TỔNG QUAN VỀ ANGTEN THÔNG MINH.doc

Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương I. Tổng quan về ănten thông minh
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĂNTEN THÔNG MINH
1.1 Mở 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 ở 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 mở 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.

Đoàn Quang Hà, DLT2004VT3
1
ỏn tt nghip i hc Chng I. Tng quan v nten thụng minh

Phần tử 0
0
W
l
W
1L
W

1
W
Phần tử 1 Phần tử l Phần tử L-1
Hướng truyền sóng
phẳng
0
( )u t
1
( )u t
( )
l
u t
1
( )
L
u t

Mặt pha sóng phẳng

đến phần tử 0
Mặt pha sóng phẳng
đến phần tử l

Bộ thu
Tăng ích biến
đổi và bộ dịch
pha
x

sin

d xcos
=




x
y
z
Mạch kết hợp

Hỡnh 1.1: Dn nten thụng minh
1.2.2 Nguyờn lý hot ng ca nten thụng minh
Lỳc u nten ch n gin l bc x v nhn nng lng nh nhau theo mi hng.
truyn tớn hiu n thuờ bao, nú phỏt súng ng hng theo phng ngang, Khi
truyn tớn hiu nh vy thỡ nú khụng cú ý thc no v vựng lõn cn thuờ bao, nng
lng tớn hiu truyn i mt cỏch phõn tỏn, phn nng lng tớn hiu truyn n thuờ
bao ch l mt phn rt bộ so vi nng lng m nten truyn ra mụi trng xung

quanh.Do hn ch ny m cụng sut tớn hiu phỏt phi ln hn u thu mi nhn mt
nng lng tớn hiu cn thit (SNR ti ni thu ln). Trong trng hp cú nhiu thuờ
bao ng kờnh, khi nõng cụng sut truyn, phn nng lng khụng n c thuờ bao
mong mun li tr thnh ngun nhiu ng kờnh cho cỏc thuờ bao khỏc.
ý tng ca h thng nten thụng minh l th bc x nng lng ti cỏc cell
khụng c nh na m l rt linh hot. H thng nten thụng minh ch tp trung nng
lng v phớa thuờ bao mong mun m nú ang phc v. Mi thuờ bao c phc v
on Quang H, DLT2004VT3
2
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương I. Tổng quan về ănten thông minh
bởi 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.
∆x
x
y
∆φ
x
y
∆y
∆z
∆x
y

x
z
∆x
∆y
x
y
(a) Giµn ®­êng th¼ng (b) Giµn h×nh trßn
(c) Giµn h×nh ch÷ nhËt (d) Giµn h×nh lËp ph­¬ng
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
2 /N
π
∆ Φ =
. 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.
Đoàn Quang Hà, DLT2004VT3
3
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương I. Tổng quan về ănten thông minh
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
),(
φθ
f
là mẫu
bức xạ của mỗi phần tử ănten và
),(
φθ
F
là hệ số dàn thì mẫu bức xạ của dàn,
),(
φθ
G
,
được gọi là mẫu búp sóng được cho bởi phương trình dưới đây:

),(),(),(
φθφθφθ
FfG
=
(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
2/
λ
hướng tại 0
0
và mẫu bức xạ, kết quả của việc kết hợp hai thành phần trên.

Hệ số dàn: Hệ số dàn,
),(
φθ
F
, là mẫu bức xạ trường xa của dàn ănten gồm các phần
tử bức xạ đẳng hướng, trong đó
θ
là góc phương vị và
φ
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.
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 >
2
λ
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
2/
λ
, để
tránh các búp sóng nhiễu xạ . Tuy nhiên, khoảng cách không gian giữa các phần tử lớn
Đoàn Quang Hà, DLT2004VT3
4
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương I. Tổng quan về ănten thông minh
hơn
2/
λ
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.
Biªn ® é (dB )
Gãc (® é)
M Éu p h ¸t x¹,
H Ö sè dµn
M Éu p h Çn tö ,
θ φ
( , )G
θ φ
( , )F
θ φ
( , )f
0 30 60 90 120
150 180 210 240 270 300 330 360
0
-10

-20
-30
-40
-50
-60
θ
Hình 1.3: Hệ số dàn của dàn ănten tuyến tính với khoảng cách ănten là
2/
λ
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 ở hình 1.5. Giả thiết khoảng cách các phần tử dàn là d và mặt sóng
phẳng mở rộng trên dàn tại góc
θ
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
θ
sind
. 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 :

Ll
c
yx

t
ll
l
,....1,
cossin
)(
=
+
=
θθ
θ
(1.2)
Trong đó, c là tốc độ truyền sóng, tức là tốc độ của ánh sáng,
l
x
và
l
y
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 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,
,
( )
l i
x t
, được tạo ra trong phần tử thứ l do nguồn thứ i có thể được biễu diễn
như sau:

( )

,
( ) ( )
l
j t
l i i
x t m t e
ωθ
=
, (1.3)
Đoàn Quang Hà, DLT2004VT3
5
ỏn tt nghip i hc Chng I. Tng quan v nten thụng minh
Khoảng cách phần tử =
Khoảng cách phần tử =
/ 2
/3 2
Biên độ (dB)
Góc (độ)
Hỡnh 1.4: H s dn ca dn nten tuyn tớnh ng nht 8 phn t vi khong cỏch cỏc
nten con l
2/

v 3
2/

.
Vi
)(tm
i
ch hm iu ch phc. Phng trỡnh ny da trờn gi thit bng tn hp

i vi x lý tớn hiu dn, cỏi ny gi thit rng bng tn ca tớn hiu tng i nh,
h s trng s duy trỡ mt bin pha hng xuyờn qua tt c cỏc phn t dn nten.
Gi thit cú M ngun cú hng v tp õm nn ng hng, tớn hiu tng ti phn t
th l l:

( )
( ) ( )
l
M
j t
l i l
i
x m t e n t

=
= +

1
, (1.4)
1 1 1
L

d d

sind
Chuẩn dàn
Hỡnh 1.5: S thu tớn hiu ca dn nten tuyn tớnh khụng gian
on Quang H, DLT2004VT3
6
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương I. Tổng quan về ănten thông minh

Trong đó
( )
l
n t
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
2
n
σ
.
Hệ số dàn
( )F θ
được tính toán như sau:

( )
( )
l
L
j t
l
l
F e
−ω θ
=
θ= ω
∑
1
(1.5)
Trong đó

l
ω
là trọng số phức được áp dụng cho phần tử thứ l để điều khiển búp
sóng ănten trong hướng của
0
θ
. Giá trị lớn nhất của
( )F θ
đạt được khi
0
θθ
=
.
x
1
x
2
L
x
ω
1
ω
2
L
ω
∑
y
Hình 1.6: Bộ tạo búp sóng cộng các tín hiệu phần tử ănten gán trọng số,
thu được tín hiệu y(t) =
∑

=
L
l
l
tx
1
1
*
)(
ω
Xét sóng ở 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
ω
, l = 1,2,...., L và tính tổng để tạo nên đầu ra
của dàn. Đầu ra dàn,
)(ty
ở hình 1.6 tại thời điểm
t
có công thức:

∑
=
=
L
l
ll
txty
1
*

)()(
ω
, (1.6)
Trong đó * chỉ liên hợp phức,
)(tx
l
là tín hiệu đến từ phần tử thứ l của dàn, và
l
ω
là
trọng số được áp dụng cho thành phần thứ l . Các trọng số của bộ tạo búp sóng biễu diễn
như sau:

],...,,[
21 L
ωωωω
=
, (1.7)
Và các tín hiệu thực hiện trong tất cả các thành phần là:
,)](),...,(),([
21
T
L
txtxtxx
=
(1.8)
Đoàn Quang Hà, DLT2004VT3
7