TỔNG QUAN VỀ ĂNTEN THÔNG MINH

TỔNG QUAN VỀ ĂNTEN THÔNG MINH
1.1 M λ đầu
Những năm gần đây, cùng với sự phát triển không ngừng của thông tin di động, công
nghệ ănten trong hệ thống thông tin di động đang rất được quan tâm và đã có nhiều công
trình nghiên cứu nhằm đáp ứng nhu cầu về chất lượng phục vụ cho mạng di động.
Hệ thống ănten thông minh là một trong những thành tựu quan trọng trong công nghệ
ănten với nhiều ưu điểm đã cải thiện đáng kể chất lượng, dung lượng mạng thông tin di
động.
Trong chương này, chúng ta sẽ đi tìm hiểu những nội dung cơ bản nhất của ănten thông
minh và các vấn đề liên quan.
1.2 Hệ thống ănten thông minh
1.2.1 Khái niệm
Ănten thông minh là một hệ thống dàn ănten gồm nhiều phần tử ănten có độ lợi thấp
được bố trí trong không gian theo một trật tự nhất định và kết nối với nhau thông qua một
mạch kết nối. Ănten thông minh có khả năng thay đổi đồ thị bức xạ thu hay phát (hay nói
cách khác là các búp sóng) một cách linh hoạt sao cho thích hợp với môi trường tín hiệu
trong cell di động.
Chức năng của các phần tử ănten là giám sát tín hiệu theo không gian và thời gian.
Khác với ănten thu đơn là chỉ thu cố định tín hiệu λ một vị trí không gian, ănten thông
minh có khả năng thích ứng với các chuyển động cơ học của các thiết bị vô tuyến.
Thường thì thuật ngữ “ănten” chỉ bao gồm chuyển đổi cấu trúc cơ học từ sóng điện từ
tự do sang tín hiệu tần số vô tuyến truyền sóng trong môi trường cáp và ngược lại. Với
ănten thông minh, thuật ngữ “ănten” có ý nghĩa m λ rộng hơn: nó bao gồm một mạng phân
chia hoặc kết hợp và một đơn vị điều khiển (UC- Unit Control). Đơn vị điều khiển thể hiện
sự thông minh của ănten, nó dùng các thuật toán phức tạp để điều khiển ănten. Thông
thường UC là một bộ xử lý tín hiệu số DSP điều chỉnh các tham số của ănten dựa vào
nhiều đầu vào, để tối ưu đường truyền thông tin. Như vậy, ănten thông minh tốt hơn nhiều
so với ănten thông thường nhưng đồng thời nó cũng phức tạp hơn rất nhiều.

Hình 1.1: Dàn ănten thông minh
1.2.2 Nguyên lý hoạt động của ănten thông minh

Lúc đầu ănten chỉ đơn giản là bức xạ và nhận năng lượng như nhau theo mọi hướng.
Để truyền tín hiệu đến thuê bao, nó phát sóng đẳng hướng theo phương ngang, Khi truyền
tín hiệu như vậy thì nó không có ý thức nào về vùng lân cận thuê bao, năng lượng tín hiệu
truyền đi một cách phân tán, phần năng lượng tín hiệu truyền đến thuê bao chỉ là một phần
rất bé so với năng lượng mà ănten truyền ra môi trường xung quanh.Do hạn chế này mà
công suất tín hiệu phát phải lớn hơn đầu thu mới nhận đủ một năng lượng tín hiệu cần thiết
(SNR tại nơi thu đủ lớn). Trong trường hợp có nhiều thuê bao đồng kênh, khi nâng công
suất truyền, phần năng lượng không đến được thuê bao mong muốn lại tr λ thành nguồn
nhiễu đồng kênh cho các thuê bao khác.
ý tư λng của hệ thống ănten thông minh là đồ thị bức xạ năng lượng tại các cell không
cố định nữa mà là rất linh hoạt. Hệ thống ănten thông minh chỉ tập trung năng lượng về
phía thuê bao mong muốn mà nó đang phục vụ. Mỗi thuê bao được phục vụ b λi một đồ thị
bức xạ của riêng nó. Trước đây, chỉ có trạm gốc mới có khả năng tích hợp ănten thông
minh, các thuê bao vẫn phát và nhận năng lượng một cách đẳng hướng. Nhưng với những
nghiên cứu mới đây, ănten thông minh đã được đưa vào sử dụng tại máy cầm tay. Và đây
cũng chính là một trong những nội dung mà đồ án đi vào nghiên cứu.
1.2.3 Cấu trúc sắp xếp của các phần tử ănten
Vị trí của các phần tử ănten luôn đóng một vai trò quan trọng trong việc tạo ra chất
lượng của đồ thị bức xạ. Một đồ thị bức xạ đạt chất lượng cao trong ănten thông minh là
búp sóng chính lớn hơn rất nhiều so với các búp phụ khác và hướng về phía thuê bao mong
muốn, các nút sóng chỉ về phía các thuê bao nhiễu đồng kênh trong cell đó.
Hình 1.2: Các loại cấu trúc ănten thông minh
Cấu trúc dàn đường thẳng : Đây là cấu trúc thông dụng nhất vì nó đơn giản, được sử
dụng khi BS được chia thành nhiều vùng phủ sóng hình quạt. Trong cấu trúc này, khoảng
cách giữa các phần tử là x. Búp sóng chính của hệ thống có thể phủ sóng trong một hình
quạt.
∆
Cấu trúc dàn hình tròn: Các phần tử ănten tạo với tâm hệ thống một góc .
Búp sóng chính của đồ thị bức xạ phủ toàn vùng ngang.
Cấu trúc dàn chữ nhật và cấu trúc dàn lập phương: Điều khiển búp sóng theo cả hai

phương dọc và ngang. Hai cấu trúc này cần thiết cho môi trường truyền sóng phức tạp (đô
thị đông đúc). Về mặt lý thuyết nếu hệ thống có L phần tử ănten, có thể tạo L-1 nút sóng
hướng về phía các thuê bao nhiễu đồng kênh trong cell.Tuy nhiên trong môi trường đa
đường thì con số này có thể nhỏ hơn.
1.2.4 Các tham số dàn ănten
Dưới đây là một số các định nghĩa được sử dụng để mô tả hệ thống ănten:
Mẫu bức xạ: Mẫu bức xạ của một ănten là sự phân phối tương đối công suất bức xạ
như một hàm hướng trong không gian. Mẫu bức xạ của một ănten là kết quả của một mẫu
phần tử và hệ số dàn, hai cái này được định nghĩa bên dưới. Nếu là mẫu bức xạ
của mỗi phần tử ănten và là hệ số dàn thì mẫu bức xạ của dàn, , được gọi
là mẫu búp sóng được cho b λi phương trình dưới đây:
(1.1)
Hình 1.3 là một ví dụ của đáp ứng phần tử ănten đã được cách điệu hoá, một hệ số dàn
của dàn ănten tuyến tính 8 phần tử với một khoảng cách giữa các ănten phần tử là
hướng tại 0
0
và mẫu bức xạ, kết quả của việc kết hợp hai thành phần trên.
Hệ số dàn: Hệ số dàn, , là mẫu bức xạ trường xa của dàn ănten gồm các phần tử
bức xạ đẳng hướng, trong đó là góc phương vị và là góc ngẩng.
Búp sóng chính: Búp sóng chính của một mẫu bức xạ ănten là búp sóng chứa hướng
của công suất bức xạ lớn nhất.
2 / N
π
∆Φ =
),(
φθ
f
),(
φθ
F

),(
φθ
G
),(),(),(
φθφθφθ
FfG
=
2/
λ
),(
φθ
F
θ
φ
Búp sóng phụ: Búp sóng phụ là các búp sóng không tạo thành búp sóng chính. Chúng
cho phép các tín hiệu được nhận theo các hướng khác hướng của búp sóng chính do đó, các
búp sóng này là không mong muốn nhưng không thể tránh khỏi.
Độ rộng búp sóng: Độ rộng búp sóng của một ănten là độ rộng góc của búp sóng chính.
Độ rộng búp sóng 3 dB là độ rộng góc giữa các điểm trên búp sóng chính đạt giá trị 3 dB
bên dưới đỉnh của búp sóng chính. Độ rộng búp sóng nhỏ hơn là kết quả của một dàn có
kích thước rộng hơn nghĩa là khoảng cách giữa hai phần tử xa nhất của dàn.
Hiệu suất ănten: Hiệu suất ănten là tỉ số của tổng công suất bức xạ của ănten trên tổng
công suất đầu vào ănten.
Búp sóng nhiễu xạ: Khi khoảng cách giữa các phần tử dàn ănten d > thì xảy ra hiện
tượng lấy mẫu không gian của sóng mang tần số vô tuyến nhận được, gây ra hiện tượng tối
đa thứ cấp, được gọi là các búp sóng nhiễu xạ, xuất hiện trong mẫu bức xạ, chúng ta có thể
thấy trong hình 1.4. Hiện tượng lấy mẫu không gian dẫn đến sự không rõ ràng trong hướng
của các tín hiệu đến, điều này có nghĩa là xuất hiện những bản sao của búp sóng chính
trong những hướng không mong muốn. Hiện tượng búp sóng nhiễu xạ trong lấy mẫu
không gian tương tự với hiệu ứng gán biệt danh trong lấy mẫu thời gian. Do đó khoảng

cách d giữa các phần tử trong dàn phải được chọn nhỏ hơn hoặc bằng , để tránh các
búp sóng nhiễu xạ . Tuy nhiên, khoảng cách không gian giữa các phần tử lớn hơn sẽ
cải thiện giải pháp không gian cho dàn ănten, tức là giảm độ rộng búp sóng 3dB như trong
hình 1.4, và giảm tính tương quan giữa các tín hiệu đến tại các phần tử ănten.
2
λ
2/
λ
2/
λ
Hình 1.3: Hệ số dàn của dàn ănten tuyến tính với khoảng cách ănten là được
định hướng tại 0
0
, đáp ứng của mỗi phần tử dàn ănten và mẫu bức xạ do kết hợp cả hai
điều kiện trên.
1.3 Mô hình tín hiệu
Xét một dàn ănten gồm L thành phần ănten vô hướng đặt tại vùng xa của một nguồn điểm
hình sin như λ hình 1.5. Giả thiết khoảng cách các phần tử dàn là d và mặt sóng phẳng m λ
rộng trên dàn tại góc đối với pháp tuyến dàn, mặt sóng đến phần tử thứ l+1 trước khi đi
đến phần tử thứ l . Khi đó, khoảng cách mà mặt sóng phải đi từ phần tử thứ l+1 đến phần
tử thứ l là . Tuy nhiên, đối với một dàn gồm L phần tử tuỳ ý, giả thiết điểm có độ
trễ bằng không, thì các độ trễ tương ứng là :
(1.2)
Trong đó, c là tốc độ truyền sóng, tức là tốc độ của ánh sáng, và là toạ độ x và y
của phần tử thứ l đối với điểm gốc có toạ độ (0,0). Thuật ngữ cosin phụ do độ lệch y có thể
2/
λ
θ
θ
sind

Ll
c
yx
t
ll
l
,....1,
cossin
)(
=
+
=
θθ
θ
l
x
l
y
có từ toạ độ x của các phần tử dàn bằng 0, và do đó bị loại bỏ, như trong hình 1.5. Tín hiệu,
, được tạo ra trong phần tử thứ l do nguồn thứ i có thể được biễu diễn như sau:
, (1.3)
Hình 1.4: Hệ số dàn của dàn ănten tuyến tính đồng nhất 8 phần tử với khoảng cách
các ănten con là và 3 .
Với chỉ hàm điều chế phức. Phương trình này dựa trên giả thiết băng tần hẹp đối
với xử lý tín hiệu dàn, cái này giả thiết rằng băng tần của tín hiệu tương đối nhỏ, để hệ số
trọng số duy trì một biến pha hằng xuyên qua tất cả các phần tử dàn ănten.
Giả thiết có M nguồn có hướng và tạp âm nền đẳng hướng, tín hiệu tổng tại phần tử thứ
l là:
, (1.4)
,

( )
l i
x t
( )
,
( ) ( )
l
j t
l i i
x t m t e
ω θ
=
2/
λ
2/
λ
)(tm
i
( )
( ) ( )
l
M
j t
l i l
i
x m t e n t
ω θ
=
= +
∑

1
Hình 1.5: Sơ đồ thu tín hiệu của dàn ănten tuyến tính không gian
Trong đó là thành phần tạp âm ngẫu nhiên trên phần tử ănten thứ l, gồm có tạp
âm nền và tạp âm điện. Giả thiết tạp âm trắng có bình phương trung bình bằng 0 và
phương sai .
Hệ số dàn được tính toán như sau:

(1.5)
Trong đó là trọng số phức được áp dụng cho phần tử thứ l để điều khiển búp sóng
ănten trong hướng của . Giá trị lớn nhất của đạt được khi .
( )
l
n t
2
n
σ
( )F
θ
( )
( )
l
L
j t
l
l
F e
− ω θ
=
θ = ω
∑

1
l
ω
0
θ
( )F
θ
0
θθ
=
Hình 1.6: Bộ tạo búp sóng cộng các tín hiệu phần tử ănten gán trọng số,
thu được tín hiệu y(t) =
Xét sóng λ băng tần hẹp, như thấy λ hình 1.6, trong đó tín hiệu từ mỗi phần tử được
nhân lên b λi một trọng số phức, , l = 1,2,...., L và tính tổng để tạo nên đầu ra của dàn.
Đầu ra dàn, λ hình 1.6 tại thời điểm có công thức:
, (1.6)
Trong đó * chỉ liên hợp phức, là tín hiệu đến từ phần tử thứ l của dàn, và là
trọng số được áp dụng cho thành phần thứ l . Các trọng số của bộ tạo búp sóng biễu diễn
như sau:
, (1.7)
Và các tín hiệu thực hiện trong tất cả các thành phần là:
(1.8)
∑
=
L
l
l
tx
1
1

*
)(
ω
l
ω
)(ty
t
∑
=
=
L
l
ll
txty
1
*
)()(
ω
)(tx
l
l
ω
],...,,[
21 L
ωωωω
=
,)](),...,(),([
21
T
L

txtxtxx
=