Ứng dụng thuật toán music trong định huớng sểng đến đối với hệ Anten mảng trền

1

DAI HOC QUOC GIA HA NOI
TRUONG DAI HOC CéNG NGHE

TA THI MAI

UNG DUNG THUAT TOAN MUSIC TRONG
DINH HUONG SéNG DEN DOI VOI HE ANTEN
MANG TREN

LUAN VAN THAC SI

HA NOI
- 2011


LỜI MỞ ĐẦU
Anten thông minh là một công nghệ mới

cải thiện đáng kể dung lượng,

chất lượng của hệ thông không dây trong mơi trường truyền thơng có tỉ số tín
hiệu trên tạp âm thấp. Hệ thống anten thông minh

với thuật tốn MUSIC

phân bố trịn (UCA)

kết hợp

xác định hướng sóng đến (DOA) một cách chính xác dù

các góc tới rất gần nhau hay các góc tới xác định trong khoảng từ 0° đến 3607
thì phơ của chúng cũng khơng bị chồng lấn (điều này khơng có được từ hệ thơng

ULA).

Đề tài này tìm hiểu về lý thuyết các hệ thống anten thơng minh, các phép
tốn xử lý đối với anten thơng minh, và ứng dụng của thuật toán MUSIC để xác
định hướng sóng đến (DOA ) đối với hệ anten phân bố trịn (UCA) mơ phỏng hệ
thơng ULA và UCA bằng phần mềm matlab từ đó rút ra ưu điểm của hệ thơng

UCA với tiêu đề là::

“Ứng dụng tht tốn MUSIC

định hướng sóng

đến đối với hệ anten mảng trịn “,
Với mục đích như trên, nội dung luận văn được chia thành 3 chương:

Chương 1: Tổng quan anten thông minh
—

Giới thiệu tông quan hệ thơng anten thơng minh, mơ hình tốn học của hệ
anten thông minh.

-

Giơi thiệu một số hệ thống anten thông minh.

Chương 2: Các kĩ thuật xử lý đối với hệ anten théng minh.
Trình bày hai kỹ thuật xử lý là:
-

Kỹ thuật phân tập

—

Kỹ thuật tạo búp sóng

Chương 3: Ứng dụng tht tốn MUSIC định hướng sóng đến đối với hệ
anten mang tron
—

Giới thiệu thuật tốn MUSIC

- Mơ phỏng ứng dụng của thuật tốn MUSIC đối với hệ thơng ULA và
UCA.


3
CHƯƠNG 1. TONG QUAN ANTEN THONG MINH

1.1. Mỡ đầu.
Anten thông minh là một hệ thống gồm nhiều phân tử anten kết hợp với

các thuật tốn xử lý tín hiệu đề tối ưu hóa phát xạ và/hoặc thu nhận tự động đáp
ứng với mơi trường tín hiệu. Anten đóng vai trị là bộ phát tới mơi trường bên
ngồi và ngược lại đến bộ thu từ mơi trường bên ngồi. Tín hiệu đến các phần tử

anten được tính tốn và xử lý giúp anten xác định được hướng của nguôn tin

hiệu đến. Cơng việc tính tốn này địi hỏi thời gian thực để anten thơng minh có
thể bám theo ngn tín hiệu khi nó dịch chuyên.
1.2. Sơ đồ khối hệ thống anten thơng minh [8].

RE

ap

Module

Converter

| «xX
T

: [

`

M\

t

afm

a

|W,

|

RE

Module

i

AND

Coriverter

—4

sí

_->

}

i

Vụ

Beamformer

Hỡnh 1-1. Sœ đồ khối tổng quỏt của một anten thụng minh.
Hinh 1-1. Ta thay tín hiệu đến các phần tử anten, được biến đôi từ tín hiệu
tương tự sang tín hiệu số, sau đó được nhân với một bộ trọng số rồi tong lại để

được các tín hiệu lối ra. Chính các bộ trọng số này giúp cho anten có thể tập
trung bức xạ theo hướng mong muốn. Bằng cách sử dụng các thuật toán thích
nghỉ trong q trình beamforming (búp sóng thích nghỉ), bộ trọng số này ln
được

cập nhật để anten thơng

minh

có thể bám

theo người

dùng khi họ di

chuyến.
Biên độ của trọng số quyết định búp sóng chính và búp sóng phụ (side
lobe level).


4
Pha của bộ trọng số quyết định hướng của búp sóng chính.
Anten thơng minh là một trong những xu hướng được quan tâm nhiều
trong những năm gần đây. Với những ứng dụng trong các hệ thơng tin vơ tuyến,
nó có thê cải thiện chất lượng tín hiệu, tăng dung lượng, mở rộng phạm vi hoạt
động của hệ thông. Với những ứng dụng trong các hệ thông Rađa, định vị, điện

thoại 3G, GSM... anten thông minh cho phép nâng cao khả năng phát hiện mục
tiêu, nâng cao độ chính xác xác định tọa độ và tạo thêm những khả năng mới mà

các hệ thơng bình thường khơng có được.
1.3. So sánh anten thông minh và anten thường [8].
Một anten thông minh bao gồm nhiều phần tử anten. Tín hiệu đến các
phân tử này được tính tốn và xử lý giúp anten xác định được hướng nguồn tín
hiệu, tập trung bức xạ theo hướng mong muốn và tự điều chỉnh theo sự thay đơi

của mơi trường tín hiệu. Cơng việc tính tốn này đòi hỏi thực hiện theo thời gian
thực để anten thơng minh có thể bám theo nguồn tín hiệu khi nó chun động.
Với tính chất như vậy anten thơng minh có khả năng giảm thiểu ảnh hưởng đa

đường và can nhiễu.

Hõnh 1-2.Vựng bức xạ của anten thường v

anten thụng minh

Từ hình 1-2 ta có thể thay sự khác biệt giữa vùng bức xạ của hệ

thống anten thường và anten thông minh. Anten thơng minh có những búp sóng
hẹp hơn và có tính định hướng cao hơn so với anten thường.

ƯUu điểm của anten thông minh so với anten thường:


5

> Cải thiện chất lượng tín hiệu hệ thống truyền thông vô tuyến bằng
cách triệt can nhiễu, loại bỏ hiệu ứng đa đường và thu/ phát đứng
hướng mong muốn.

> Cải thiện dung lượng hệ thống đo khă năng sử dụng lại tần số trong
cùng một cell.
> Công suất phát thấp cho phép thời gian sử dụng năng lượng lâu hơn

do đó có thể giảm kích thước và khối lượng của các thiết bị đầu
cuỗi và làm giảm ảnh hưởng đến các kênh lân cận.
> Anten thơng minh thích hợp với hầu hết các hệ thống truyền thông
vô tuyên hiện nay.
* Mơ hình tốn của hệ thơng anten tuyến tính thơng minh.
Z4

Hõnh 1-3.Mụ hỡnh đóy anten tuyến tớnh cỏch đều nhau
œ: Góc phương vị
0: Góc ngâng của mặt phăng sóng tới trên dãy anten.
Đê đơn giản hóa việc phân tich day anten, ta giả thiệt:
> Khoảng cách giữa các phần tử anten là đủ nhỏ để khơng có sự thay
đơi nào về biên độ giữa các tín hiệu được nhận tại từng phần tử của
anten.

> Khơng có sự kết nỗi tương hỗ giữa các anten.
> Tất cả những trường sóng tới đều có thể chia thành một lượng các
mặt phẳng sóng rời rạc. Như vậy số tín hiệu đến anten là hữu hạn.



Mặt súng

đên phân tử
“®

Ad = mAx.cos®.sing

= MAx.cosw

Mat sting

đền phân tử
*

J

Uses ft }

>

4®

Ì

Wer

|

wi

|]

-

3

"1

xé
{z9

Í Máy thu |
Hõnh 1-4. Mụ hỡnh toỏn cỦa anten thụng minh
Đối với một mặt phẳng tới dãy anten từ hướng (9,0), hình 1-4, tín hiệu
đến phân tử thứ m phải đi thêm một đoạn:

Ad = m.Ax.cos@sin@

(1.1)

So với phần tử tham khảo tại gốc, hay phần tử m trễ hơn phan tử tham
Ad

khảo một khoảng thời gian: tạ„=—— .

C

Như vậy, độ sai pha giữa thành phần tín hiệu đến phân tử thứ m và phần
tử tham khảo tại gốc là:

Ay = at,, = BAd

véi @ = 2af , f: tin sé s6ng mang (Hz).
20

p= 1

nA

_A

az

z

: hệ sơ truyền sóng.

Giả sử mỗi phần tử anten là đẳng hướng và có độ lợi như nhau tại tất cả
các hướng. Tín hiệu đến mặt sóng có đường bao phức là s(/). Tín hiệu nhận
được tại phần tử anten thứ m là:


8
u,

(t)

—

s(t).e

2

—

sứ).e

72 mAxees0sm

6 (1.2)

Tín hiệu lơi ra của dãy sau khi nhân với bộ trọng sô [Wo, W\, ....WM.-1] với

M là số phần tử anten trong dãy là:
M-1

Z(t) = 3)w„„(0) = s3), e 999959199 = s(t)
f (8,0) (1,3)
m=0

Với (6.9) được gọi là hệ số sắp xếp, nó xác định tỉ số giữa tín
hiệu nhận được tại lối ra dãy anten và tín hiệu s(t) đo được tại phần tử tham

khảo. Hệ số sắp xếp là hàm theo hướng sóng đến (DOA). Bằng cách điều chỉnh
bộ trọng số, [Wo, Wi, ....WM.¡], ta có thể hướng cho búp sóng chính của hệ số sắp
xếp theo hướng mong muốn (6,,ø,).
Ta định nghĩa vector trọng số:

W =[wo Wi...WM+T' (14)
Tín hiệu từ mỗi phần tử anten được nhóm thành một vector đữ liệu :

u= [us() u¡@).... uw+(Ð]! (1.5)

Tín hiệu lối ra z(£) là (1.4) nhân (1.5):

Z(t) =w". u(t) (1.6)
Véiw' la phép bién d6i Hermitian (chuyén vi réi lẫy liên hợp phức).
Hệ số sắp xếp theo hướng (6,,ø,) được viết lại như sau:

f (0,9) = w" .a(9,9) (1)
Vector a(9,0) được gọi là vector lai theo hudng (0,0). Cho truédc mot mat
phẳng sóng tới từ mặt phẳng sóng tới từ hướng (9,j) như hình 1-4, vector lái

a(9,ở) biểu diễn pha của tín hiệu tại mỗi phần tử anten so với tín hiệu tham khảo
tại gơc.

a(0,¢)=[1

a,(0,9)......a„ ,(0,9)ÏÏ (1.8)

980sn6
Trong đó đ„(Ø,6) = ø 7m
1.4. Phan loai Anten thong minh [1]

Tủùy theo mục tiêu, phương thức xử lý tín hiệu và mức độ phức tạp của thuật
tốn xử lý tín hiệu của antan thơng minh ta có thể chia anten thơng minh thành 3
loại chính:

-Anten định dạng búp song băng hẹp


- Anten thích nghĩ
- Anten thích nghi băng rộng
Anten định dạng búp sóng băng hẹp thuộc nhóm các hệ anten có xử lý tín
hiệu với thuật tốn khơng phức tạp, chủ yếu là dùng các bộ quay pha ở tần số

sóng mang (xử lý tín hiệu ở tần số radiơ) để tạo sự lệch pha cần thiết giữa các
phần tử anten nhằm tạo ra giản đồ hướng hoặc là có búp sóng hẹp hoặc là búp
sóng có hình dạng đặc biệt hoặc các búp sóng có thể thay đơi được trong không
gian mà không cần xoay giàn anten về mặt cơ học.
Anten thích nghi thuộc nhóm anten có xử lý tín hiệu vẫn ở dạng băng hẹp
nhưng sử dụng các phương thức và thuật toán phức tạp hơn nhằm đạt được tốc
độ cao, linh hoạt, đáp ứng mục tiêu đề ra. Mục tiêu của anten thích nghi thường

thực hiện việc điều khiển tự động giản đồ hướng sao cho các hướng không
hướng về các nguồn nhiễu để triệt tiêu hoặc giảm thiểu nhiễu. Anten gồm một

giàn các phần tử, liên kết với một bộ xử lý thích nghỉ thời gian thực. Bộ xử lý
thích nghi sẽ tự động điều chỉnh các trọng số đề đạt dược một bộ trọng số tối ưu
theo một tiêu chuẩn nào đó, phù hợp với thuật tốn đã lựa chọn.

Anten thích nghi băng rộng là hệ anten có xử lý tín hiệu theo phương thức
xử lý thích nghi với băng tần rộng và thuật tốn phức tạp, là bước phát triển cao
của hệ anten có xử lý tín hiệu nói chung. Bộ xử lý tín hiệu trong anten thường là
bộ xử lý không gian -thời gian, khơng chỉ xử lý tín hiệu rời rạc, lấy mẫu trong
miền khơng gian mà cả tín hiệu rời rạc, lẫy mẫu trong miền thời gian. Đây là
bước phát triên cao của hệ anten có xử lý tín hiệu.
1.5. Anten định dạng búp sóng băng hẹp [1|
1.5.1, Định dạng búp sóng.

SN
x(t)

Moy thu

H6nh 1-5. Hé enten trong mat phang xy

10
Trong các ứng dụng thực tế, việc định dạng búp sóng thường là việc tạo ra giản

đồ hướng của hệ anten có búp sóng với độ rộng trong giới hạn cho phép và có
thể thay đơi được trong khơng gian.
Xét hệ anten hình 1 -5 và giả thiết sóng đến nằm trong mặt phẳng xy

(0=

7/2) sóng đến chỉ phụ thuộc vào ọ.
Giả sử hệ anten làm việc ở chế độ thu ta cần tạo giản đồ

Hướng búp sóng cực đại theo hướng @ = ơi. Coi các phân tử anten vơ hướng

trong mặt khảo sát, ta có giản đồ hướng của hệ anten được xác định:
f(0,p)=w”.e(0,o) (1.19)
e(0,p): vectơ hướng.

e(,p)=[l

ce##⁄d°*°

KOE

eos)

(120)

w: vectơ trọng số là tập các số phức w„ có biện độ bằng 1, cịn pha có giá
trị tùy thuộc vào m và góc hướng tương ứng Gi.

IWm| = l; argument(w,,) = Vy = k(m-1)dcosa;
Cac trong SO Wm

(1.21)

Sé không làm thay đơi biên độ của tín hiệu thu nhưng tạo

"an

ra góc dịch pha của các tín hiệu trên các nhánh trước khi tổng hợp chúng và do
đó tạo thành búp sóng có hướng cực đại mong muốn.

Sơ đồ khối của mạng định dạng

BD

ở

y

2

|

s(t)

Sơ đồ khối bộ thu

B6 chia cung suat

| s(Ð

Sơ đồ khối bộ phỏt

Hõnh 1.6. Sơ đồ khối bộ thu/ phỏt anten định đạng bỳp súng băng

La...


11
Dưới đây là gián đồ hướng trong hệ tọa độ cực của anten tuyến tính với M=7 và
giản đồ hướng trong hệ tọa độ vng góc với góc cực đại là œ¡ = 90°.

oa

,

Tr

i: \ o8

;

150 /
/

ị

4

‘-

|

| 38

Yee PT

*s.a'

l

#

.

I

\

\

- ha

sree

tenes

nu...

\

-&

10]

rT >

ý

⁄

Ầ

i} eerveces

scodouvbocsssesheveces

|

ws

wt

í

\

15+

sac does

x

sclise

tị

a

4

Í

|

^m

:

`

\

A310

T

bn opoouuh

\

/j

2á

|

\

7.

TH

210

g

\

ie:

—

|

\, 30

/0.4”

| há

Đ

180

[e

|

4-477

|

F

ubes

Kiên

;

4

\Í

devs.

\

\

|

T

T

T

4

;

;

í

!

WrneetlfrA
'

'

lÍ

Ba

al

|

oc cotohudcedesheoeveee

3

[~x+x+x..«+

{x-xxxx~x*

te ....°.°^

>|

ị

`

;
\

=| |

RR

T

.

.

sa

“OF

45 |
UO

xxx

—

*+

:

a

Shin?
\
Lf

a

kee
SB cohasosieheooss

kh
SD fee w oe

:

|

j

.amm—

"=1.

~

dbecobeseceos

=

vs

a

!

ct cen decncscccsbetacsecssbenscccehsccecsstebssecstassbsessecssecs

-

[««aslsselasasse«

ond

beeegereeees

~

la t«ấasssas«e
44s

ceeereeereeee

A

|

deseeeserece

ap

Xass.d.d..kesssas«e

De

|
Gì

OCSCOs

POO

SES

laa«asseslaasas.sa«e

OO EES OS

I
0a

a)

COS

EES CCOEESTeS

j
12)

I
140

|
bu

iu

cegree

H6nh 1-8. Gian dé hung trong hé toa d6 vuung gúc
1.5.2. Mạng ấn định búp song.
Mạng dùng để tạo ra các búp sóng cơ định, tại mỗi thời điểm tạo ra một
búp sóng có hướng xác định trong khơng gian gọi là mạng ấn định búp sóng.


12
Đây là một dạng anten điện tử nhưng thực hiện việc quét một cách gián
đoạn hay còn gọi là anten chuyển mạch búp sóng, phụ thuộc tín hiệu điều khiển

đầu vào, nó tạo ra M búp sóng từ M phân tử anten.
Mạng được đặc trưng bởi ma trận TT vuông MxM

là ma trận chuyển

đơi

tín hiệu dau vao u(t) thanh dau ra y(t).
y(t)=T"u(t)

(1.22)

v{(£): là vectơ tín hiệu ra ứng với việc hình thành búp sóng thứ m.

[yi(t)

yo(t) ys(t)

..... Ym(t) .....ya(t)]

sẽ được xác định tương ứng là cột thứ m của ma trận T. Ma trận T được viêt

dưới dạng.
T=[wW,

W2

.... Wm

.... Wu]

Cac bip séng sé truc giao néu cac vecto trong s6 tuong tng véi ching 1a
trực giao với nhau. Nếu ma trận T có các cột trực giao thì mạng ân định búp

sóng sẽ có một số tính chất đặc biệt được ứng dụng trong hệ thơng chuyển mạch

búp sóng và hệ thơng ấn định búp sóng kết hợp với xử lý thích nghỉ.
1.5.3. Hệ thơng chuyển mạch chọn búp song.

Hệ thống chuyển mach búp sóng là hệ thơng sử dụng mạng anten 4n dinh
búp sóng kết hợp với chuyên mạch nhằm lựa chọn búp sóng tốt nhất và thu được
tín hiệu xác định.

Mơ hình đơn giản của hệ thơng chuyển mạch chọn búp sóng.

F—®
____@
Y

°

Mạng ấn
:

Moy thu
A
LEA

tớn hiéu 1

Điều khiến
chuvén

định bỳp

sing NxN
e

Moy thu

tớn hiéu K-

Điều khiển
chuvễn

Hõnh 1-9. Hệ thống chuyển mach chọn bỳp súng


13

* Ưu điểm của hệ thơng chuyển mạch búp sóng.
Hệ thông đơn giản, giá thành hạ.
* Yêu cầu độ tương thích vừa phải đối với máy thu trạm gốc.
* Nhược điểm của hệ thơng chuyển mạch búp sóng.
Y Khong khử được các thành phần đa đường có hướng sóng đến gần
với sóng mong muốn.
*' Khơng tận dụng được lợi thế của đặc tính đa dạng đường truyền
bằng cách kết hợp các thành phần đa đường có tương quan.
1.6. Anten thích nghi [1].

1.6.1. Các hệ thức tốn học
Mơ hình của anten thích nghi (hình 1-10):

|
!
1

Đ

>

cr

u;

eo
I

l

_ (8

'

!

!

¬

I

Wị

l

ME

TƯ

Man Si

:|

ans

:|
‘|

3

———†>

————y|

Thuật toỏn

điều khiển | ;
thốchnghi | :
Thuật toon

điêu khiên

: BỘ xử lý

_| — théch

thớch nghỉ | :

|:

Hénh 1-10. Mu hénh cua anten thớch nghi
Anten là mét hé théng bao gdm mét dan anten chan tir (gia thiét là giàn thang)
gồm M phần tử và một bộ xử lý thích nghỉ thời gian thực. Bộ xử lý thích nghỉ
tiêp nhận liên tục các thơng tin đầu vào của dàn rôi tự động điêu khiên các trọng


14
số bộ định dạng búp sóng nhằm điều khiển liên tục đồ thị phương hướng của
dàn sao cho thỏa mãn yêu câu để ra với các chỉ tiêu nhất định .

Các trọng số được điều chỉnh để đạt bộ trọng

số tối ưu theo một tiêu

chuẩn nào đó, phù hợp với thuật tốn đã lựa chọn .

Ta quy ước các tín hiệu thu được trên các phần tử là tín hiệu đường bao
phức ta có véctơ tín hiệu đầu vào của dàn anten được biểu thị như sau:

u()=[ui(® u()...

ua@).... uw@]?

(1.23)

Trong đó:
u,,(t) 1a tín hiệu thu được trên phân tử thứ m
u„(t)=s(Ð e jím-1)dsin Ø cos @

(1.24)

s(t) 1a tín hiệu đường bao phức nhận từ nhánh thứ nhất.
Áp dụng khái niệm véctơ hướng và ký hiệu tơ hợp góc (6,ø)
e(w) =[1

ẹ jkdsinØ c0

e JM-DdsnØ cos Ø TT

= ự ta có:

(1.25)

Vậy (1.23) viết lại như sau:

u()=s()e(W )

(1.26)

Như vậy véctơ tín hiệu đầu vào u(£) được xác định bởi tín hiệu nhận được

tại phần tử thứ nhất s() và véctơ hướng e(w). Véctơ hướng xác định tại mỗi

hướng của không gian khảo sát tại mỗi tần số nhất định. Tập hợp tất cả các véctơ
hướng núói trên gọi là tập dữ liệu của dàn anten thích nghi. Q trình xác định tập
đữ liệu nói trên cịn được gọi là q trình lẫy chuẩn cho dàn anten.
Nếu hệ anten làm việc trong môi trường thực tế bao gồm cả tạp nhiễu thì
véctơ số liệu đầu vào được bố sung thêm vécto nhiéu n(t) biểu thức (1.26) sẽ trở
thành
u()=s(£)e() +n(t)
Trong đó : n(Œ) =[ni(f) n(t)...

(1.27)
nmŒ)...

nư(@|

(1.28)

Biểu thức (1.26) chỉ phù hợp với tín hiệu băng hẹp vì trong đó các thành

phần của véctơ hướng được xác định ứng với một tần số nhất định. Băng

thơng

của tín hiệu có liên quan đến sự khác biệt pha giữa các phần tử nằm trong dải sai
số cho phép.
Khảo sát mô hình tín hiệu cho trường hợp tơng qt khi có xảy ra hiệu
ứng đa đường (tín hiệu từ ngn truyền tới điểm thu với nhiều đường khác nhau,
gây ra phading đa đường) và có tác động của nhiều đối tượng tham gia vào hệ


15
thống thơng tin. Gọi K là số đối tượng có phát tín hiệu tác động vào dàn anten

và ký hiệu tín hiệu của đối tượng thứ ¡ là s;() gồm P đường tới, với biên độ phức
lA a ip, BOC toi y jp Va trễ đường truyễn là Tịp, với là chỉ số ký hiệu đường tới.
Vectơ tín hiệu thu được của đối tượng thứ ¡ được biểu diễn:
P

u(t)= Yay,

b„ ( —f,

p=l

(1.29)

Khi có tác động đơng thời của K đơi tượng và can nhiễu, vectơ tín hiệu
đâu vào sẽ có dạng:
K

P

u(t)= 2- 2 2,2, b„ (¢ — T„) (1.30)
il p=
P
Với » a,elV,
pì

gọi là vectơ đặc trưng khơng gian của đỗi tuong thir i.

Trong hệ anten xử lý tín hiệu

thích nghi thường sử dụng phép định dạng

búp sóng của dàn anten sao cho đồ thị phương hướng có cực đại của búp sóng
hướng theo phía nguồn tín hiệu có ích, cịn các hướng không hoặc hướng cực

tiểu hướng theo nguôn nhiễu để triệt tiêu hoặc giảm nhiễu.
Quá trình triệt nhiễu hoặc giảm nhiễu được thực hiện với sự phân biệt

từng đôi tượng tham gia thông tin trong tập hợp các nguồn nhiễu, dựa trên đặc
tính khơng gian của các tín hiệu hữu ích nên cịn được gọi là “lọc khơng gian”.

Vậy một hệ anten xử lý thích nghi cịn có thêm khâu lọc khơng gian thích nghi.
Có hai phương pháp xử lý thích nghĩ: xử lý thích nghi băng hẹp và xử lý
thích nghi băng rộng.

v' Xử lý thích nghi băng hẹp chỉ thực hiện việc lẫy mẫu tín hiệu trong miền
khơng gian.

v Xử lý thích nghi băng rơng thực hiện lẫy mẫu cả trong miền không gian
và thời gian.

1.6.2. Các chuẩn tơi ưu trong điều khiến thích nghỉ.
Có 4 tiêu chuẩn được sử dụng để nhận được các bộ trọng số tối ưu:

w Tiêu chuẩn sai số trung bình phương nhỏ nhất (MMSE: minimum mean
square error).

Y Tiéu chuan tỉ số tín hiệu trên tạp nhiễu cực đại (MSINR: maximum signal
to interference plus noise ratio).


16
v Tiêu chuẩn phương sai cực tiểu (MV: minimum variance).
v Tiêu chuẩn khả năng cực đại (ML : maximum likelihood).
1.7. Anten thích nghỉ băng rộng [1].
1.7.1. Khải niệm:

Anen thích nghi băng rộng là anten có bộ xử lý thích nghi băng rông thực
hiện lẫy mấu cả trong miền không gian và thời gian.
1.7.2. Anten thích nghỉ dùng dây trễ.
Hệ xử lý thích nghi băng rộng được gọi là hệ khơng gian - thời gian. Câu
trúc của một hệ xử lý thích nghi băng rộng thường bao gồm một đây trễ cịn gọi
là bộ lọc ngang cấp đơi với mỗi phần tử của hệ anten.
Cấu hình hệ ănten thích nghi băng rộng dùng dây trễ:

Nếu cấu trúc dây trễ đủ dài và số khâu đủ rộng thì nó gần tới bộ lọc lý
tưởng, cho phép điều khiển chính xác độ lợi và pha của từng tần số trong dai tan
cần xem xét.

Xét hình 1-11: Ta có đấy tín hiệu vào và trọng số phức tại dây trễ có K

khâu mắc vào phần tử anten thứ m được biểu diễn:

{i %

z1

1 | Woo

IẾP

!
!

{

Ị

WNlo

Wo,«-1)

zo

0

Xu

z1

Wo.

z1
W,

---

|

~-~_—— |7

Wi

Web

7!

7!

Wy

|

_

—

VN

Ww.1),«-1

Hỡnh 1- 11. Cấu trỳc anten thớch nghi dựng dõy trễ


17

W„ =[Wm

War

.. W„yg]

(132)

Nừu đưa vào kí hiệu

x(t)=[x7

xf

..

xxx]

(433)

w=[w_

wạ,

..

Wy]

(1.34)

Thì tín hiệu đầu ra của hệ xử lý thích nghi băng rộng cũng có thể được
biểu diễn theo cơng thức có dạng của hệ thích nghi băng hẹp, tức là:

yŒ)=w“x()

(1.35)

1.7.3. Anten thích nghỉ băng tân con.
Xét sơ đồ sau:

Xo(0)

>——Ị]P

>——_—ỊP

S
C

C

F

F

T

Xi)

>———]P

[S
C

Hõnh 1-12. Bộ xử lý thóch nghi băng tống con

s

C

|%


18

Tín hiệu thu được từ mỗi phần tử được đưa qua khối thu để biến đổi thành tín

hiệu băng gốc, rồi đưa đến bộ lấy mẫu sử dụng bộ biến đôi A/D (để đơn giản ta
bỏ qua 2 khối này trên sơ đồ).Mỗi tín hiệu thu được trên mỗi phần tử thứ m ở
thời điểm t được phân thành K tín hiệu băng con và được biến đổi sang miền tần
số nhờ bộ FFT. Việc xử lý thích nghi sẽ cho một vecto trọng số tôi ưứng với ăng
tần con #“. Tín hiệu tham chiếu cũng được biến đổi sang miền tần số băng tần
con, sau đó nhân với trọng số tôi ưu, các trọng số được tô hợp tương ứng với

từng băng tần con. Các mẫu phức hợp được biến đổi trở lại miền thời gian nhờ

bộ IFFT, cuỗi cùng thực hiện nội suy với hệ số băng gốc K sẽ thu được tín hiệu
ra y().

Ưu điểm:

' Giảm nhỏ khối lượng tính tốn và tăng nhanh tốc độ hội tụ.
w

Trọng số được cập nhật nhanh vì trọng số phụ thuộc vào mỗi băng tần
con, nên việc xử lý lựa chọn tần số cần phải thực hiện song song.

*' Kết quả hội tự nhanh vì khi sử dụng thuật tốn thích nghi LMS, bước tính

tốn khác nhau có thể áp dụng cho mỗi băng tần con.
1.8. Ứng dung của anten thông minh.

1.8.1. Ứng dụng của anten thông minh trong mang GSM [8].
Đã có một số anten thơng minh được sản suất cho thị trường di động sử

dụng công nghệ GSM. Chúng giúp tối ưu công suất phát, giảm nhiễu. Cho đến
nay việc sử dụng anten thông minh trong mạng GSM

vẫn cịn hạn chế. Đây

khơng phải bởi lý do cơng nghệ mà bởi công nghệ GSM sử dụng đa truy nhập
theo thời gian (TDMA: Time Division Multiple Access) và quản lý vị trí tần số.
Điều này có nghĩa là mỗi kênh vơ tuyến có một khe thời gian và một băng tần.
Khơng có sự can nhiễu giữa những người dùng trong một ơ (cell) trạm phat.

Điều này có nghĩa lợi ích của anten thông minh trong mạng GSM tất hạn chế.
1.8.2. Ứng dụng của anten thơng mình trong mang 3G[8]
Với hệ thỗng GSM, anten thơng minh có ứng dụng khơng lớn, nhưng khi
thông tin đi động phát triển, hệ thống 3G với công nghệ đa truy nhập phân chia
theo mã (CDMA:

Code Division Multiple Access) đang được ứng dụng ngày

càng rộng rãi thì việc sử dụng anten thơng minh mang lại hiệu quá rất lớn. Trong
hệ thông thông tin di động trước đây, loại anten được sử dụng chủ yếu là anten
vô hướng hoặc anten sector. Trong anten thông minh, việc ứng dụng thuật toán

DOA (DOA: Direction Of Arrival ) định hướng sóng đếnvà các thuật tốn sử lý


19

tín hiệu thích hợp có thể hướng búp sóng chính xác vào hướng thuê bao, tập
trung công suất phát vào hướng cân thiết, đồng thời khi xác định được hướng

thuê bao và nhiễu ta cũng có thể tránh phát sóng đến các nguồn can nhiễu. Như
vậy, cùng một công suất phát năng lượng bức xạ của anten đến nơi thu sẽ mạnh
hơn nhiều lần, việc này có thể giúp tiết kiệm năng lượng nơi nguồn phát hoặc
tăng lượng bức xạ nơi nhận.

Nghiên cứu thực tế về lợi ích của anten thông minh trong mạng đi động so
với anten truyền thống cho thấy số Kbit truyền trong một giây tại một trạm

thu/phát (Kbit/s/cell) tăng lên rất nhiều.
Kbit/s/cell

Kha nang tang

Dung anten sector

920

-

72 tram dung anten thong minh

1610

+75%

Tất cả dùng anten thơng minh

2193

+36%

Ngồi việc tăng dung lượng đường truyềnnếu sử dụng anten thông minh,
mạng đi động có thể giảm được số trạm thu/ phát trong mạng.

Ví dụ, kết quả nghiên cứu sau:
Số trạm cân có

Khả năng giảm

Dung anten sector

144

-

Swr dung anten thong minh

80

- 44%

Sử dụng anten thơng minh
ks
¬

69

-14%

một cách tơi ưu

Anten thơng minh làm tăng công suất thu và giảm nhiễu điều này đặc biệt
có ý nghĩa đỗi với mạng di động 3G sử dụng công nghệ đa trtruy nhập phân chia
theo mã. CDMA

(CDMA:

Code Division Multiple Access) chia phô tần bằng

cách xác định mỗi kênh vô tuyến trong một trạm thu phát

và thuê bao bằng một

mã số.

Tín hiệu thu phát từ

Thuê bao chỉ được nhận ra bằng

mã của mình.


20
những máy di động khác (với những mã khác) đối với một máy di động chính là
nhiều. Cho nên càng nhiều điện thoại di động trong một vùng phủ sóng của trạm
thu phát thì nhiễu càng nhiều.

Điều này làm giảm số điện thoại di động mà trạm

hu phat co thé phục vụ được. Tất cả các tiêu chuân điện thoại 3G đều sử dụng

cơng

nghệ

CDMA.

Đối

với

cơng

nghệ

này

anten

thơng

minh

giúp

giảm

nhiễutong một ơ vì nó tăng cơng suất đề duy trì tất cả các kênh vơ tuyến từ trạm

phát tới mọi thuê bao. Điều này đặc biệt quan trọng khi nhu cầu tốc độ số liệu
cao ngày càng tăng. Một kênh vô tuyến tốc độ cao cần cần mức công suất cao
gấp 10 lần một kênh thoại trong mạng GSM. Tăng mức cơng suất để duy trì một
kênh vơ tuyến cũng có nghĩa là giảm khả năng phục vụ các thuê bao còn lại
trong 6 cũng như từ các ô liền kê.
Arnten thông minh giảm sự can nhiễu bằng hai cách:
—

Búp sóng của anten hướng chính xác đến thuê bao, do vậy công suất phát
chỉ phát đúng đến hướng cần thiết.

—

Khả năng điều khiến tín hiệu định hướng, anten thơng minh tránh phát tín

hiệu về phía nguồn can nhiễu.
Lợi ích chính triển khai anten thơng minh trong mạng 3G:
v

Tăng số lượng thuê bao được thực hiện trong một trạm, tăng doanh thu,

giảm khả năng khoá và rơi cuộc gọi đối với các thuê bao.
v Chất lượng tín hiệu truyền dẫn được cải thiện mà không cần tăng công

suất phát mà lại giảm được can nhiễu.
* Giảm công suất thu phát ở cả hai hướng (thuê bao - trạm phát và ngược
lại), giúp cho pin của điện thoại dùng được lâu hơn.
1.8.3. Anten thơng mình trong vệ tỉnh và truyền hình J8].
Việt Nam

phóng vệ tính VINASAT-I

vào quỹ đạo tháng 4 năm 2008 có

ý nghĩa rất lớn trong việc phủ sóng viễn thơng, thơng tin liên lạc khơng chỉ các

vùng nông thôn, vùng sâu, vùng xa, biên giới, hải đảo, tới tất cả mọi nơi trên
lành thổ Việt Nam mà cịn phủ sóng cả khu vực Động Nam Á. Bên cạnh đó khi
đưa vào khai thác VINASAT-I sẽ có ý nghĩa xã hội rất lớn, góp phần cải thiện
cơ sở hạ tầng thông tin quốc gia theo hướng hiện đại, nâng cao độ an toàn cho