Phân tích và thiết kế anten cho điện thoại di động 4g

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------ĐẶNG NHƯ ĐỊNH

PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ ANTEN CHO ĐIỆN THOẠI
DI ĐỘNG 4G

Chuyên ngành : Kỹ Thuật Điện Tử Viễn Thông

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
Kỹ Thuật Điện Tử Viễn Thông

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
PGS. TS. ĐÀO NGỌC CHIẾN

Hà Nội – 2011


LỜI CAM ĐOAN
Luận văn này được hoàn thành sau một thời gian nghiên cứu và tìm hiểu các
nguồn tài liệu đã học, sách báo chuyên ngành cũng như các thông tin trên Internet
mà theo tôi là hoàn toàn tin cậy. Tôi xin cam đoan luận văn này không giống với bất
kỳ công trình nghiên cứu hay luận văn nào trước đây mà tôi đã biết.
Hà Nội, ngày 10 tháng 10 năm 2011
Người thực hiện

Đặng Như Định

1

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... 1
MỤC LỤC ................................................................................................................... 2
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ......................................................................... 4
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ..................................................................... 5
LỜI MỞ ĐẦU ............................................................................................................. 8
Chương 1 GIỚI THIỆU ............................................................................................ 10
1.1 Hiện trạng của bài toán ............................................................................... 10
1.2 Hướng đi cho tương lai ............................................................................... 11
1.2.1 Hệ thống vô tuyến toàn cầu .................................................................. 11
1.2.2

Các yêu cầu về tốc độ dữ liệu ............................................................... 12

1.2.3 Mạng truy nhập vô tuyến ...................................................................... 12
1.3 Kết quả mong đợi ....................................................................................... 13
Chương 2 CÔNG NGHỆ 4G VÀ HỆ THỐNG MIMO ............................................ 14
2.1 Công nghệ di động thế hệ thứ 4 (4G) ......................................................... 14
2.1.1 Giới thiệu .............................................................................................. 14
2.1.2 Đặc điểm chính của công nghệ LTE-Advanced .................................. 14
2.1.3 Kết luận ................................................................................................. 21
2.2 Khái niệm và mô hình hệ thống MIMO ..................................................... 21
2.2.1 Định nghĩa và đặc điểm ........................................................................ 21
2.2.2 Những hạn chế của kênh truyền không dây.......................................... 22
2.2.3 Ưu điểm của hệ thống MIMO .............................................................. 24
2.2.4 Hệ thống đa ănten và ảnh hưởng tương hỗ ........................................... 25
2.2.5 Kỹ thuật phân tập anten ........................................................................ 29
2.2.6 Kết luận ................................................................................................. 31
Chương 3 THIẾT KẾ ANTEN VI DẢI MIMO CHO CÔNG NGHỆ 4G ................ 32

3.1 Thiết kế anten với phần mềm HFSS .......................................................... 32

2


3.1.1

Lý thuyết trường điện từ ứng dụng trong Anten................................... 32

3.1.2 Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) .................................................. 35
3.1.3 Phần mềm mô phỏng Ansoft HFSS ...................................................... 37
3.2 Thiết kế anten vi dải MIMO ứng dụng cho công nghệ 4G........................ 42
3.2.1 Các thông số về anten cho hê thống MIMO ......................................... 42
3.2.2 Hướng tiếp cận thiết kế anten MIMO một phần tử bức xạ với nhiều
đường tiếp điện.................................................................................................. 43
3.2.3

Quá trình thiết kế và phân tích .............................................................. 44

3.2.4 Phân tích mô hình chế tạo anten và các kết quả đo đạc........................ 70
3.2.5 Kết luận ................................................................................................. 74
KẾT LUẬN ............................................................................................................... 75
PHỤ LỤC .................................................................................................................. 78

3


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

MIMO

Multi Input Multi Output

LTE

Long Term Evolution

IMT

International Mobile Telecommunications

WCDMA

Wideband Code division multiple access

WLAN

Wireless Local Area Network

3GPP

3rd Generation Partnership Project

OFDMA

Orthogonal frequency-division multiplexing

SC-FDMA

Single-carrier Frequency Division Multiple Access

WiMAX

Worldwide Interoperability for Microwave Access

TDD

Time-Division Duplex

FDD

Frequency-division duplexing

HSPA

High Speed Packet Access

UE

User Equipment

SNR

Signal-to-noise ratio

ISI

Inter-Symbol Interference

CCI

Co-channel interference

AOA

Angles of Arival

FEM

Finite Element Method

HFSS

High Frequency Structure Simulation

EMI/EMC

Electromagnetic interference /Electromagnetic compatibility

EBG

Electromagnetic band gap

4


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1: Sự phát triển của các hệ thống tế bào .......................................................11
Hình 1.2: Hệ thống vô tuyến toàn cầu ......................................................................12

Hình 1.3: Cấu hình hệ thống tế bào 4G.....................................................................13
Hình 2.1: Ví dụ về khối kết tập sóng mang ..............................................................16
Hình 2.2: Khối anten MIMO 2×2 .............................................................................18
Hình 2.3: Truyền dẫn đa điểm phối hợp ...................................................................19
Hình 2.4: Chuyển tiếp trong LTE-Advanced ............................................................21
Hình 2.5: Hệ thống MIMO .......................................................................................22
Hình 2.6: Mô hình (a) MMA và (b) MEA ................................................................25
Hình 2.7: Các nguyên nhân gây tương hỗ................................................................26
Hình 2.8: Các quá trình gây nhiễu giữa liên chấn tử ................................................27
Hình 2.9: Hàm tương quan giữa các anten thành phần như là hàm của khoảng cách
theo bước sóng ...................................................................................................28
Hình 3.1: Hình vẽ phân cách hai môi trường ............................................................34
Hình 3.2: Cách chia phần tử hữu hạn trong HFSS: (a) thành các tam giác trên bề
mặt, (b) thành các tứ diện trong không gian ba chiều ........................................38
Hình 3.3: Mô hình mô phỏng ....................................................................................41
Hình 3.4: Anten MIMO thông dụng và anten MIMO có đa đầu vào .......................44
Hình 3.5: So sánh về hệ số tăng ích giữa hai ăng ten có cùng kích thước nhưng khác
nhau về cách tiếp điện ........................................................................................45
Hình 3.6: Mô hình anten vi dải .................................................................................45
Hình 3.7: Cấu trúc đường tiếp điện vi dải .................................................................47
Hình 3.8: Mô hình anten MIMO một phần tử bức xạ ...............................................48
Hình 3.9: Mật độ dòng điện của anten khi được tiếp bởi (a) đường tiếp điện bên trái
và (b) đường tiếp điện bên phải..........................................................................48
Hình 3.10: Bộ lai 900 .................................................................................................49

5


Hình 3.11: Mô hình mô phỏng bộ lai 900 .................................................................50
Hình 3.12: Ma trận tán xạ S tính theo dB .................................................................50

Hình 3.13: S12, S13 tính theo độ ..............................................................................51
Hình 3.14: Bộ Crossorver được ghép bởi hai bộ lai 900 ...........................................51
Hình 3.15: Bộ Crossover biến đổi .............................................................................52
Hình 3.16: Công cụ tính toán trở kháng vào của đường truyền vi dải ......................53
Hình 3.17: Cấu hình bộ Crossover ............................................................................53
Hình 3.18: Tham số tán xạ S của bộ Crossover ........................................................54
Hình 3.19: Mật độ dòng bề mặt tại a) 2.05GHz và b) 1.92GHz ...............................55
Hình 3.20: Bộ Crossover với cấu trúc Ground Defected ..........................................56
Hình 3.21: Mô hình đường truyền với Defected Ground và sơ đồ tương đương .....57
Hình 3.22: Phân bố mật độ dòng điện của mô hình bộ Crossover với cấu trúc
Defected Ground khi được tiếp điện tại (a) Port 1, và (b) Port 2 .......................57
Hình 3.23: Tham số tán xạ S của bộ Crossover với cấu trúc Ground Defected .......58
Hình 3.24: Tối ưu với các kích thước khác nhau của cấu trúc Defected Ground .....59
Hình 3.25: Mật độ dòng điện bề mặt tại 1.92GHz tại a) Mô hình không có cấu trúc
Defected Ground và b) Mô hình có cấu trúc Defected Ground .........................60
Hình 3.26: Mô hình anten được đề xuất ...................................................................62
Hình 3.27: Ma trận tán xạ S ......................................................................................63
Hình 3.28: Đồ thị phương hướng bức xạ trong các mặt phẳng tại (a) 1.92 GHz, (b)
2.05 GHz và (c) 2.17 GHz..................................................................................64
Hình 3.29: Đồ thị phương hướng bức xạ trong không gian 3 chiều khi tiếp port bên
phải tại các tần số a) 1.92GHz và b)2.05GHz ....................................................65
Hình 3.30: Hệ số tăng ích đỉnh .................................................................................65
Hình 3.31: Mô hình bẻ góc 450 của đường vi dải .....................................................66
Hình 3.32: Hệ số tổn hao ngược của anten khi thay đổi L1......................................67
Hình 3.33: Hệ số S12&S21 của anten khi thay đổi L1 .............................................67
Hình 3.34: Mật độ dòng điện của anten khi được tiếp điện tại 2.05GHz bởi (a)
đường tiếp điện bên trái và (b) đường tiếp điện bên phải ..................................68

6

Hình 3.35: Đồ thị phương hướng bức xạ trong mặt phẳng xoy tại (a) tần số 1.92
GHz với đường tiếp điện bên phải, (b) tần số 1.92 GHz với đường tiếp điện bên
trái, (c) tần số 2.05 GHz với đường tiếp điện bên phải, (d) tần số 2.05 GHz với
đường tiếp điện bên trái, (e) tần số 2.17 GHz với đường tiếp điện bên phải và
(f) tần số 2.17 GHz với đường tiếp điện bên trái ...............................................69
Hình 3.36: Mô hình chế tạo anten .............................................................................70
Hình 3.37: Kết quả đo đạc của anten ở (a) Port 1, và (b) Port 4 ...............................73

 
 
 
 

7


LỜI MỞ ĐẦU

Trong kỹ thuật truyền thông có hai vấn đề cần phải quan tâm, đó là tốc độ dữ
liệu và độ tin cậy truyền tin. Đặc biệt với truyền thông không dây thì hai vấn đề này
có vai trò hết sức rất quan trọng, mọi thiết kế đều phải dựa trên hai thông số cơ bản
này, làm sao cho tốc độ dữ liệu ngày càng tăng và độ tin cậy ngày càng cao. Nhưng
bên cạnh đó, truyền thông không dây lại gặp phải hai hiện tượng gây nhiều trở ngại
đến chất lượng, đó là phading và giao thoa giữa các ký hiệu. Để nâng cao tốc độ
truyền dữ liệu thì cần phải có băng thông lớn nhưng điều này bị hạn chế bởi dải tần
số là một tài nguyên khan hiếm. Đồng thời, muốn cải thiện nâng cao chất lượng tín
hiệu và giảm ảnh hưởng của phading thì máy phát phải đạt công suất đủ lớn hoặc
tăng kích thước anten để duy trì hiệu suất bức xạ. Tuy nhiên, đối với những thiết bị
di động cầm tay như điện thoại di động, máy tính xách tay có kích thước nhỏ gọn

thì không thể áp dụng được phương pháp này. Hiện nay, hệ thống anten sử dụng
nhiều phần tử bức xạ ở cả phía phát và phía thu hay còn gọi là kỹ thuật đa đầu vào
đa đầu ra (kỹ thuật MIMO) đang được ứng dụng khá phổ biến trong truyền thông vô
tuyến. Kỹ thuật này đem lại nhiều ưu thế về chất lượng truyền tín hiệu cũng như tốc
độ truyền tải dữ liệu và khắc phục được đáng kể những nhược điểm của hệ thống
truyền thông vô tuyến.
Và trong khi công nghệ di động thế hệ thứ 3 (3G) vẫn đang tìm kiếm thị trường
để đưa vào ứng dụng rộng rãi thì các nhà nghiên cứu đã bắt tay vào việc nghiên cứu
công nghệ di động băng rộng thế hệ thứ tư (4G). 4G là một thế hệ tiếp theo của
công nghệ hiện đang sử dụng ở các mạng điện thoại di động có khả năng truyền tải
các dữ liệu, âm thanh, hình ảnh với chất lượng cao. Với 4G, các nhà thiết kế kỳ
vọng sẽ có thể cho phép các thiết bị di động chuyển vùng (roaming) tự động qua các
công nghệ không dây khác nhau. Các chuẩn quốc tế cũng đang được hình thành,
trong đó có chuẩn LTE Advanced (Long-term-evolution Advanced) là sự phát triển
của LTE để tiến lên IMT – Advanced (International Mobile Telecommunications

8


Advanced). LTE-Advanced sẽ tương thích thuận - nghịch với LTE, nghĩa là các
thiết bị LTE sẽ hoạt động ở cả mạng LTE Advanced mới và các thiết bị LTEAdvanced cũng hoạt động ở cả các mạng LTE cũ. Theo đó, hệ thống LTE
Advanced sẽ được hỗ trợ hoạt động trong nhiều băng tần khác nhau của LTE ứng
với từng khu vực khác nhau trên thế giới. Hiện tại, các nước thuộc khu vực Nhật
Bản, Châu Âu, Châu Á dải tần hoạt động của hệ thống 1920-1980 MHz cho hướng
lên và 2110-2170 MHz cho hướng xuống là tiêu chuẩn để xây dựng một hệ thống
UMTS IMT. Và trong tương lai hệ thống LTE Advanced sẽ kế thừa dải tần hoạt
động này cũng như có thể bổ sung thêm băng tần cho mình. Song song với đó, là
việc thiết kế anten MIMO cho hệ thống 4G sẽ gặp nhiều khó khăn và thách thức.
Vấn đề đầu tiên đặt ra là kích thước anten phải nhỏ gọn, đạt được yêu cầu của các
nhà sản xuất thiết bị di động khi tích hợp vào thiết bị, sản phẩm. Hơn nữa, trong hệ

thống nhiều phần tử bức xạ, ảnh hưởng tưỡng hỗ giữa chúng là đáng kể, hiện tượng
này cần phải được giảm thiểu để nâng cao độ ổn định và hiệu suất bức xạ của hệ
thống. Vì vậy, tôi đã chọn đề tài: “Phân tích và thiết kế anten cho điện thoại di
động 4G” nhằm giải quyết những vấn đề nêu trên, đồng thời mong muốn tìm ra
hướng nghiên cứu mới cho công nghệ thiết kế, chế tạo anten ở Việt Nam.

9


Chương 1
Giới thiệu

1.1

Hiện trạng của bài toán
Thế giới đang bước vào kỷ nguyên hội tụ của thông tin di động, máy tính và

Internet. Điều này đã và đang tạo nên một xã hội đa phương tiện băng rộng. Các hệ
thống tế bào hiện nay (thường hiểu là các hệ thống 2G) tuy đã được tối ưu hoá cho
các dịch vụ thoại thời gian thực nhưng chúng có khả năng rất hạn chế trong việc
cung cấp các dịch vụ đa phương tiện băng rộng bởi vì chúng có tốc độ truyền dữ
liệu chậm và màn hiển thị nhỏ. Các hệ thống IMT-2000, hay gọi là các hệ thống 3G,
đang trong quá trình phát triển với tốc độ dữ liệu nhanh hơn lên tới 384kbit/s
(2Mbit/s về sau) và có màn hiển thị tốt hơn các hệ thống 2G. Thông tin truyền qua
Internet sẽ ngày càng phong phú hơn. Các dịch vụ đa phương tiện băng rộng chẳng
bao lâu nữa sẽ tràn đầy trong mạng cố định dựa trên công nghệ Internet thế hệ tiếp
theo. Tuy nhiên, khả năng của các hệ thống 3G không thể đáp ứng được nhu cầu
ngày càng tăng của các dịch vụ đa phương tiện băng rộng. Điều này đặt ra là phải
có một hệ thống thông tin mới có khả năng đáp ứng được các nhu cầu của truyền
thông đa phương tiện.

Các hệ thống tế bào đã mở ra một thời kỳ tiến bộ trong công nghệ vô tuyến và
những thay đổi trong nhu cầu của người sử dụng như trong hình 1.1. Hình 1.1 chỉ ra
sự tiến hoá của các hệ thống tế bào từ 1G đến 4G. Cùng với sự bùng nổ của lưu
lượng Internet trong mạng cố định, yêu cầu cho các dải dịch vụ đang trở nên mạnh
mẽ hơn thậm chí trong các mạng thông tin di động. Hệ thống tế bào 4G sẽ hỗ trợ tốc
độ dữ liệu cao hơn các hệ thống tế bào 3G (W-CDMA, CDMA2000).
Tuy nhiên, các hệ thống mà hỗ trợ các dịch vụ dữ liệu tốc độ cực cao (ví dụ
1Gbit/s) thường không có khả năng cung cấp một vùng bao phủ toàn quốc. Những

10


nơi mà người sử dụng yêu cầu các dịch vụ dữ liệu tốc độ cực cao có thể là các khu
vực điểm nóng (hot spot) nhỏ, gia đình, chợ, các nhà ga, sân bay, khách sạn… Do
vậy không thể nào xây dựng được một siêu hệ thống vô tuyến để đáp ứng được mọi
nhu cầu. Một vấn đề quan trọng là làm sao xây dựng được một hệ thống cho phép
người sử dụng các dịch vụ đa phương tiện băng rộng cho cả những người sử dụng
di động và những người di cư khắp mọi nơi.

Hình 1.1: Sự phát triển của các hệ thống tế bào.
1.2

Hướng đi cho tương lai

1.2.1 Hệ thống vô tuyến toàn cầu
Một giải pháp tốt cho vấn đề nêu trên đó là đưa ra một hệ thống vô tuyến toàn
cầu có thể kết nối một cách hiệu quả nhiều mạng vô tuyến riêng (ví dụ các hệ thống
tế bào 2G/3G/4G, WLAN, các hệ thống quảng bá…), được tối ưu hoá tới các môi
trường truyền thông khác nhau, sử dụng công nghệ Internet băng rộng. Khái niệm
này cho phép mỗi hệ thống vô tuyến phát triển độc lập với các hệ thống khác như

trong hình 1.2. Các hệ thống tế bào cung cấp vùng bao phủ rộng, trong khi hệ thống
WLAN sẽ chỉ bao phủ các khu vực điểm nóng nhưng với tốc độ dữ liệu cao hơn
nhiều các hệ thống tế bào. Các hệ thống quảng bá có thể có vùng bao phủ rộng để
cung cấp cho người dùng di động và di cư với các chương trình video và ca nhạc
chất lượng cao một chiều. Sự kết hợp ngày càng gần của các hệ thống tế bào,

11


WLAN, quảng bá và các hệ thống vô tuyến khác sẽ là hết sức quan trọng để cung
cấp các dịch vụ toàn quốc.

Hình 1.2: Hệ thống vô tuyến toàn cầu.
1.2.2 Các yêu cầu về tốc độ dữ liệu
Nhu cầu về tải số lượng lớn thông tin ngày càng tăng và sẽ trở nên cao hơn.
Ghép dữ liệu mềm dẻo nhiều dải tốc độ thông tin lớn hơn các hệ thống vô tuyến 3G
hiện nay là yêu cầu cho các liên kết đường xuống (trạm gốc tới máy di động). Yêu
cầu đặt ra cho các tốc độ dữ liệu có thể là:
- Các điểm nóng và môi trường đông dân cư: 100M đến 1Gbit/s.
- Môi trường phương tiện vận tải: ~100Mbit/s.
Do giới hạn của nhiều băng tần hiện nay, các hệ thống yêu cầu phải có hiệu suất
phổ rất cao. Để đạt được điều này, các hệ thống anten đa đầu vào, đa đầu ra
(MIMO) sẽ đóng một vai trò quan trọng.
1.2.3 Mạng truy nhập vô tuyến
Lưu lượng gói sẽ thống trị lưu lượng chuyển mạch kênh trong tương lai gần.
Hình 1.3 đưa ra một khái niệm về cấu hình mạng tế bào 4G. Phần vô tuyến của
mạng sẽ gần với một mạng WLAN, nhưng với sự quản lý tính di động vùng rộng
như trong các hệ thống tế bào 2G/3G. Các hệ thống tế bào yêu cầu nhiều chức năng
kiểm soát cuộc gọi và cơ sở dữ liệu được phân phối. Tất cả các chức năng này sẽ

12


được liên kết qua mạng toàn IP. Lưu lượng thoại sẽ được truyền như các gói IP
nhưng làm cách nào để đảm bảo các yêu cầu QoS khác nhau và giảm trễ là vấn đề
kỹ thuật chính mà các hệ thống 4G phải đối mặt.

Hình 1.3: Cấu hình hệ thống tế bào 4G.
1.3

Kết quả mong đợi
Luận văn này hướng tới phát triển, nghiên cứu, thiết kế một hệ thống anten

hoàn chỉnh ứng dụng cho công nghệ MIMO 4G. Khi đó chỉ tiêu thiết kế sẽ là: thiết
kế anten MIMO hoạt động tốt ở dải tần 1.9GHz – 2.2GHz, đồng thời phải giảm tác
động tương hỗ giữa các phần tử riêng lẻ của anten.
Quá trình thiết kế sẽ gặp nhiều trở ngại trước tiên là việc lựa chọn loại anten
phù hợp nhất đáp ứng được những yêu cầu như giá thành rẻ, dễ chế tạo, băng thông
rộng, tính tích hợp cao cho các thiết bị di động. Sau đó là giai đoạn áp dụng một số
phương pháp kỹ thuật để điều chỉnh các thông số anten: hệ số tổn hao ngược, bức
xạ đẳng hướng …và cuối cùng là ghép các anten để trở thành một hệ thống hoàn
chỉnh trong khi vẫn đảm bảo các thông số anten thay đổi trong điều kiện cho phép.
Sau đây chúng ta sẽ đi sâu tìm hiểu chi tiết hơn về mặt lý thuyết của công nghệ
4G và MIMO, từ đó tạo nên hướng thiết kế cho hệ thống anten.

13


Chương 2
Công nghệ 4G và hệ thống MIMO

2.1

Công nghệ di động thế hệ thứ 4 (4G)

2.1.1 Giới thiệu
Trong khi các công nghệ di động thế hệ thứ 3 (3G) vẫn đang tìm kiếm các thị
trường để đưa vào ứng dụng rộng rãi thì các nhà nghiên cứu đã bắt tay vào việc
nghiên cứu công nghệ di động băng rộng thế hệ thứ tư (4G). 4G là một thế hệ tiếp
theo của công nghệ hiện đang được sử dụng ở các mạng điện thoại di động có khả
năng truyền tải các dữ liệu, âm thanh và hình ảnh với chất lượng cao. Với 4G, các
nhà thiết kế kỳ vọng sẽ có thể cho phép các thiết bị di động chuyển vùng (roaming)
tự động qua các công nghệ không dây khác nhau. Ở đây, ta sẽ tập trung giới thiệu
về công nghệ tiềm năng LTE-Advanced, công nghệ 4G của tương lai.
2.1.2 Đặc điểm chính của công nghệ LTE-Advanced
a) Tổng quan về LTE-Advanced
LTE-Advanced là sự tiến hóa trong tương lai của công nghệ LTE, công nghệ
dựa trên OFDMA này được chuẩn hóa bởi 3GPP trong phiên bản (Release) 8 và 9.
LTE-Advanced, dự án được nghiên cứu và chuẩn hóa bởi 3GPP vào năm 2009 với
các đặc tả được mong đợi hoàn thành vào quý 2 năm 2010 như là một phần của
Release 10 nhằm đáp ứng hoặc vượt hơn so với những yêu cầu của thế hệ công
nghệ vô tuyến di động thế hệ thứ 4 (4G) IMT-Advanced được thiết lập bởi ITU.
LTE-Advanced sẽ tương thích ngược và thuận với LTE, nghĩa là các thiết bị LTE sẽ
hoạt động ở cả mạng LTE Advanced mới và các thiết bị LTE-Advanced sẽ hoạt
động ở cả các mạng LTE cũ.
Gần đây, ITU đã đưa ra các yêu cầu cho IMT-Advanced nhằm tạo ra định nghĩa
chính thức về 4G. Thuật ngữ 4G sẽ áp dụng trên các mạng tuân theo các yêu cầu

14

của IMT-Advanced xoay quanh báo cáo ITU-R M.2134. Một số yêu cầu then chốt
bao gồm:
-

Hỗ trợ độ rộng băng tần lên đến và bao gồm 40 MHz.

-

Khuyến khích hỗ trợ các độ rộng băng tần rộng hơn (chẳng hạn 100 MHz)

-

Hiệu quả sử dụng phổ tần đỉnh đường xuống tối thiểu là 15 b/s/Hz (giả sử sử
dụng MIMO 4x4)

-

Hiệu quả sử dụng phổ tần đỉnh đường lên tối thiểu là 6,75 b/s/Hz (giả sử sử
dụng MIMO 4x4)

-

Tốc độ thông lượng lý thuyết là 1,5 Gb/s (trong phiên bản trước đây, 1Gb/s
thường được coi là mục tiêu của hệ thống 4G).

Hiện tại chưa có công nghệ nào đáp ứng những yêu cầu này. Nó đòi hỏi những
công nghệ mới như là LTE-Advanced và IEEE 802.16m. Một số người cố gắng dán
nhãn các phiên bản hiện tại của WiMAX và LTE là 4G nhưng điều này chỉ chính
xác đối với phiên bản tiến hóa của các công nghệ trên, chẳng hạn LTE-Advanced,

còn LTE chỉ có thể gọi với cái tên không chính thức là 3,9G. LTE sử dụng kỹ thuật
đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao OFDMA ở đường xuống. Trong khi đó,
ở đường lên, LTE sử dụng kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số - đơn sóng
mang SC-FDMA. Một số tính năng khác của LTE:
-

Tốc độ số liệu đỉnh đường xuống lên đến 326Mb/s với độ rộng băng tần 20
MHz

-

Tốc độ số liệu đỉnh đường lên lên đến 86,4 Mb/s với độ rộng băng tần 20
MHz

-

Hoạt động ở cả chế độ TDD và FDD.

-

Độ rộng băng tần có thể lên đến 20 MHz bao gồm cả các độ rộng băng 1,4;
3; 5; 10; 15 và 20 MHz

-

Hiệu quả sử dụng phổ tăng so với HSPA ở Release 6 khoảng 2 đến 4 lần.

-

Độ trễ giảm với thời gian trễ vòng giữa thiết bị người sử dụng và trạm gốc là

10 ms và thời gian chuyển từ trạng thái không tích cực sang tích cực nhỏ
hơn 100 ms.

15


b) Những công nghệ thành phần đề xuất cho LTE-Advanced
-

Truyền dẫn băng rộng hơn và chia sẻ phổ tần

Mục tiêu tốc độ số liệu đỉnh của LTE-Advanced rất cao và chỉ có thể được thỏa
mãn một cách vừa phải bằng cách tăng độ rộng băng truyền dẫn hơn nữa so với
những gì được cung cấp ở phiên bản đầu tiên của LTE và độ rộng băng truyền dẫn
lên đến 100 MHz được thảo luận trong nội dung của LTE - Advanced. Việc mở
rộng độ rộng băng sẽ được thực hiện trong khi vẫn duy trì được tính tương thích
phổ. Điều này có thể đạt được bằng cách sử dụng “khối kết tập sóng mang” trong
đó nhiều sóng mang thành phần LTE được kết hợp trên lớp vật lý để cung cấp độ
rộng băng cần thiết. Đối với thiết bị đầu cuối LTE, mỗi sóng mang thành phần sẽ
xuất hiện như là một sóng mang LTE trong khi một thiết bị đầu cuối LTEAdvanced có thể khai thác toàn bộ độ rộng băng khối kết tập.
Hình 2.1 minh họa trường hợp các sóng mang thành phần liên tiếp nhau mặc dù
ở khía cạnh băng gốc, điều này không phải là điều kiện tiên quyết. Truy nhập đến
một lượng lớn phổ liên tục ở bậc 100 Mhz không thể có thường xuyên. Do đó, LTEAdvanced có thể cho phép kết tập các sóng mang thành phần không liền kề để xử lý
các tình huống trong đó một khối lượng lớn phổ liên tiếp nhau không sẵn có. Tuy
nhiên, nên lưu ý rằng sự kết tập phổ không liền kề đang là thách thức từ khía cạnh
thực thi. Vì vậy, mặc dù khối kết tập phổ được hỗ trợ bởi các đặc tả cơ bản thì sự
kết tập phổ phân tán chỉ được cung cấp bởi các thiết bị đầu cuối cấp cao nhất.
Cuối cùng, lưu ý rằng truy nhập trên các độ rộng băng truyền dẫn cao hơn
không chỉ hữu ích từ khía cạnh tốc độ đỉnh mà quan trọng hơn là công cụ cho việc
mở rộng vùng phủ sóng với các tốc độ số liệu trung bình.

Hình 2.1: Ví dụ về khối kết tập sóng mang.

16


-

Giải pháp đa anten

Các công nghệ đa anten, bao gồm định dạng chùm và ghép kênh theo không
gian là các thành phần công nghệ then chốt vốn có của LTE và chắc chắn sẽ tiếp tục
đóng một vai trò quan trọng hơn trong LTE-Advanced. Thiết kế đa anten LTE hiện
tại cung cấp lên đến bốn cổng anten với các tín hiệu tham chiếu ô cụ thể tương ứng
ở đường xuống, kết hợp với sự tiền mã hóa dựa trên sổ mã. Cấu trúc này cung cấp
cả sự ghép theo không gian lên đến bốn lớp, đưa đến tốc độ bit đỉnh là 300 Mbit/s
cũng như là định dạng chùm (dựa trên sổ mã). Kết hợp với nhau trên độ rộng băng
toàn phần là 100 MHz, sơ đồ ghép không gian LTE hiện tại sẽ đạt được tốc độ đỉnh
là 1,5 Gbit/s vượt xa so với yêu cầu của LTE-Advanced. Có thể thấy trước rằng hỗ
trợ ghép kênh theo không gian trên đường lên sẽ là một phần của LTE-Advanced.
Việc tăng số lớp truyền dẫn đường xuống vượt xa con số bốn là có khả năng và có
thể được sử dụng như là phần bổ sung đối với sự tăng tốc đỉnh thông qua sự mở
rộng băng tần.
MIMO là một phần tất yếu của LTE để đạt được các yêu cầu đầy tham vọng về
thông lượng và hiệu quả trải phổ. MIMO cho phép sử dụng nhiều anten ở máy phát
và máy thu. Với hướng DL, MIMO 2x2 (2 anten ở thiết bị phát, 2 anten ở thiết bị
thu) được xem là cấu hình cơ bản, và MIMO 4x4 cũng được đề cập và đưa vào
bảng đặc tả kỹ thuật chi tiết. Hiệu năng đạt được tùy thuộc vào việc sử dụng
MIMO. Trong đó, kỹ thuật ghép kênh không gian (spatial multiplexing) và phát
phân tập (transmit diversity) là các đặc tính nổi bật của MIMO trong công nghệ

LTE.
Spatial Multiplexing: Ghép kênh không gian cho phép phát các chuỗi dữ liệu
khác nhau đồng thời nhằm tận dụng triệt để tài nguyên sóng của kênh vô tuyến. Các
chuỗi dữ liệu này có thể là của một người dùng đơn lẻ (single user MIMO hay SUMIMO) hay nhiều người dùng (Multi User MIMO hay MU-MIMO).
Hình 2.2 minh họa đơn giản về đa phân chia theo không gian. Trong ví dụ này,
mỗi anten phát sẽ phát đi một chuỗi dữ liệu khác nhau. Mỗi anten thu có thể nhận
nhiều chuỗi dữ liệu từ cả hai anten phát.

17


Hình 2.2: Khối
K
anten MIMO 2×22.
Transmitt Diversity: Kỹ thuật phân tập đã
đ được biết đến từ WCDMA
W
rellease
99 và cũng sẽ là một phầần của LTE. Thông thư
ường, tín hiệu trước khhi phát đượcc mã
g phân tập. MIMO đượ
ợc sử dụng để khai tháác việc phânn tập
hóaa để tăng hiiệu quả ứng
và mục tiêu làà làm gia tăăng tốc độ. V
Việc chuyểển đổi giữa MIMO truyyền phân tậập và
ghéép kênh khôông gian cóó thể tùy thuuộc vào việcc sử dụng kkênh tần số..
-

Truyền
n dẫn đa điểểm phối hợpp

Mục tiêu về
v tốc độ sốố liệu của L
LTE-Advannced yêu cầuu sự cải thiệện đáng kể về tỉ
lệ tín
t hiệu trênn tạp âm vàà can nhiễu SNR ở thiếết bị đầu cuốối. Định dạn
ng chùm làà một
cácch. Ở các mạng
m
hiện tạại, nhiều annten nằm ph
hân tán về mặt
m địa lý kết
k nối đến một
đơn
n vị xử lý băng
b
gốc trrung tâm đư
ược sử dụnng nhằm đeem lại hiệu quả về chi phí.
Môô hình triển khai thu/phhát đa điểm
m phối hợp với
v quá trìnnh xử lí băngg gốc ở một nút
đơn
n được mô tả ở Hình 2.3.
2 Ở đườnng xuống, nó
n chỉ ra sự phối hợp trruyền dẫn từ
t đa
điểểm truyền dẫn. Phụ thu
uộc vào quyy mô mở rộn
ng, có 3 phư
ương án A, B, C như sau:

s
Ở phương
g án A, thiiết bị đầu ccuối không nhận ra sự
ự truyền dẫẫn xuất pháát từ
nhiiều điểm tácch biệt về mặt
m vật lý. Ở đây, cùnng sử dụng báo cáo đoo đạc và xử lý ở
bộ thu cho truuyền dẫn đơn
đ điểm. M
Mạng có thể dựa trên sự đo đạc suy hao đư
ường
yền đang tồ
ồn tại, quyếết định từ cáác điểm truuyền dẫn nàào để truyềnn đến thiết bbị cụ
truy
thểể. Bởi vì các thiết bị đầu
đ cuối khôông nhận biết
b được sự
ự hiện diện của truyềnn dẫn
đa điểm, các tín hiệu thaam chiếu U
UE cụ thể (sẵn
(
có ở R
Release đầuu tiên của LTE)
L
d
cho việc đánh giá kênh. Ở thiết
t
lập nàyy, truyền dẫẫn đa điểm phối
phảải được sử dụng
hợp
p cung cấp độ lợi phâân tập tươnng tự như ở mạng pháát quảng bá đơn tần vàà kết

quảả là cải thiệện bộ khuếcch đại côngg suất ở mạạng, đặc biệệt ở trong các
c mạng có tải
trọn
ng nhẹ mà ở đó bộ khuuếch đại công suất ở trrạng thái rỗi.


Hìnnh 2.3: Truyyền dẫn đa điểm phối hợp.
Ở phươngg án B, cácc thiết bị đầu cuối cunng cấp thônng tin phảnn hồi trạng thái
kên
nh đến mạn
ng cho tất cả
c các kênhh đường xuống hiển thhị đối với một
m thiết bịị đầu
cuố
ối riêng, troong khi quáá trình xử lí bộ thu vẫn
v giống như
n là cho truyền
t
dẫn đơn
điểểm. Ở phía mạng, bởi vì tất cả cáác xử lí nằm
m trong mộột nút đơn nên
n có thể thực
hiệện phối hợp
p các hoạt động
đ
truyền dẫn nhanhh và động ở các điểm truyền
t
dẫn khác
k
nhaau. Có thể thực

t
hiện tiền lọc tín hiệu truyền
n đi theo khhông gian đến
đ một thiiết bị
riênng để giảm
m can nhiễu giữa những người sử
ử dụng. Loạại truyền dẫẫn đa điểm phối
hợp
p này nói chung
c
có thể cung cấp các lợi íchh tương tự nnhư phươngg pháp A ở trên
như
ưng ngoài việc
v cải thiệện độ mạnhh tín hiệu mong
m
muốn, nó còn choo phép phốii hợp
cann nhiễu giữa những ng
gười sử dụnng để cải thiện hơn nữa SNR. Bở
ởi vì thiết bịị đầu
cuố
ối không nh
hận biết viiệc xử lí chhính xác ở mạng nên cần có cácc tín hiệu ttham
chiiếu UE cụ thhể.
Ở phươngg án C, báo cáo trạng tthái kênh giống như phhương phápp B. Tuy nhhiên,
khôông giống như
n B, thiếtt bị đầu cuốối được cun
ng cấp thônng tin nhận biết truyềnn dẫn
phốối hợp chín
nh xác (từ những điểm
m nào với độ mạnh ttruyền dẫn bao nhiêuu….).

Thô
ông tin nàyy có thể đượ
ợc sử dụng cho việc xử
x lý tín hiệệu thu đượcc ở phía thiiết bị
đầu
u cuối.
m phối hợp chính đòi hhỏi cách ápp dụng xử lí
l tín
Ở đường lên, việc thhu đa điểm
hiệệu thích đánng ở bộ thu. Ở nhiều kkhía cạnh, điều
đ
này tươ
ơng tự như phân tập ô lớn,
vốnn đã sử dụn
ng trong nhiiều hệ thốngg mạng tế bào
b hiện nayy.


-

Các bộ lặp và các bộ chuyển tiếp

Từ việc xem xét quỹ đường truyền, việc triển khai các giải pháp chuyển tiếp
khác nhau nhằm giảm khoảng cách máy phát và máy thu xuống và cho phép tăng
tốc độ số liệu. Các bộ lặp đơn giản sẽ khuếch đại và chuyển đi các tín hiệu tương tự
thu được. Khi được cài đặt, các bộ lặp liên tục chuyển đi tín hiệu thu được mà
không quan tâm đến có thiết bị đầu cuối trong vùng phủ sóng của nó hay không.
Những bộ lặp như vậy không hiển thị đối với cả thiết bị đầu cuối và trạm gốc. Tuy
nhiên, có thể xem xét các cấu trúc bộ lặp cao cấp hơn (chuyển tiếp L1), chẳng hạn
sơ đồ trong đó mạng có thể điều khiển công suất truyền của bộ lặp, chẳng hạn, chỉ

tích cực bộ lặp khi người sử dụng hiện diện trong khu vực được điều khiển bởi bộ
lặp nhằm tăng tốc độ số liệu cung cấp trong khu vực. Các báo cáo đo đạc bổ sung từ
các thiết bị đầu cuối có thể cũng được xem xét như là phương tiện hướng dẫn mạng
mà trong đó các bộ lặp được bật lên. Tuy nhiên, việc điều khiển tái truyền dẫn và
lập biểu thường nằm ở trạm gốc và vì vậy, các bộ lặp thường trong suốt từ khía
cạnh di động.
Nút trung gian cũng có thể giải mã và tái mã hóa bất kì số liệu thu được, ưu tiên
chuyển tiếp nó đến người sử dụng được phục vụ. Đây thường được xem là chuyển
tiếp giải mã hóa-và-truyền tiếp. Khi nút trung gian giải mã hóa và tái mã hóa khối
số liệu thu được thì tạo ra trễ đáng kể, lâu hơn độ dài khung con LTE 1ms. Tuy
nhiên, các nút chuyển tiếp không truyền tiếp các tạp âm và sự thích nghi tốc độ có
thể được thực hiện một cách riêng rẽ cho mỗi kết nối.
Đối với các bộ lặp, tồn tại nhiều tùy chọn khác nhau phụ thuộc vào các tính
năng được hỗ trợ (chẳng hạn, hỗ trợ hơn hai bước nhảy, hỗ trợ cấu trúc mắt lưới)
nhưng ở mức cao, có thể phân biệt hai tầng khác nhau, dựa trên việc truyền tiếp
được thực hiện ở lớp 2 (chuyển tiếp lớp 2) hay lớp 3 (chuyển tiếp lớp 3 hoặc tự
chuyển tiếp (self backhauling))
Mặc dù giống nhau ở nhiều điểm cơ bản (chẳng hạn trễ, không khuếch đại tạp
âm), giải pháp self backhauling không yêu cầu bất kì nút, giao thức hoặc giao diện

20


mới nào để chuẩn hóa bởi vì các giải pháp đang tồn tại được tái sử dụng và do đó có
thể được ưa chuộng hơn trên các kỹ thuật cùng chức năng L2 của chúng.

Hình 2.4: Chuyển tiếp trong LTE-Advanced.
2.1.3 Kết luận
Ở đây, ta đã trình bày sơ lược về lịch sử phát triển, các đặc điểm cơ bản, những
ứng dụng của công nghệ 4GHz. Để thiết kế một anten vi dải đáp ứng đủ yêu cầu

cho công nghệ 4G, ta phải nắm rõ về anten vi dải và các kỹ thuật thiết kế anten di
động. Chương sau sẽ giúp ta hiểu rõ hơn về anten vi dải, ứng dụng của nó, các
nguyên lý và các kỹ thuật cho anten.
2.2

Khái niệm và mô hình hệ thống MIMO

2.2.1 Định nghĩa và đặc điểm
Trong thông tin vô thuyến, MIMO là việc sử dụng nhiều anten ở cả bộ phát và
bộ thu để nâng cao chất lượng truyền tin. Đây là một trong những dạng của công
nghệ anten thông minh.
Hệ thống MIMO là một hệ thống mà máy phát và máy thu đếu sử dụng nhiều
anten. Anten máy phát và anten ở máy thu đều cách nhau ở một khoảng cách nhất
định.
Trong mô hình MIMO, ta giả sử rằng:
- Các symbol

,

,…,

được truyền từ

thời gian cho trước.

21

anten từ những khoảng

Hình 2.5: Hệ thốngg MIMO.
- Máy thu
t thu ở cáác khe thời gian
cácc tín hiệu đư
ược truyền

là sự
s tổng hợpp của
N
và thành phhần AWGN

là các hệ số
s kênh truyyền giữa annten phát thứ
ứ và antenn thu thứ .
-

Mốii quan hệ đầu
đ ra và đầầu vào của hệ thống

đ
antten có thể được

viếtt như sau:
=

+

((2.1)

hay

((2.2)
với

gọi là ma trrận kênh.

2.22.2 Những
g hạn chế của kênh trruyền khôn
ng dây
Việc truyền tín hiệuu RF giữa hhai anten sẽ chịu sự tổn
t thất năăng lượng trong
t
khôông gian. Điều
Đ này làm
m giảm đánng kể đến sự
ự hoạt độngg của đường
g truyền. Sự
ự tổn
thấất năng lượnng giữa máyy phát và máy
m thu là kếết quả của bba hiện tượnng khác nhaau:
-

Sự suy
s giảm phụ thuộc vàào khoảng cách
c
gọi là tổn hao đư
ường truyềnn hay
tổn hao không gian tự do.

-

Sự hấp
h thụ củaa các phân ttử khí quyển
n trái đất.

-

Sự suy
s giảm doo hiện tượnng phađing gây
g ra.


-

Sự hấp thụ của khí quyển là do các electron, phân tử hơi nước không
ngưng và phân tử của các loại khí.

-

Tổn hao đường truyền là sự suy giảm về mặt lý thuyết. Sự tổn hao này
xảy ra dưới điều kiện LOS tự do và tổn hao này tăng theo máy phát và
máy thu.

Phađing là sự suy giảm biến thiên giữa max và min một cách không đều đặn.
Khi thiết bị đầu cuối di chuyển qua một khu vực nào có nhiều chướng ngại vật, có
kích thước khác nhau, ví dụ: đồi, núi, toà nhà, hầm … Những chướng ngại vật này
sẽ che phủ hay cắt hoàn toàn tín hiệu. Mặc dù kết quả của hiệu ứng này phụ thuộc
vào kích cỡ của vật chắn và khoảng cách đến nó. Do vậy, cường độ của tín hiệu thu
được biến thiên một cách tất yếu. Loại phađing này gọi là shadow phađing. Cách
khắc phục là đặt các trạm BS cao và gần nhau thì ta có thể tránh được các vật cản
trong khi truyền dẫn.

Ngoài ra còn có các loại phading khác như: Rayleigh phađing, multipath
phađing, shortterm phađing. Đây cũng là các loại khác của hiện tượng phađing gây
ra sự suy giảm của cường độ tín hiệu thu được.
Rayleigh phađing là kết quả của việc thu vài tín hiệu của máy thu. Các tín hiệu
này được phản xạ từ nhiều vật và nhiều hướng khác nhau trong một khu vực. Do
khoảng cách khác nhau nên các tín hiệu thu được khác nhau về pha nên chúng có
thể làm tăng thêm hay làm triệt tiêu tín hiệu tổng hợp. Sự di chuyển của các thiết bị
đầu cuối cũng gây ra sự biến thiên không thể dự đoán được của pha, tín hiệu theo
thời gian làm cho sự suy giảm biến thiên mạnh. Rayleigh phađing thường có trong
khu vực đô thị. Hiện tượng phađing sâu thường xảy ra ở các vùng tần số cao và khi
các thiết bị di chuyển nhanh. Để tránh hiện tượng phađing sâu thì giá trị trung bình
của các tín hiệu thu được phải cao hơn vài dB so với độ nhạy máy thu.
Nhiễu xuyên Symbol (ISI): vì dải thông của kênh nói chung bị hạn chế và khi
một xung được truyền qua kênh đó thì nó sẽ gây ra sự méo mó tín hiệu đang truyền
trong miền tần số. Tương tự, đó là sự tán sắc của xung theo thời gian và xung của

23


mỗi symbol sẽ tràn sang khoảng thời gian của mỗi symol kế tiếp. Loại nhiễu này
được biết đến là nhiễu xuyên symbol (ISI). Điều này làm gia tăng sắc suất lỗi ở máy
thu trong việc dò tìm symbol. Rõ ràng rằng xung ở dải thông hạn chế được chọn để
truyền dẫn nhằm tránh sự méo trong miền tần số do kênh truyền có giải thông hạn
chế. Tuy nhiên, sự cắt xén dải thông của tín hiệu được truyền lại làm giảm xung
trong miền thời gian. Điều nay sẽ gây ra sự chồng chéo của các symbol.
Nhiễu đồng kênh (CCI): ngoài nhiễu gây ra bởi kênh truyền, một loại nhiễu
khác cũng làm hạn chế hiệu quả hoạt động của hệ thống và công suất của hệ thống
là nhiễu đồng kênh (CCI). CCI tồn tại trong bất kỳ một hệ thống đang truy nhập
nào. Trong TDMA, SDMA, FDMA tần số được tái sử dụng nghĩa là có nhiều
người sử dụng cùng chia sẻ một băng tần ở cùng một thời điểm và do vậy những

người sử dụng cùng kênh chắc chắn tạo ra CCI lẫn nhau. Do vậy cần có sự cân bằng
giữa hiệu suất phổ và hiệu quả hoạt động của hệ thống.
Tạp âm: ví dụ như tạp âm nhiệt làm giới hạn tỷ số SNR.
2.2.3 Ưu điểm của hệ thống MIMO
Công suất cao bit/s/Hz vì với băng thông đắt và hiếm, số lượng các trạm gốc
bị hạn chế, nhờ có việc sử dụng nhiều anten phát và nhiều anten thu làm tăng tốc độ
truyền dữ liệu nhờ vào kỹ thuật phân kênh không gian trong khi đó không cần mở
rộng băng thông.
Chất lượng truyền dẫn tốt hơn hay nói cách khác tỷ lệ lỗi bit BER giảm do sử
dụng nhiều anten bên thu giúp chống được phađing. Và với việc sử dụng kỹ thuật
dãy anten có thể giúp giảm nhiễu.
Độ lợi phân kênh không gian: độ lợi công suất thu được từ việc sử dụng nhiều
anten ở cả hai phía của kênh truyền vô tuyến mà không cần tăng công suất máy phát
hay mở rộng băng tần.
Độ lợi phân tập: Nâng cao độ tin cậy kênh truyền bằng cách phát trùng dữ liệu
trên những nhánh phađing độc lập.
Như vậy SNR đầu ra gấp

lần SNR đầu vào.

24