nhau), công suất tổng cần cho thuê bao đó sẽ phụ thuộc vào trạng thái chuyển giao hiện tại.
Giả sử thuê bao nằm trong Ns sector đang hoạt động và được kiểm soát bởi đồng thời N s sector
đó, thì công suất cần thiết sẽ là

 Ec  Rb Eb 1
.v.N s
 ÷= . .
 I or  i W Nt SINR
Giá trị kỳ vọng hoặc trung bình

(2.11)

Ec
sẽ thành
I or

Trang xxi


 E   R E
 1 
E  c ÷  = b . b .E. 
.v.N s
 SINR 
 I or i  W N t

(2.12)

Vì số lượng tuyến hoạt động bị giới hạn bởi công suất của trạm gốc, nên ta có thể tính trung bình
số lượng thuê bao có thể được hỗ trợ trong một sector hay còn gọi là dung lượng vector như
sau

N max_ users =

1 − ( Ec / I or ) Tot _ Overhead
 E  
E  c ÷ 
 I or i 

(2.13)

Dễ thấy rằng phần công suất cấp phát cho thuê bao càng nhỏ thì số lượng thuê bao được hỗ trợ
sẽ càng tăng. Một phương pháp để làm giảm trị trung bình của

Ec
là định dạng búp sóng đường
I or

downlink bằng cách sử dụng các anten mảng tại trạm gốc. Như đã thảo luận ở chương trước,
khoảng cách FDD trong hệ thống CDMA sẽ cải thiện chất lượng trong điều kiện tốt nhất khi các
trọng số đường downlink được tính dựa trên các đại lượng đường lên. Cách khác để khắc phục
vấn đề này là dùng các trạm gốc có trang bị nhiều anten. Kỹ thuật này sẽ loại bỏ điều kiện mà để
ước lượng kênh truyền downlink chính xác tại trạm gốc vì việc này có thể được gán cho MS, do nó
có mọi thông tin cần thiết để ước lượng ma trận tương quan đường downlink một cách chính
xác.
2.3.1 Các kỹ thuật kết hợp
Sau đây là tổng quan về một vài phương pháp có kết hợp có thể áp dụng và các MS.

2.3.1.1 Phân tập lựa chọn
Kỹ thuật kết hợp phân tập này thường dùng 2 anten. Đối với một thuật toán thực tế, việc
chất lượng bị giảm là tùy thuộc vào phần đầu của hệ thống chuyển mạch.
2.3.1.2 Kết hợp tỉ số tối đa (MRT)
Trong hệ thống MRT, các anten được nối nhau để làm tối đa độ nhạy khi giả sử rằng nhiễu
và can nhiễu mà 2 anten thu được có tương quan chéo thấp. Những trọng số đã áp và ngõ vào
của các anten này là một hàm theo SNR thu được.
2.3.2 Định dạng búp sóng thích nghi hay việc kết hợp tối ưu
Đây là hệ thông kết hợp tối ưu nhất, trong đó 2 anten được kết hợp khi biết đầy đủ tính
tương quan can nhiễu giữa chúng. Vì mục tiêu là làm giảm can nhiễu và làm tăng SINR, nên việc lái
không có thể được thực hiện để làm giảm hoặc triệt can nhiễu bị phát hiện bởi MS. Tuy nhiên,
việc lái không có thể sẽ không được dùng trong trường hợp này do kích thước giới hạn của MS.
Các kỹ thuật kết hợp tối ưu (OC) như thế là hoạt động dựa theo các bài toán kiểu Wiener-Hopf,
và kết quả là tạo ra một MMSE hoặc làm tối đa SINR, do đó sẽ thích hợp hơn. Trong phần còn lại
của mục này, ta sẽ chỉ ra tại sao đây là trường hợp gián tiếp mô phỏng và nghiên cứu một số đặc
tính anten mảng có liên quan. Ta biết rằng một anten mảng M phần tử có thể làm không M-1 can

Trang xxii


nhiễu ở cả hai hướng LOS và môi trường đa đường. Tăng anten mảng có thể tách và kết hợp các
tín hiệu có khoảng cách không gian gần nhai như trường hợp trong môi trường pha đinh đa
đường miễn là băng thông anten mảng nhỏ hơn AS của các đường thu được. Chất lượng của
anten mảng tăng theo M, lớn hơn AS, và đặc hơn các tín hiệu đa đường. Tại MS, khi cho phổ
công suất phương vị có mật độ đều qua 360 0, thì kết quả AS là 1040. Hình 2.12 biểu diễn việc định
dạng búp sóng anten mảng ứng với các khoảng cách phần tử anten nhỏ của các mảng broadside
2, 3, và 4 phần tử. Qua đồ thị ta thấy rằng khi M = 3 và 4, thì băng thông sẽ nhỏ hơn AS
(1040), thậm chí khi khoảng cách d nhỏ hơn. Còn trường hợp M = 2, ta chú ý rằng các giá trị lớn
hơn d (khoảng 0.3λ) sẽ cần phải có băng thông cần thiết hơn.
Để so sánh các kỹ thuật kết hợp tối ưu này với nhau theo các thông số như tỉ số SINR tối đa

với việc lái không, ta sẽ xem xét cả hai trường hợp LOS và pha đinh đa đường. Ta có

WNSH = [ 1 0 ... 0 ] A−1
T

(2.14)

Hình 2.12 Độ rộng búp sóng 3-dB như là một hàm theo khoản cách giữa các
phần tử cho trường hợp M = 2, 3 và 4
Trong khi vector trọng số tối ưu lấy từ chỉ tiêu SINR cực đại là

Wopt = K SINR RN−1 A

(2.15)

Với A là ma trận lái có các cột là các vector lái mảng (theo LOS) hoặc các ký hiệu

Trang xxiii


theo không gian (đa đường). Sao khi đã lái không, ngõ ra anten mảng sẽ bằng

y ( t ) = sd ( t ) + w H N ( t )

(2.16)

Khi đó SINR tại ngõ ra anten mảng sau khi lái không là

SINRNS

σ s2
= 2 H
σNw w

(2.17)

2
2
Với σ S là công suất tín hiệu và σ N là phương sai của nhiễu. Mặt khác, SINR tại ngõ ra anten

mảng là kết quả của việc tối đa SINR là
−1
SINROC _ LOS = σ s2 a H ( θ d ) RIN
a ( θd )
−1
SINROC _ NLOS = σ s2 AH ( θ d ) RIN
A

(2.18)
(2.19)

Với NLOS tượng trưng cho trường hợp đa đường, θ d là DOA của tín hiệu mong muốn, A là ký
hiệu của vector không gian của thuê bao mong muốn, và RIN là ma trận tương quan nhiễu cộng.
Để so sánh chất lượng của 2 kỹ thuật này, có nhiều mô phỏng được thực hiện trong các môi
trường khác nhau, với các khoảng cách phần tử, số tí hiệu đa đường, và DOA của tín hiệu mong
muốn và can nhiễu khác nhau. Hình 2.13 và 2.14 so sánh SINR thu được khi dùng mảng 2 phần
tử trong môi trường LOS đối với d = 0.5λ và 0.2λ, tương ứng, đối với một tín hiệu mọng muốn tại
00 và một can nhiễu tại 30.
Hình 2.15 và 2.16 mô tả chất lượng tín hiệu khi một tín hiệu mong muốn và một tín hiệu can
nhiễn đều có 2 đường đến.

Sau cùng là hình 2.17 và 2.18 so sánh chất lượng của tín hiệu khi tín hiệu mong muốn và tín
hiệu can nhiễu đều có 4 đường đến.
Qua kết quả trên, ta thấy tín hiệu mong muốn và tín hiệu can nhiễu đều có cùng công suất,
5000 mẫu được dùng tại mỗi điểm dữ liệu, và SINR trung bình là một hàm theo SNR ngõ vào.
Trong trường hợp đa đường, cho rằng các đường khác nhau có pha ngẫu nhiên trên dưới [0.2π].
Từ các đồ thị này, ta có thể kết luận rằng kỹ thuật SINR tối đa lái không rất tốt đối với SNR thấp
bất chấp môi trường truyền ra sao. Đó là do quá trình làm tối đa SINR, tương đương với việc duy
trì độ lợi cao tại hướng tín hiệu mong muốn trong khi vẫn tính đến tín hiệu nhiễu cộng (tối đa hóa
S và thối thiểu hóa N), việc đó sẽ có hiệu quả hơn là chỉ làm giảm can nhiễu (giảm I). Đối với SNR
cao, vì S đã thực sự cao, nên cả 2 kỹ thuật đều đạt được chất lượng như nhau. Thực tế, chất
lượng tín hiệu sẽ như nhau khi khi SNR vượt qua một ngưỡng rất cao nào đó. Điều này là do
khi SNR tăng, và ta giả sử rằng can nhiễu và tín hiệu mong muốn có công suất giống nhau, nên
việc giảm hay làm không can nhiễu sẽ làm tăng đáng kể SINR (bằng cách giảm I). Trong các điều
kiện này, sẽ rất có lợi để làm không hoặc giảm can nhiễu bởi vì công suất tín hiệu là đã cao hơn
nhiều tín hiệu nhiễu rồi và vì vậy sẽ không cần thiết phải tăng độ lợi theo hướng tín hiệu mong
muốn. Ở phần trước có đề cập rằng kỹ thuật kết hợp tối ưu như SINR tối đa hoặc MMSE được

 Ec  
÷
 I or i 

chọn qua việc lái búp hoặc lái không để làm tăng chất lượng mong muốn là E 

Trang xxiv


Hình 2.13 INR tối ưu có lái không, M = 2, tín hiệu mong muốn tại 0 0, can nhiễu
tại 30, d = λ / 2 , theo hướng LOS

Hình 2.14 INR tối ưu có lái không, M = 2, tín hiệu mong muốn tại 0 0, can nhiễu

tại 30, d = 0.2λ , theo hướng LOS

Trang xxv