Ứng dụng kỹ thuật búp sóng sử dụng anten mảng cho hệ thống thông tin tế bào

i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn này là kết quả nghiên cứu của bản thân tôi với sự
hướng dẫn của TS Trịnh Anh Vũ. Nếu có gì sai sót tôi xin chịu hoàn toàn trách
nhiệm.
Hà Nội, tháng 12 năm 2008
Người viết cam đoan

NGUYỄN HÀ DUY


ii

LỜI CẢM ƠN
Em muốn cảm ơn sâu sắc tới TS. Trịnh Anh Vũ – thầy giáo hướng dẫn. Thầy
đã tận tình hướng dẫn, gợi ý cho em hoàn thành luận văn thạc sĩ này. Cảm ơn
những lời nhận xét quý giá của thầy.
Em xin cảm ơn chân thành tới các thầy cô giáo trong Trường Đại học Công
nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội đã giúp đỡ, góp ý cho em trong quá trình thực
hiện luận văn.
Em xin gửi lời cảm ơn tới gia đình và bạn bè, những người đã có nhiều động
viên, khuyến khích em trong cuộc sống cũng như trong học tập.
Cuối cùng, em muốn gửi lời cảm ơn tới tất cả những người đã hỗ trợ và giúp
đỡ em trong quá trình hòan thành quyển luận văn thạc sĩ này.
Hà Nội, tháng 12 năm 2008
Nguyễn H à Duy


iii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................i
LỜI CẢM ƠN ..........................................................................................................ii
MỤCLỤC ................................................................................................................iii
DANH MỤC HÌNH VẼ ….......................................................................................v
DANH MỤC BẢNG ….……….………………………………………….........….vi
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ..………….…………………….........……………....vii
MỞ ĐẦU ………….........………………………………………….........……….....1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT BÚP SÓNG …….........…..……...3
1.1 Giới thiệu………………………...………………………….........…………3
1.2 Tổng quan về kỹ thuật búp sóng ..………………………….............……..5
1.2.1. Kỹ thuật búp sóng……………………………………................…………5
1.2.2. Phân loại các kỹ thuật búp sóng…………………….........…..........……...8
1.3 Ứng dụng của kỹ thuật búp sóng……………...………................………12
1.4 Tổng kết chương ……………………………………....…..........………...15
CHƯƠNG 2. KỸ THUẬT TẠO BÚP SÓNG ……………………...........……...17
2.1 Búp sóng chuyển mạch……………..…………………….…..........……...17
2.2 Búp sóng thích nghi…………………………….…………………………21
2.2.1 Hệ anten mảng tuyến tính…………….………………………………….24
2.2.2 Một bộ tạo búp sóng đơn giản……….…………………………………..27
2.2.3 Tiêu chuẩn tối ưu các trọng số…………………………………………...30
2.2.3.1 Trung bình bình phương phương sai nhỏ nhất (MMSE)……....31
2.2.3.2 Tỷ số tín hiệu trên nhiễu lớn nhất (MSIR)……..................…...34
2.2.3.3 Phương sai nhiễu đầu ra nhỏ nhất (LCMV)……………..….....35
2.2.3.4 Mối liên hệ giữa các tiêu chuẩn ………………..………..……36
2.2.4 Các thuật toán thích nghi …………………..……………………..…….37
2.2.4.1 Thuật toán trung bình bình phương tối thiểu (LMS) ………….38
2.2.4.2 Nghịch đảo ma trận liên hiệp lấy mẫu nhỏ nhất (SMI) .………39
2.2.4.3 Thuật toán bình phương tối thiểu (RLS) ……………………...40

iv

2.3 Tổng kết chương…………………………………………………….…….43
CHƯƠNG 3. ƯỚC LƯỢNG HƯỚNG ĐẾN (DOA)…………………………...44
3.1 Giới thiệu …………………………...…….………………………………44
3.2 Các phương pháp ước lượng DOA truyền thống ……..………….…….46
3.2.1 Phương pháp ước lượng phổ (delay - and - sum) ………..………….…...46
3.2.2 Phương pháp phương sai nhỏ nhất của Capon ………………..….……...49
3.3 Các phương pháp ước lượng DOA dựa trên không gian con ………….51
3.3.1 Thuật toán MUSIC ………………………………………..……………..51
3.3.2 Các thuật toán MUSIC cải tiến ……………..……………………………57
3.3.2.1 Thuật toán Root-MUSIC ………….…….…………….………..57
3.3.2.2 Thuật toán Cyclic-MUSIC ……………..……………….……...58
3.3.3 Thuật toán ESPRIT ...................................................................................60
3.4 Các kỹ thuật giống nhau nhiều nhất (ML: Maximum Likelihood) …...65
3.5 Ước lượng DOA với các tín hiệu có liên quan chặt với nhau .................67
3.5.1 Các kỹ thuật làm mượt không gian ............................................................68
3.5.2 MUSIC đa chiều ........................................................................................70
3.6 Ước lượng số lượng tín hiệu đến ...............................................................71
3.7 Tổng kết chương .........................................................................................73
CHƯƠNG 4. ỨNG DỤNG KỸ THUẬT BÚP SÓNG SỬ DỤNG ANTEN
MẢNG CHO HỆ THỐNG THÔNG TIN TẾ BÀO ............................................75
4.1 Tham số CIR ...............................................................................................76
4.2 Các chương trình mô phỏng tính toán CIR .............................................78
4.3 Các kết quả mô phỏng ...............................................................................83
4.4 Tổng kết chương .........................................................................................87
KẾT LUẬN ............................................................................................................88
TÀI LIỆU THAM KHẢO .....................................................................................90
PHỤ LỤC ................................................................................................................92

v

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1-1. Anten đẳng hướng và mô hình phủ sóng………………………………...4
Hình 1-2. Anten Sector và vùng phủ sóng.................................................................4
Hình 1-3. Vùng phủ sóng của anten sử dụng kỹ thuật búp sóng...............................6
Hình 1-4. Sơ đồ khối của anten mảng M phần tử......................................................7
Hình 1-5. Mô tả kỹ thuật búp sóng chuyển mạch ………………………………….9
Hình 1-6. Mô tả kỹ thuật búp sóng thích nghi ……………………………………10
Hình 1-7. Vùng phủ với hệ anten sử dụng kỹ thuật búp sóng chuyển mạch và búp
sóng thích nghi.........................................................................................10
Hình 1-8. Anten thu phát theo kỹ thuật SDMA…………………………………...13
Hình 2-1. Ma trận Butler tạo 8 búp sóng đầu ra......................................................19
Hình 2-2. Dạng búp sóng đầu ra của ma trận tạo búp Butler tại tần số 2.400 Ghz..19
Hình 2-3. Sơ đồ khối một anten mảng sử dụng kỹ thuật búp sóng thích nghi.........22
Hình 2-4. Phần mềm hệ thống anten mảng sử dụng kỹ thuật búp sóng thích nghi..24
Hình 2-5. Hệ anten mảng tuyến tính........................................................................25
Hình 2-6. Mảng hai phần tử đẳng hướng.................................................................28
Hình 2-7. Hệ thống tạo búp sóng tổng quát.............................................................30
Hình 2-8. Bộ tạo búp sóng thích nghi......................................................................31
Hình 2-9. Sơ đồ thực hiện thuật toán LMS..............................................................39
Hình 2-10. Sơ đồ thực hiện thuật toán RLS..............................................................42
Hình 3-1. Các tín hiệu đến mảng anten với các góc khác nhau ...............................45
Hình 3-2 Sơ đồ bộ tạo búp sóng cổ điển .................................................................47
Hình 3-3 So sánh chất lượng của phương pháp ước lượng phổ và phương pháp
phương sai nhỏ nhất của Capon ..............................................................50
Hình 3-4. So sánh chất lượng của phương pháp phương sai nhỏ nhất của Capon và
thuật toán MUSIC ....................................................................................56

Hình 3-5. Mô hình mảng anten theo thuật toán ESPRIT ……………………….…61
Hình 3-6. So sánh thuật toán MUSIC truyền thống và thuật toán MUSIC sử dụng kỹ
thuật làm mượt không gian trong việc xác định DOA ............................70


vi

Hình 4-1. Sử dụng kỹ thuật búp sóng tại trạm cơ sở trong hệ thống thông tin tế bào
..................................................................................................................76
Hình 4-2. Mối quan hệ giữa trạm cơ sở và trạm di động .........................................78
Hình 4-3. Mô hình xắp xếp các tế bào trong mô hình mô phỏng: (a) 19 tế bào sử
dụng cùng tần số, (b) lựa chọn các tế bào khi kích thước cluster là 7, (c)
lựa chọn các tế bào khi kích thước cluster là 3 ........................................79
Hình 4-4. Biểu đồ quá trình mô phỏng ....................................................................80
Hình 4-5. Vị trí các trạm cơ sở của các tế bào sử dụng cùng tần số ........................81
Hình 4-6. Cải thiện tham số CIR …………………………………………………..84
Hình 4-7. Cải thiện tham số CIR trong trường hợp tính đến hiệu ứng sigma ……..85
Hình 4-8. Cải thiện tỷ số CIR khi đồng thời sử dụng kỹ thuật búp sóng tại trạm di
động và trạm cơ sở ……………………………………………………..86

DANH MỤC BẢNG
Bảng 2-1. Đầu ra ma trận Butler...............................................................................19
Bảng 4-1. Chức năng của các chương trình được sử dụng ......................................78


vii

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
2G

Second-Generation wireless telephone technology - mạng điện thoại
di động thế hệ thứ 2

3G

Third-Generation wireless telephone technology - mạng điện thoại di
động thế hệ thứ 3

ABF

Analog BeamForming – Kỹ thuật búp sóng tương tự

ADCs

Analog Digital Converter – Bộ chuyển đổi tương tự sang số

AIC

Akaike Information theoretic Criteria – Tiêu chuẩn lý thuyết thông tin
của Akaike

AWGN

Additive White Gaussian Noise – Tạp âm trắng cộng

BER

Bit Error Rate – Tỉ lệ lỗi bit

BF

Beamformer – Bộ tạo búp sóng

BFN

BeamForming Network – Mạch định dạng búp sóng

BTS

Base Transceiver Station – Trạm thu phát gốc

CDMA

Code Division Multiple Access – Đa truy nhập phân mã

CIR

Carrier to Interference Ratio - Tỷ số giữa công suất tín hiệu mong
muốn và tổng công suất tín hiệu giao thoa đồng kênh

DAMPS

Digital Advanced Mobile Phone System - Hệ thống điện thoại số

DBF

Digital BeamForming- Kỹ thuật búp sóng số

DFT

Discrete Fourier Transform – Biến đổi Fourier rời rạc

DOA

Direction Of Arrival – Hướng tới

ESPRIT

Estimate of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques Ước lượng tham số tín hiệu thông qua các kỹ thuật bất biến luân phiên

FDMA

Frequency Division Multiple Access - Đa truy cập phân chia theo mã

FFT

Fast Fourier Transform – Biến đổi Fourier nhanh

GSM

Global System for Mobile Communications – Hệ thống GSM


viii

LCMV

Linearly constrained Minimum variance - Phương sai nhiễu đầu ra
nhỏ nhất

LMS

Least Mean Squares - Trung bình bình phương tối thiểu

MDL

Rissanen Minimum Descriptive Length – Tiêu chuẩn MDL của
Rissanen

ML

Maximum Likehood – Giống nhau lớn nhất

MMSE

Minimum Mean Square Error – Trung bình bình phương sai số nhỏ
nhất

MS

Mobile Staion – Máy di động

MSINR

Maximum Signal to Interference ratio - Tỷ số tín hiệu trên nhiễu lớn
nhất

MUSIC

MUltipe Signal Classification – Phân loại tín hiệu đa đường

MVDR

Minimum Variance Distortionless Response - Đáp ứng không méo
phương sai nhỏ nhất

OFDM

Orthogonal Frequency - Division Multiplexing - đa truy nhập theo tần
số trực giao

RAKE

Máy thu RAKE

RLS

Recursive Least Squares - Thuật toán bình phương tối thiểu

SDMA

Spatial Division Multipe Access - Đa truy nhập theo không gian

SH

Sequential Hypothesis – giả thuyết theo dãy

SIR

Signal-to-Interference Ratio – Tỉ số tín hiệu trên nhiễu

SINR

Signal-to-Interference plus Noise Ratio - Tỉ số tín hiệu trên nhiễu và
tạp âm

SMI

Direct Sample Covariance Matrix- Ngịch đảo ma trận liên hiệp lấy
mẫu nhỏ nhất

TD-SCDMA Time Division - Synchronous Code Division Multiple Access - Đa
truy nhập theo mã đồng bộ phân kênh theo thời gian


ix

TDMA

Time Division Multiple Access – Đa truy nhập phân thời gian

TSL

Total Least Squares Criterion - Tiêu chuẩn tổng bình phương nhỏ nhất

UMTS

Universal Mobile Telecommunications System – Hệ thống thông tin
di động UMTS

1
Luận văn Thạc sỹ

MỞ ĐẦU
Các hệ thống thông tin di động tế bào ngày phát triển nhằm phục vụ cho các nhu
cầu về dịch vụ ngày một lớn của khách hàng. Do vậy, các kỹ thuật, công nghệ mới
cần được nghiên cứu và triển khai để đáp ứng những nhu cầu đó. Trong thời gian
gần đây, hệ thống anten sử dụng kỹ thuật búp sóng dùng cho các hệ thống thông tin
di động là một trong những công nghệ được quan tâm nghiên cứu rộng rãi và thu
được những kết quả rất khả quan, bao gồm các thuật toán, các thử nghiệm cho đến
các sản phẩm thương mại. Đến nay, các hệ thống anten sử dụng kỹ thuật này không
còn là một khái niệm xa lạ như vài năm trước đây và được xem như một trong
những công nghệ đầy hứa hẹn cho hệ thống thông tin di động 3G và sau 3G nhằm
đáp ứng yêu mở rộng dung lượng, vùng phủ cũng như tăng chất lượng dịch vụ di
động. Ngoài các phương thức đa truy nhập truyền thống như TDMA, FDMA và
CDMA, với việc sử dụng kỹ thuật búp sóng cho hệ thống anten, hệ thống của chúng
ta có thể hỗ trợ một phương thức đa truy nhập mới, đa truy nhập theo không gian
SDMA, cho phép sử dụng tối đa mọi tài nguyên có thể của một hệ thống truy nhập
vô tuyến (thời gian, tần số, mã và không gian).
Nhận thấy việc ứng dụng kỹ thuật búp sóng trong các hệ thống anten có thể giải
quyết rất tốt việc cải thiện dung lượng cũng như chất lượng của các hệ thống thông
tin di động, nên em đã chọn đề tài: “ứng dụng kỹ thuật búp sóng sử dụng anten
mảng cho hệ thống thông tin tế bào”. Đề tài được bố cục thành 4 chương, với các
nội dung như sau:
Chương 1: Giới thiệu tổng quan về kỹ thuật búp sóng. Chương này trình bày
khái quát về kỹ thuật búp sóng, phân loại các kỹ thuật búp sóng cũng như các ứng
dụng của kỹ thuật búp sóng.
Chương 2: Kỹ thuật tạo búp sóng. Nghiên cứu các kỹ thuật được sử dụng để tạo
búp sóng sử dụng với mảng anten, bao gồm cả búp sóng chuyển mạch và búp sóng

thích nghi. Kỹ thuật tạo búp sóng chuyển mạch đơn giản hơn nhưng kém hơn về độ
tăng ích cũng như chất lượng… Các thuật toán tạo búp sóng thích nghi sử dụng các

Nguyễn Hà Duy – K11 Đ2


81
Luận văn Thạc sỹ

Chương trình mô phỏng gồm hai phần chính là thiết lập các giá trị ban đầu
(Status initialization) và lặp (loop), cụ thể như sau:
[Status initialization]
Đầu tiên, kích thước cluster được quyết định bằng cách thiết lập các tham số I và
J. Kích thước cluster được tính thông qua công thức sau:

I 2 + J 2 + I ⋅ J (4.2)
Ví dụ, khi I=J=1 thì kích thước cluster là 3. Tiếp theo, dựa trên kích thước cluster,
ta quyết định cách sắp xếp các trạm cơ sở (Việc sắp xếp này được đưa ra bởi hai
chương trình set_D.m và stationinit.m. Trong đó, chương trình set_D.m xác định
khoảng cách giữa hai trạm cơ sở của hai tế bào đồng kênh và chương trình
stationinit.m xác định vị trí của các trạm cơ sở này). Kết quả của chương trình
stationinit.m được chỉ ra như hình vẽ 4.5. Chúng ta cũng chọn độ cao của trạm cơ
sở và bán kính của tế bào (ở đây, ta giả sử rằng bán kính tế bào là r = 100 [m]).

Hình 4.5 Vị trí các trạm cơ sở của các tế bào sử dụng cùng tần số

Nguyễn Hà Duy – K11 Đ2


82

Luận văn Thạc sỹ

Thứ hai, ta xác định các đặc điểm của của độ lợi anten tại cả trạm gốc và trạm di
động. Gọi trạm cơ sở và trạm di động của tế bào thứ i lần lượt là Bi và Mi. Trong
chương trình mô phỏng này, ta giả sử:
G HBi (φ ) = G HM i (φ ) = GVBi (φ ) = GVM i (φ ) (i=0,…,18) (4.3)

đối với tất cả các góc đến φ trong trường hợp 2. Mặt khác ta gán các giá trị cụ thể
cho các tham số độ lợi anten trong trường hợp hợp 1, cụ thể là xấp xỉ như sau:

⎧10 log10 cos n (φ ),−π / 2 ≤ φ ≤ π / 2
GHBi (φ ) = ⎨
(4.4)
⎩ x, φ ∉ [− π / 2, π / 2]
Trong đó, x là độ lợi anten theo hướng ngược. Tham số n được sử dụng để xác định
độ rộng búp sóng φ . Giá trị này không quá 3dB. Giá trị của tham số n được xác
định theo công thức sau:
n=

log10 1 / 2
(4.5)
log10 cos(θπ / 180)

Ta có thể dùng công thức (4.4) để xác định các giá trị GHB (φ ) , GHM (φ ) , GVB (φ )
i

i

i

và GVM (φ ) .
i

[Loop]
Vị trí của các trạm di động trong mỗi tế bào được xác định một cách ngẫu nhiên.
Đầu tiên ta tính toán khoảng cách giữa Mi và Bi để xác định công suất yêu cầu Pi
của Mi (i=0,…,18). Bằng cách điều khiển Pi, ta có thể thực hiện kỹ thuật điều khiển
công suất. Kỹ thuật này cũng là một cách có hiệu quả để cải thiện CIR và điều khiển
búp sóng. Sử dụng kỹ thuật này tại mỗi trạm di động có thể điều khiển công suất
truyền sao cho phù hợp với khoảng cách giữa trạm di động và trạm gốc mong
muốn.
Thứ hai, ta tính toán khoảng cách giữa trạm gốc trung tâm B0 và trạm di động Mi
−α
trong tế bào thứ i để tìm mất mát đường truyền d i .

Thứ ba, ta tính các góc theo phương nằm ngang và phương thẳng đứng θ HB ,
i

θ VB từ Bi đến Mi. Trong trường hợp 1, mỗi Mi có một giá trị độ lợi anten lớn nhất
i

Nguyễn Hà Duy – K11 Đ2


83
Luận văn Thạc sỹ

đối với Bi. Cụ thể là G HM có đỉnh khi φ = 0 như theo (4.4), G HM (0) đạt được tại
i

i

hướng θ HB (i = 0,...,18) . Cũng tương tự như vậy, độ lợi lớn nhất theo phương nằm
i

ngang GVM (0) đạt được đối với hướng θ VB . Tiếp theo, ta tính các góc theo các
i

i

phương thẳng đứng và nằm ngang θ HB và θ VB đối với trạm trung tâm B0 và Mj
0

0

(j=1,…18). Sự khác nhau giữa θ HB và θ HB , giữa θ VB và θ VB được sử dụng để tính
i

0

i

0

các giá trị GHM (θ HB ) và GVM (θVB ) .
j

0

j

0

Tương tự như vậy, ta tính các góc theo phương nằm ngang và phương thẳng đứng
θ HM và θVM giữa trạm di động M0 và trạm gốc B0, các giá trị GHB (0) và GVB (0) lớn
0

0

0

0

nhất tương ứng với các góc θ HM và θVM . Tiếp theo, ta tính các góc theo các
0

0

phương thẳng đứng và nằm ngang θ HM và θVM giữa Mj (j=1,…,18) và B0. Sự khác
j

j

nhau giữa θ HM và θ HM , giữa θVM và θVM được sử dụng để tính các giá trị
j

j

0

0

GHB0 (θ HM j ) và GVB0 (θVM j ) .

Cuối cùng, dựa vào công thức (4.1), ta tính được CIR cho đường lên tại trạm gốc
trung tâm cho cả hai trường hợp 1 và 2.
Sau khi kết thúc quá trình lặp (loop), các thống kê về CIR cho cả hai trường hợp
1 và 2 được đưa ra.

4.3 Các kết quả mô phỏng
Hình vẽ 4.6 đưa ra kết quả về việc cải thiện CIR của đường lên tại trạm cơ sở
trung tâm, ta có thể thấy sự khác biệt rất lớn giữa hai trường hợp 1 và 2. Các tham
số dùng trong chương trình mô phỏng này như sau:
• I = 1, J=1;
• G HB (φ ) được xác định theo (4.4), trong đó, x = -100[dB], n=2.41
i

( θ = 60 );
• GVB (φ ) = G HM (φ ) = GVM (φ ) = 0 với mọi góc φ trong trường hợp không
i

i

i

sử dụng kỹ thuật búp sóng;
• Độ lệch chuẩn của hiệu ứng sigma bằng 0;

Nguyễn Hà Duy – K11 Đ2

Thank you for evaluating AnyBizSoft PDF Splitter.
A watermark is added at the end of each output PDF file.

To remove the watermark, you need to purchase the software from

/>