Ứng dụng anten thông minh chuyển búp sóng để giảm tắc nghẽn trong hệ thống thông tin di động cdma

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------

HỌ VÀ TÊN HỌC VIÊN

SOU VIRAK

TÊN ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ
ỨNG DỤNG ANTEN THƠNG MINH CHUYỂN BƯP SĨNG
ĐỂ GIẢM TẮC NGHẼN TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN
DI ĐỘNG CDMA
Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
Mã số
: 605270

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2011


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------

HỌ VÀ TÊN HỌC VIÊN

SOU VIRAK

TÊN ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ
ỨNG DỤNG ANTEN THƠNG MINH CHUYỂN BƯP SĨNG

ĐỂ GIẢM TẮC NGHẼN TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN
DI ĐỘNG CDMA
Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
Mã số
: 605270

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2011


CƠNG TRÌNH ĐƢỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG –HCM
Cán bộ hƣớng dẫn khoa học : .....................................................................
Cán bộ chấm nhận xét 1 : ...........................................................................
Cán bộ chấm nhận xét 2 : ...........................................................................
Luận văn thạc sĩ đƣợc bảo vệ tại Trƣờng Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM
ngày . . . . . tháng . . . . . năm . . . . .
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)
1. ..............................................................
2. ..............................................................
3. ..............................................................
4. ..............................................................
5. ..............................................................
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trƣởng Khoa quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã đƣợc sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƢỞNG KHOA…………

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆTNAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: SOU VIRAK .................................................. MSHV: 01408905 ..........
Ngày, tháng, năm sinh: 09/09/1983 ........................................... Nơi sinh: Cămpuchia ....
Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ ................................... Mã số : 605270 ............
I. TÊN ĐỀ TÀI: ................................................................................................................
Ứng dụng Anten thơng minh chuyển búp sóng để giảm tắc nghẽn trong hệ thống
thông tin di động CDMA
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: ....................................................................................
-

Nghiên cứu tổng quan về Anten Thông Minh .........................................................
Nghiên cứu bốn thuật tốn tạo búp sóng nhƣ MMSE, LCMV, GSC, MSINR .......
Tính Tốn và mơ phỏng thuật tốn trên áp dụng cho hệ thống thơng tin di động
CDMA ......................................................................................................................

III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 14/02/2011..................................................................
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 01/07/2011 ..................................................
V.

CÁN BỘ HƢỚNG DẪN : TS. ĐỖ HỒNG TUẤN .................................................

.............................................................................................................................................

Tp. HCM, ngày . . . . tháng .. . . năm 20....
CÁN BỘ HƢỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO
(Họ tên và chữ ký)

TRƢỞNG KHOA….………
(Họ tên và chữ ký)


LỜI CẢM ƠN
Em xin chân thành cảm ơn thầy TS. ĐỖ HỒNG TUẤN, ngƣời đã tận tình chỉ bảo,
hƣớng dẫn và tạo điều kiện tốt nhất để em hoàn thành đề tài tốt nghiệp này.
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến tất cả các thầy cô trong khoa Điện Tử, nhất
là các thầy cô trong bộ môn Viễn thơng Đại học Bách Khoa đã tận tình giảng dạy,
truyền đạt cho em những kiến thức nền tảng vững chắc trong suốt thời gian qua.
Cuối cùng là lời cảm ơn đến gia đình, ngƣời thân và bè bạn đã ln động viên,
giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu.

TP.Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 06 năm 2011

SOU VIRAK


TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ
Thơng tin di động ra đời vào cuối những năm 1940. Khi đó phƣơng thức thông tin
mới này chỉ là những hệ thống thông tin di động điều vận. Đến nay thông tin di động
đã trở thành hệ thống toàn cầu và trải qua nhiều thế hệ. Thế kỷ 21 của chúng ta đã và

đang chứng kiến sự phát triển mạnh mẽ không ngừng của ngành cơng nghiệp viễn
thơng và trong đó khơng thể thiếu thông tin di động. Con ngƣời càng vƣơn tới những
đỉnh cao trong cuộc sống, trong khoa học thì nhu cầu trao đổi thơng tin ngày càng
nhiều và chính vì thế mà nhu cầu thông tin di động ngày một cấp thiết. Với lƣợng dân
số thế giới là gần 7 tỷ ngƣời, thì việc trao đổi thơng tin khơng chỉ đơn thuần là đối
thoại thông thƣờng với băng thông hẹp, tốc độ thấp mà con ngƣời ngày nay còn đòi
hỏi phải đƣợc truy cập dữ liệu, âm thanh, hình ảnh với tốc độ cao băng thông rộng.
Trong thông tin vô tuyến vấn đề đặt ra là: Làm thế nào để giảm đƣợc việc tắc
nghẽn trong hệ thống khi có nhiều Users, Làm thế nào để nâng cao dung lƣợng của hệ
thống nhƣng không làm tăng băng tần của vô tuyến, Làm thế nào để hệ thống đảm bảo
cung cấp dịch vụ với giá thành rẻ, chất lƣợng và tốc độ truyền dữ liệu cao, Phục vụ
nhiều thuê bao đồng thời…v.v.
Việc đi tìm lời giải cho các câu hỏi này quả là một thách thức lớn cho các nhà
quản lý và khai thác mạng viễn thông cũng nhƣ các nhà thiết kế hệ thống vì dƣờng
nhƣ các u cầu này khơng có tính dung hồ với nhau. Đã có rất nhiều giải pháp đƣa
ra nhằm giải quyết những vƣớng mắc này. Trong hệ thống những giải pháp đó, anten
thơng minh với những ƣu điểm vƣợt trội đã trở thành một giải pháp quan trọng đƣợc
chú ý và lựa chọn. Anten thông minh bắt đầu đƣợc nghiên cứu từ những năm 90 và
ngày nay đang đƣợc triển khai rộng rãi nhiều nơi trên thế giới.
Xuất phát từ những vấn đề trên, em đã lựa chọn đề tài nghiên cứu của mình là
“Anten thơng minh chuyển búp sóng để giảm tắc nghẽn trong hệ thống thơng tin di
động CDMA”.
Mục đích chính của đề tài là nghiên cứu, mô phỏng, và chứng minh rằng sau khi
áp dụng thuật tốn tạo búp sóng anten thơng minh chuyển búp sóng vào hệ thống
CDMA thì xác suất nghẽn giảm tối thiểu rất nhiều so với trƣờng hợp dùng anten thông
thƣờng.


ABSTRACT
In wireless cellular systems, a Code Division Multiple Access (CDMA)

technology with array antennas can significantly reduce interferences by taking
advantage of the combination of spreading spectrum and spatial filtering or
beamformer. The thesis is “Applying switched beam smart antennas algorithms to
reduce the blocking probability of CDMA system”.
First, Investigating of blocking probabilities of multi-beam CDMA systems using
switched beamforming (SBF) array antennas considering non-homogeneous traffic
loading over a cell which may cause traffic congestion and introduce large blocking
probability in a hot-spot area or hot-beam, And then propose a beam reassignment
(BR) method to mitigate the hot-beam, Using the BR method, the blocking probability
of Hot-Beam and total blocking probability over a cell are significantly reduced.
Second, I will explain four switched beamformer algorithms: Minimum mean
Square Error (MMSE), Linearly Constrained Minimum variance (LCMV),
Generalized Sidelobe Canceller (GSC), Maximum Signal to Interference and Noise
Ratio (MSINR), to resolve the problem of high probability occurred as Hot-Beam or
Hot-Spot occurred.
Finally, I’m going to simulate each algorithm above to see how efficient of them
and to compute the SIR of each beam using LCMV algorithm which I’ve selected it
from among four switched beamformers described in this thesis.

Thank You,


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi, các số liệu, kết quả
nghiên cứu và kết quả mô phỏng trong luận văn là trung thực.

TP.Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 06 năm 2011
Tác giả

SOU VIRAK

MỤC LỤC
THUẬT NGỮ VÀ TỪ VIẾT TẮT ........................................................................................... 1
CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU .................................................... 5
1.1

GIỚI THIỆU VẤN ĐỀ VÀ TÌNH TRẠNG HIỆN NAY ........................................... 5

1.2

PHẠM VI NGHIÊN CỨU .......................................................................................... 6

CHƢƠNG II: ANTEN THÔNG MINH VÀ CÁC GIẢI THUẬT TẠO BÚP SÓNG
CHUYỂN BÚP SÓNG .............................................................................................................. 8
2.1

ĐA TRUY NHẬP PHẦN CHIA THEO THỜI GIAN SDMA ................................... 8

2.2

ANTEN THÔNG MINH (SMART ANTENNAS) ................................................... 10

2.2.1

KHÁI NIỆM ...................................................................................................... 10

2.2.2

LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA ANTEN ............................................................ 10

2.2.2.1

ANTEN VÔ HƢỚNG (OMNIDIRECTIONAL ANTENNA) ...................... 10

2.2.2.2

ANTEN ĐỊNH HƢỚNG (DIRECTIONAL ANTENNA) ............................. 11

2.2.3

CÁC HỆ THỐNG ANTEN ................................................................................ 12

2.2.3.1

CÁC HỆ THỐNG ANTEN HÌNH QUẠT ..................................................... 13

2.2.3.2

CÁC HỆ THỐNG PHÂN TÁN (DIVERSITY SYSTEM) ............................ 13

2.2.3.3

ANTEN THÔNG MINH ................................................................................ 15

2.3

HỆ THỐNG ANTEN THÔNG MINH (SMART ANTENNA SYSTEM)................. 15

2.3.1

ĐỊNH NGHĨA .................................................................................................... 15

2.3.2

NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA ANTEN THÔNG MINH .............................. 16

2.3.3

HỆ THỐNG ANTEN THÔNG MINH .............................................................. 18

2.3.3.1

SƠ ĐỒ KHỐI TỔNG QUÁT ANTEN THÔNG MINH ................................ 18

2.3.3.2

PHÂN LOẠI ANTEN THÔNG MINH ......................................................... 20

2.3.3.3

MƠ HÌNH TỐN HỌC ANTEN THƠNG MINH THÍCH NGHI ................ 26

2.3.4
NHỮNG ƢU ĐIỂM VÀ ỨNG DỤNG CHỦ YẾU CỦA HỆ THỐNG ANTEN
THÔNG MINH ................................................................................................................ 27
2.3.4.1

ƢU ĐIỂM ....................................................................................................... 27

2.3.4.2

PHẠM VI ỨNG DỤNG CỦA ANTEN THÔNG MINH .............................. 29

2.4 CÁC GIẢI THUẬT TẠO BÚP SĨNG CHO ANTEN THƠNG MINH SWITCHED
BEAM .................................................................................................................................. 30
2.4.1

BỘ LỌC WIENER ............................................................................................. 30

2.4.2
GIẢI THUẬT LCMV (LINEARLY CONSTRAINED MINIMUM
VARIANCE) .................................................................................................................... 33
2.4.3

GENERALIZED SIDELOBE CANCELLER (GSC)........................................ 37

2.4.4

CỰC ĐẠI TỶ SỐ TÍN HIỆU TRÊN GIAO THOA CỘNG NHIỄU (MSINR) 42


CHƢƠNG III: ĐÁNH GIÁ XÁC SUẤT NGHẼN TRONG CDMA SỬ DỤNG ANTEN
THƠNG MINH ........................................................................................................................ 44
3.1

GIỚI THIỆU .............................................................................................................. 44

3.2

MƠ HÌNH HỆ THỐNG VÀ MƠ HÌNH LƢU LƢỢNG KHƠNG GIAN ................ 45

3.3

TÌNH TRẠNG HOT BEAM VÀ PHƢƠNG PHÁP GIẢM NĨ............................... 47

3.3.1

TÍNH TRẠNG HOT-BEAM ............................................................................. 47

3.3.2

PHƢƠNG PHÁP GIẢM HOT-BEAM .............................................................. 49

3.4

TÍNH TỐN XÁC SUẤT NGHẼN ......................................................................... 53

CHƢƠNG IV: KẾT QUẢ TÍNH TỐN ................................................................................. 55
4.1

MÔ PHỎNG .............................................................................................................. 55

4.1.1

GIẢI THUẬT MMSE ........................................................................................ 55

4.1.2

GIẢI THUẬT LCMV ........................................................................................ 56

4.1.3

GIẢI THUẬT GSC ............................................................................................ 57

4.1.4

GIẢI THUẬT MSINR ....................................................................................... 57

4.2

ỨNG DỤNG GIẢI THUẬT LCMV CHO VIỆC GIẢI BÀI TOÁN NGHẼN ......... 58

CHƢƠNG V: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI .......................................... 62
5.1

KẾT LUẬN ............................................................................................................... 62

5.2

HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI .............................................................................. 63

TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................................ 64
LÝ LỊCH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ ................................................................................. 65


MỤC LỤC CÁC HÌNH
Hình 1. 1 Hệ thống truyền thơng khơng dây .............................................................................. 5
Hình 2. 1 Các búp sóng hƣớng đến các thuê bao di động .......................................................... 9
Hình 2. 2 Anten vơ hƣớng và tổ hợp bức xạ ............................................................................ 11

Hình 2. 3 Anten định hƣớng và tổ hợp bức xạ ......................................................................... 12
Hình 2. 4 Anten hình quạt và tổ hợp bức xạ ............................................................................ 13
Hình 2. 5 Vùng bao phủ của anten phân tán chuyển đổi với fading và dạng phân tán chuyển
đổi............................................................................................................................................. 14
Hình 2. 6 Vùng bao phủ của anten phân tán kết hợp với đơn phần tử và dạng phân tán kết hợp
.................................................................................................................................................. 14
Hình 2. 7 Sơ đồ khối tổng qt của hệ thống anten thơng minh .............................................. 18
Hình 2. 8 Sơ đồ khối chi tiết của hệ thống anten thơng minh thích nghi ................................. 20
Hình 2. 9 Phân loại Anten thơng minh. .................................................................................... 20
Hình 2. 10 Vùng che phủ của hệ thống Switched beam .......................................................... 21
Hình 2. 11 Vùng che phủ của hệ thống Switched beam đƣợc phân chia thành 3 vùng hình
quạt ........................................................................................................................................... 22
Hình 2. 12 Sơ đồ khối của hệ thống anten chuyển đổi búp sóng ............................................. 23
Hình 2. 13 Vùng che phủ của hệ thống Adaptive array ........................................................... 24
Hình 2. 14 Vùng che phủ của hệ thống Switched Beam và Adaptive Array ........................... 25
Hình 2. 15 Mơ hình cơ bản của Anten thơng thích nghi .......................................................... 26
Hình 2. 16 Sơ đồ khối biểu diễn bài tốn bộ lọc thống kê tối ƣu............................................. 30
Hình 2. 17 Biểu diễn hình học ý nghĩa trực giao của tín hiệu ra ƣớc lƣợng, sai số ƣớc lƣợng
và tín hiệu mong muốn ............................................................................................................. 31
Hình 2. 18 Mình họa sóng tới trên dãy anten tuyến tính.......................................................... 34
Hình 2. 19 Sơ đồ của GSC ....................................................................................................... 40
Hình 2. 20 Biểu diễn GSC dƣới dạng bộ lọc Wiener ............................................................... 40
Hình 2. 21 Sơ đồ tổng qt của bộ tạo búp sóng ..................................................................... 42
Hình 3. 1 Đồ thị anten gạch tƣờng ........................................................................................... 46
Hình 3. 2 Triển khải Cell và lƣu lƣợng với M= 8, .................................................................. 49
Hình 3. 3 Triển khai Cell và lƣu lƣợng sau khi BR với M=8 .................................................. 52
Hình 3. 4 So sánh xác suất nghẽn vs Lƣu lƣợng Cell/Erlang .................................................. 54
Hình 4. 1 Kết quả mơ phỏng giải thuật MMSE ....................................................................... 55
Hình 4. 2 Kết quả mô phỏng giải thuật LCMV ....................................................................... 56
Hình 4. 3 Kết quả mơ phỏng giải thuật GSC ........................................................................... 57

Hình 4. 4 Kết quả mơ phỏng giải thuật MAXSIR ................................................................... 58
Hình 4. 5 Mơ phỏng thuật tốn LCMV tạo 8 búp sóng ........................................................... 59
Hình 4. 6 Mơ phỏng LCMV tạo 8 búp sóng đƣợc chuẩn hóa về dB ....................................... 60


LUẬN VĂN THẠC SĨ

1

GVHD: TS.ĐỖ HỒNG TUẤN

THUẬT NGỮ VÀ TỪ VIẾT TẮT
A
AC

Adaptive Combining

Kết hợp tƣơng thích

ADC

Analogue – Digital Convert

Bộ chuyển đổi tƣơng tự số

AOA

Angle Of Arrival

Góc tới

AT- GSC

Absolute Threshold
Generalized Selection
Combining

Kết hợp lựa chọn tổng quát
hoá ngƣỡng tuyệt đối

AWGN

Additive White Gaussian
Noise

Tạp âm Gaussian trắng
cộng

BER

Bit Error Rate

Tỷ lệ lỗi bit

BPSK

Binary Phase Shift Keying

Khoá dịch pha nhị phân

CDMA

Code Division Multiple
Access

Đa truy cập phân chia theo
mã

chuyển mạch

Constant Modulus

Khối hằng

CPICH

Common PIlot CHannel

Kênh hoa tiêu chung

DC

Diversity Combining

Kết hợp phân tập

DECT

Digital European Cordless
Telephone

Mạng điện thoại không dây
số Châu Âu

DOA

Direction Of Arrival

Hƣớng góc đến

DSP

Digital Signal Procesor

Bộ xử lý tín hiệu số

ECFCM

Envelope correlated Fading
Channel Model

Mơ hình kênh pha đinh
tƣơng quan đƣờng bao

ESPRIT

Estimation of Signal
Parameters by Rotation
Invariance Technique

ƣớc tính tham số tín hiệu
dựa trên kỹ thuật quay bất
biến

EGC

Equal Gain Combining

Kết hợp độ lợi cân bằng

B

C

D

E

F
Anten thơng minh chuyển búp sóng giảm nghẽn trong CDMA

HV: Sou Virak


LUẬN VĂN THẠC SĨ

2

GVHD: TS.ĐỖ HỒNG TUẤN

FDMA

Frequency Division
MultiAccess

Đa truy cập phân chia theo
tần số

FDD

Frequency Division Duplex

Ghép song công theo tần
số

GBSB

Geometrically - Based
Single - Bounce

Đƣờng bao trên mơ hình
địa lý

GSC

Generalized Sidelobe
Canceller

Bộ hủy búp sóng con tổng
qt

GSM

Global System for Mobile
Communication

Hệ thống thơng tin di động
tồn cầu

GPS

Global Position System

Hệ thống vị trí tồn cầu

Hybrid Combining

Kết hợp lai ghép

IMT

International Mobile
Telecommunication

Hội thông tin di động quốc
tế

ITU

International

Telecommunication Union

Liên đồn viễn thơng quốc
tế

IF

Intermidiate Frequency

Trung tần

LCFCM

Loosely Correlated Fading
Channel Model

Mơ hình kênh pha đinh
tƣơng quan khơng chặt

LCMV

Linearly Constrained
Minimum Variance

Bộ lọc tối thiểu phƣơng sai
ràng buộc tyuến tính

LOS

Line Of Sight

đƣờng truyền thẳng

MLE

Maximum Likehood
Estimation

Khả năng giống nhất

MMSE

Minimum Mean Square
Error

Lỗi bình phƣơng trung
bình nhỏ nhất

MRC

Maximum Ratio Combining Kết hợp tỷ lệ tối đa

MSE

Mean Square Error

G

H
HC

I

L

M

Anten thơng minh chuyển búp sóng giảm nghẽn trong CDMA

Lỗi bình phƣơng trung
bình

HV: Sou Virak


LUẬN VĂN THẠC SĨ

3

GVHD: TS.ĐỖ HỒNG TUẤN

MUltiple SIgnal
Classification

Phân chia đa tín hiệu

NLMS

Normalized Least Mean
Square

Bình phƣơng trung bình tối
thiểu chuẩn hố

NT-GSC

Normalized Threshold
Generalized Selection
Combining

Kết hợp lựa chọn tổng quát
ngƣỡng chuẩn hoá

PDF

Propability Density
Function

Hàm mật độ phổ công suất

PCH

Pilot Channel

Kênh hoa tiêu

PN

Pseudo - Noise

Giả tạp âm

Quadrature Phase Shift
Keying

Khố dịch pha tồn
phƣơng

RF

Radio Frequency

Tần số vơ tuyến

RLS

Recurstive Least Square

Bình phƣơng tối thiểu đệ
quy

SA

Smart Antenna

Ănten thơng minh

SC

Selective Combing

Kết hợp lựa chọn

SCFCM

Spatially Correlated Fading
channel Model

Mơ hình kênh pha đinh
tƣơng quan không gian

SCH

Synchronization CHannel

Kênh đồng bộ

SD

Seletive Diversity

Phân tập lựa chọn

SDMA

Space Division Multiple
Access

Đa truy cập phân chia theo
không gian

SINR

Signal- to - Interference
plus Noise Ratio

Tỷ số tín hiệu trên tạp âm
cộng nhiễu

SIR

Signal - to - Interference
Ratio

Tỷ số tín hiệu trên nhiễu

SLC

Square Law Combining

Kết hợp theo bình

MUSIC
N

P

Q
QPSK
R

S

Anten thơng minh chuyển búp sóng giảm nghẽn trong CDMA

HV: Sou Virak


LUẬN VĂN THẠC SĨ

4

GVHD: TS.ĐỖ HỒNG TUẤN

phƣơngg
SMI

Sample Matrix Inversion

nghịch đảo ma trận mẫu

SNR

Signal- to- Noise Ratio

Tỷ số tín hiệu trên tạp âm

TDD

Time Division Duplex

ghép song công phân chia
theo thời gian

TDMA

Time Division Multiple
Access

đa truy cập phân chia theo
thời gian

TIA

Telecommunication
Industry Association

Hội công nghiệp viễn
thơng

UC

Unit Controll

Đơn vị điều khiển

UCFCM

Uncorrelated Fading
Channel Model

Mơ hình kênh pha đinh
không tƣơng quan

Wireless Local Area
Network

Mạng vô tuyến nội hạt

T

U

W
WLAN

Anten thơng minh chuyển búp sóng giảm nghẽn trong CDMA

HV: Sou Virak


LUẬN VĂN THẠC SĨ

5

GVHD: TS.ĐỖ HỒNG TUẤN

CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VÀ PHẠM VI NGHIÊN
CỨU
1.1

GIỚI THIỆU VẤN ĐỀ VÀ TÌNH TRẠNG HIỆN NAY
Trong những năm gần đây, các hệ thống viễn thông không dây (Wireless) đã phát

triển cực nhanh, tạo ra một cuộc cách mạng về khoa học kỹ thuật, nhằm đáp ứng nhu
cầu, đòi hỏi ngày càng cao của ngƣời sử dụng về số lƣợng cũng nhƣ chất lƣợng trong
các lĩnh vực công nghệ và khoa học.
Các mạng viễn thông di động đang phát triển đến thế hệ mới, cung cấp cho ngƣời
sử dụng các dịch vụ tích hợp tốc độ cao. Trong các mạng viễn thông này, giao thoa
liên ký tự (ISI: inter-symbol interference) do fading đa đƣờng và giao thoa xuyên
kênh (CCI: co-channel interference) do tần số lặp lại là các nguyên nhân chính làm
giảm chất lƣợng của hệ thống.

Hình 1. 1 Hệ thống truyền thơng khơng dây
Trong các hệ thống truyền thông không dây hiện nay, các vấn đề đặt ra cần phải
đáp ứng để tối ƣu hóa hoạt động của hệ thống truyền thơng là:

Anten thơng minh chuyển búp sóng giảm nghẽn trong CDMA

HV: Sou Virak


LUẬN VĂN THẠC SĨ

6

GVHD: TS.ĐỖ HỒNG TUẤN

- Đạt tốc độ dữ liệu cao.
- Loại bỏ các hiệu ứng đa đƣờng (mutipath).
- Hoạt động tốt trong môi trƣờng giao thoa mạnh (khả năng triệt nhiễu giao

thoa tốt).
- Có khả năng hoạt động với SDMA (Space Division Multiple Access – có
nghĩa là đa truy nhập phân chia không gian) nhằm sử dụng hiệu quả phổ radio.
- Truyền thông hiệu quả với các đầu cuối di động.
Một trong những giải pháp nhằm đáp ứng đƣợc các yêu cầu đặt ra ở trên là khai
thác hiệu quả chiều không gian bằng các Anten thông minh. Anten thông minh đƣợc
xem là phƣơng tiện thực hiện cải thiện đáng kể hiệu quả về phổ (spectral), đáp ứng
chất lƣợng dịch vụ, khả năng đáp ứng cao và đồng thời giảm đáng kể giá thành khi
lắp đặt các trạm thu/phát trong hệ thống truyền thông.
Khai thác chiều của không gian là một công cụ hiệu quả nhằm tối ƣu hoạt động
của hệ thống truyền thông không dây. Một trong những kỹ thuật đƣợc sử dụng nhằm
khai thác chiều của không gian là Đa truy cập phân chia theo không gian (SDMA).
SDMA là một kỹ thuật mới, giúp cho việc cải thiện về dung lƣợng và chất lƣợng của
các hệ thống truyền thơng khơng dây. Nó dựa trên việc sử dụng các anten có khả
năng lái các búp sóng, kết hợp các mạng (network) tạo búp sóng có thể điều khiển
đƣợc. Đã có rất nhiều tiêu chuẩn do các tổ chức quốc tế quy định cho từng loại anten
thông minh.
Tóm lại, Việc phát triển anten thơng minh và tạo ra các hệ thống anten ngày càng
thông minh hơn sẽ quyết định đáng kể đến việc nâng cao chất lƣợng cũng nhƣ nâng
cao năng lực cạnh tranh của các hệ thống truyền thông vô tuyến, đáp ứng đƣợc các
nhu cầu đòi hỏi ngày càng cao của các dịch vụ truyền thông đa phƣơng tiện.
1.2

PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Anten thông minh đã đƣợc nghiên cứu và phát triển rộng rãi bởi nhiều tổ chức và
các nhà cung cấp. Đã có nhiều tiêu chuẩn cho từng loại anten thông minh đƣợc quy
định bởi các tổ chức quốc tế. Nâng cao chất lƣợng của anten thông minh cung nhƣ
làm cho anten thông minh ngày càng thông minh hơn luôn là mong muốn của các
nhà xây dựng, hoạch định, thiết kế mạng Viễn Thông.

Anten thông minh chuyển búp sóng giảm nghẽn trong CDMA

HV: Sou Virak


LUẬN VĂN THẠC SĨ

7

GVHD: TS.ĐỖ HỒNG TUẤN

Đã có rất nhiều nghiên cứu và ứng dụng anten thông minh trong các hệ thống
truyền vô tuyến nhƣ giảm can nhiễu ISI, nhiễu đồng kênh CCI, tăng phạm vi phủ
song, anten thông minh cịn cải thiện tín hiệu đầu thu, tăng dung lƣợng hệ thống, cho
phép truy cập dữ liệu tốc độ cao…v.v . Còn trong đề tài của em là em sẽ nghiên cứu
cũng về anten thông minh nhƣng với mục định khác tức là áp dụng trong hệ thống
thông tin di động CDMA để giảm xác suất tắc nghẽn trong Cell xuống ở mức tối ƣu.

NỘI DUNG ĐỀ TÀI GỒM 5 CHƢƠNG SAU:
CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU.
CHƢƠNG II: ANTEN THÔNG MINH VÀ CÁC GIẢI THUẬT TẠO BÚP SÓNG
CHUYỂN BÚP SÓNG (SWITCHED BEAMFORMER).
CHƢƠNG III: ĐÁNH GIÁ XÁC SUẤT NGHẼN TRONG TRONG HỆ THÔNG
CDMA DÙNG ANTEN THÔNG MINH.
CHƢƠNG IV: KẾT QUẢ TÍNH TỐN.
CHƢƠNG V: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI.

================o0o================

Anten thơng minh chuyển búp sóng giảm nghẽn trong CDMA

HV: Sou Virak


LUẬN VĂN THẠC SĨ

8

GVHD: TS.ĐỖ HỒNG TUẤN

CHƢƠNG II: ANTEN THÔNG MINH VÀ CÁC GIẢI
THUẬT TẠO BÚP SÓNG CHUYỂN BÚP SÓNG
2.1

ĐA TRUY NHẬP PHẦN CHIA THEO THỜI GIAN SDMA
Hệ thống thông tin vơ tuyến đã phát triển với tốc độ chóng mặt, nhất là hệ thống

thông tin di động. Với sự thay đổi cơng nghệ xử lý tín hiệu từ tƣơng tự sang số đã
làm cho các dịch vụ trao đổi thông tin ngày càng đa dạng và phong phú. Đi kèm với
sự thay đổi đó thì kỹ thuật đa truy nhập thông tin cũng thay đổi để phù hợp nhƣ
FDMA, TDMA, CDMA, SDMA… Các kỹ thuật đa truy nhập đó có những ƣu điểm
và khuyết điểm riêng của nó, ví dụ nhƣ FDMA, TDMA trở nên phức tạp và cồng
kềnh, chống nhiễu kém… khi mà dung lƣợng và các dịch vụ yêu cầu tốc độ cao.
CDMA là một công nghệ mới phù hợp với yêu cầu hiện nay cả về dung lƣợng, chất
lƣợng dịch vụ, … tuy nhiên để ứng dụng cơng nghệ này thì ta phải thay đổi cơ sở hạ
tầng hiện nay, kể cả các thiết bị di động cầm tay hiện nay, nó cần có một thiết bị đặc
trƣng riêng cho chúng. Do đó, kỹ thuật SDMA (Space Division Multiple Access – Đa
truy nhập phân chia theo không gian) đã đƣợc nghiên cứu và ứng dụng để hổ trợ các
hệ thống hiện tại và hệ thống mới.
SDMA nghĩa là phục vụ các cuộc gọi theo các Anten định hƣớng búp sóng hẹp.

Với kỹ thuật này thì khơng gian phủ sóng đƣợc vector hóa. Khơng gian phủ sóng sẽ
đƣợc chia ra thành các miền không gian hẹp hay cịn gọi là sector hóa khơng gian.
Với kỹ thuật này sẽ giảm đƣợc hiện tƣợng giao thoa tần số, nhiễu đồng kênh, nhiễu
đa đƣờng… cho phép tăng dung lƣợng hệ thống. SDMA có thể áp dụng cho bất kỳ hệ
thống thông tin di động nào. Hiện nay kỹ thuật này đƣợc sử dụng ngay tại hệ thống
Anten để có thể xử lý tín hiệu, chọn lọc tín hiệu và điều khiển búp sóng của chính nó
sao cho phù hợp với khoảng cách của thuê bao. Hệ thống Anten đó gọi là hệ thống
Anten thông minh (Smart Antennas). Kỹ thuật SDMA là một kỹ thuật đƣợc đƣa ra từ
lâu nhƣng chƣa thực sự đƣợc sử dụng trong hệ thống thông tin quảng bá mà chỉ đƣợc
sử dụng cho mục đích quân sự.

Anten thơng minh chuyển búp sóng giảm nghẽn trong CDMA

HV: Sou Virak


LUẬN VĂN THẠC SĨ

9

GVHD: TS.ĐỖ HỒNG TUẤN

 ƢU ĐIỂM CỦA HỆ THỐNG SDMA
- Mở rộng vùng bao phủ: với hệ thống thông thƣờng, công suất truyền đi giống
nhau theo tất cả các hƣớng (giả sử môi trƣờng là đồng nhất), do đó vùng bao phủ là
giống nhau theo tất cả mọi hƣớng. Nhƣng với kỹ thuật phân chia theo không gian,
Anten có tính định hƣớng, khi đó với cùng cơng suất phát nhƣ Anten vô hƣớng, năng
lƣợng đƣợc tập trung theo một hƣớng nào đó nên phạm vi phủ sóng lớn hơn nhiều so
với Anten vơ hƣớng thơng thƣờng Hình 2. 1.

Hình 2. 1 Các búp sóng hƣớng đến các thuê bao di động
- Can nhiễu từ hệ thống khác hoặc từ các users trong các cells khác đƣợc giảm
đámg kể do việc truyền và nhận tín hiệu đƣợc chọn lọc theo không gian.
- Tăng dung lƣợng hệ thống theo 2 cách phân biệt:
+ Hệ số sử dụng lại tần số có thể giảm do can nhiễu trung bình từ các tín
hiệu liên kênh trong các cells khác đã đƣợc giảm. Vì vậy: hệ số sử dụng lại tần số từ
7 cell có thể giảm thành 4 cell. Nhƣ vậy, dung lƣợng hệ thống tăng gần gấp đôi.
+ Các kênh phân chia theo khơng gian riêng rẽ có thể đƣợc tạo trên cùng
một kênh truyền thông (cùng tần số, khe thời gian và bộ mã). Với cách phân kênh
theo không gian, ta có thêm một thơng số cho dung lƣợng.
- Với việc truyền dẫn định hƣớng theo không gian, một trạm gốc sử dụng
SDMA sẽ tiêu tốn ít cơng suất hơn so với trạm gốc truyền thống. Điều này làm giảm

Anten thơng minh chuyển búp sóng giảm nghẽn trong CDMA

HV: Sou Virak


LUẬN VĂN THẠC SĨ

10

GVHD: TS.ĐỖ HỒNG TUẤN

can nhiễu đến các hệ thống khác cũng nhƣ làm giảm kích thƣớc của các bộ khuếch
đại công suất.
- Hƣớng của mỗi kênh không gian là biết trƣớc và do đó có thể thiết lập một
cách chính xác vị trí của nguồn tín hiệu, một điều kiện tiên quyết cho các dịch vụ dựa
vào vị trí.
- SDMA thích hợp hầu hết các phƣơng pháp điều chế, băng thông và các giải

tần số bao gồm AMPS, GSM, IS-95…. SDMA có thể đƣợc thực hiện cho nhiều loại
Anten có cấu hình dãy khác nhau.
2.2

ANTEN THƠNG MINH (SMART ANTENNAS)
2.2.1

KHÁI NIỆM

Anten là thiết bị chuyển năng lƣợng điện tử thành sóng điện từ bức xạ ra khơng
gian và ngƣợc lại. Trong các hệ thống vô tuyến, Anten đƣợc đặt ở cả bên phát và bên
thu để hình thành liên kết khơng gian và sóng điện từ đƣợc lan truyền từ Anten phát
đến Anten thu. Các thiết kế vật lý của Anten có thể thay đổi tùy thuộc vào từng loại
Anten.
2.2.2

LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA ANTEN

Các hệ thống Anten đƣợc phát triển cùng với sự phát triển của các hệ thống
thơng tin vơ tuyến. Hình dạng và cấu trúc của Anten đã đƣợc thay đổi rất nhiều
để ngày càng tiến đến sự tối ƣu của hệ thống thông tin vô tuyến cũng nhƣ phù hợp
với các ứng dụng khác nhau.
2.2.2.1 ANTEN VÔ HƢỚNG (OMNIDIRECTIONAL ANTENNA)
Ở thời kỳ đầu tiên của hệ thống truyền thông không dây, Anten đƣợc sử dụng là
Anten lƣỡng cực (dipole antenna), Anten này thu và phát nhƣ nhau theo tất cả mọi
hƣớng. Để tìm đƣợc ngƣời sử dụng mong muốn của nó, thiết kế đơn phần tử (signal –
element) của loại Anten này quảng bá tín hiệu ra mọi hƣớng theo dạng tƣơng tự nhƣ
bức xạ sóng ra xa trong một bể nƣớc. Trong khi loại Anten này thích hợp với mơi
trƣờng RF đơn giản mà không biết rõ ngƣời sử dụng đang ở đâu, phƣơng pháp này
thực hiện phân tán tín hiệu, tín hiệu truyền đến ngƣời sử dụng mong muốn chỉ là một

phần nhỏ của năng lƣợng phát ra môi trƣờng.

Anten thông minh chuyển búp sóng giảm nghẽn trong CDMA

HV: Sou Virak


LUẬN VĂN THẠC SĨ

11

GVHD: TS.ĐỖ HỒNG TUẤN

Do những hạn chế cơ bản của loại Anten này, để khắc phục những khó khăn do
mơi trƣờng truyền, cần phải tăng cơng suất quảng bá phát ra. Điều này đã tạo ra một
nhƣợc điểm lớn là ngƣời sử dụng này sẽ trở thành nguồn tín hiệu giao thoa đối với
ngƣời sử dụng khác trong cùng một vùng phủ sóng.
Trong các ứng dụng uplink (giữa ngƣời sử dụng và trạm nền), các Anten này
không đáp ứng tối ƣu cho ngƣời sử dụng về cƣờng độ tín hiệu. Những ngƣời sử dụng
phải cạnh tranh với nhau về năng lƣợng tín hiệu. Phƣơng pháp Anten đơn phần tử
không thể chọn lọc để loại bỏ giao thoa giữa những ngƣời sử dụng đƣợc phục vụ và
không thể làm giảm ảnh hƣởng của hiệu ứng đa đƣờng (multipath) trong không gian
hay các khả năng cân bằng khác.
Anten vô hƣớng không sử dụng hiệu quả về phổ, giới hạn tần số lặp lại trong các
hệ thống thông tin di động cellular. Các giới hạn này tác động đến những ngƣời thiết
kế hệ thống và những nhà hoạch định mạng do tính phức tạp và giá thành cao. Trong
những năm gần đây, Các giới hạn về kỹ thuật của Anten băng rộng về chất lƣợng,
dung lƣợng và khả năng phủ sóng của các mạng khơng dây đã tạo ra một động lực
cho sự phát triển trong thiết kế cơ bản và vai trị của Anten trong hệ thống khơng dây.

Hình 2. 2 Anten vô hƣớng và tổ hợp bức xạ

2.2.2.2 ANTEN ĐỊNH HƢỚNG (DIRECTIONAL ANTENNA)
Một Anten đơn cũng có thể đƣợc cấu trúc để có hƣớng phát và thu tín hiệu ƣu tiên
cố định nào đó. Hiện nay, để hổ trợ cho việc bổ sung các vị trí máy phát mới, các
tháp Anten truyền thống phân chia không gian thành các cell hình quạt. Khơng gian

Anten thơng minh chuyển búp sóng giảm nghẽn trong CDMA

HV: Sou Virak


LUẬN VĂN THẠC SĨ

12

GVHD: TS.ĐỖ HỒNG TUẤN

3600 thƣờng đƣợc chia làm 3 vùng 1200 , mỗi vùng đƣợc phủ bởi một phƣơng pháp

truyền thơng quảng bá.
Các loại Anten hình quạt cung cấp độ lợi lớn trên một phạm vi có giới hạn của
góc phƣơng vị so với một anten vơ hƣớng. Đây là một dạng tham khảo phổ biến về
độ lợi của các phần tử Anten và đƣợc sử dụng trong xử lí độ lợi liên quan đến sự phát
triển của các hệ thống Anten thông minh sau này.
Trong khi các Anten hình quạt sử dụng nhiều kênh, nó khơng khắc phục đƣợc
nhƣợc điểm chủ yếu của Anten vô hƣớng là triệt giao thoa xuyên kênh. Do đó, đây
đƣợc xem là nhƣợc điểm chủ yếu của Anten định hƣớng.

Hình 2. 3 Anten định hƣớng và tổ hợp bức xạ

2.2.3

CÁC HỆ THỐNG ANTEN

Làm thế nào để một Anten có thể thơng minh hơn? Thứ nhất, thiết kế vật lí của nó
có thể sửa đổi bằng cách thêm nhiều phần tử. Thứ hai, Anten có thể trở thành một hệ
thống Anten có thể dịch pha các tín hiệu trƣớc khi phát/thu ở từng phần tử sao cho
Anten có thể tạo ra một tín hiệu tổng hợp có cƣờng độ lớn. Khái niệm phần cứng và
phần mềm cơ bản này đƣợc sử dụng trong Anten đƣợc gọi là Anten dãy chia pha
(array phased antenna).
Sau đây là các quá trình phát triển của Anten nhằm đạt đƣợc tín hiệu quả và sự
thơng minh của Anten.

Anten thơng minh chuyển búp sóng giảm nghẽn trong CDMA

HV: Sou Virak


LUẬN VĂN THẠC SĨ

13

GVHD: TS.ĐỖ HỒNG TUẤN

2.2.3.1 CÁC HỆ THỐNG ANTEN HÌNH QUẠT
- Các hệ thống Anten hình quạt đảm nhận một vùng Cell và chia nhỏ nó thành
các hình quạt nhỏ, đƣợc bao phủ bởi các Anten định hƣớng nhìn ra từ cùng một trạm
nền.
- Về hoạt động, mỗi hình quạt đƣợc xem nhƣ một Cell khác nhau, phạm vi của
nó lớn hơn so với trƣờng hợp Anten vơ hƣớng.

Hình 2. 4 Anten hình quạt và tổ hợp bức xạ
- Các Anten hình quạt tăng khả năng lặp lại có thể của một kênh tần số trong
các hệ thống cellular bằng cách làm giảm giao thoa qua cell gốc, và chúng đƣợc sử
dụng rộng rãi cho mục đích này.
- Thông thƣờng, trên thực tế thƣờng sử dụng 6 Anten trên một Cell. Khi kết hợp
nhiều hơn 1 trong số các Anten này, trạm nền có thể bao phủ tất cả mọi hƣớng.
2.2.3.2 CÁC HỆ THỐNG PHÂN TÁN (DIVERSITY SYSTEM)
- Bƣớc phát triển tiếp theo nhằm tạo ra anten thông minh là hệ thống
phân tán, nó kết hợp 2 phần tử Anten ở trạm nền, sự phân chia vật lý đơn giản (tính
phân tán khơng gian) của nó đã đƣợc sử dụng để cải thiện khả năng thu bằng cách
loại bỏ các hiệu ứng âm của hiện tƣợng đa đƣờng.
- Tính phân tán cải thiện hiệu quả về cƣờng độ của tín hiệu thu đƣợc
bằng cách sử dụng một trong hai phƣơng pháp sau:
+ Phân tán chuyển đổi (Switched Diversity): Giả sử có tối thiểu một Anten ở
một vị trí thuận lợi ở một thời điểm nào đó, hệ thống này liên tục chuyển đổi giữa các
Anten (kết nối mỗi kênh thu với anten phục vụ tốt nhất) sao cho ln ln sử dụng

Anten thơng minh chuyển búp sóng giảm nghẽn trong CDMA

HV: Sou Virak


LUẬN VĂN THẠC SĨ

14

GVHD: TS.ĐỖ HỒNG TUẤN

phần tử Anten có đáp ứng lớn nhất. Cách này sẽ làm giảm các hiệu ứng âm của

fading tín hiệu nhƣng khơng làm tăng độ lợi do chỉ có một Anten đƣợc sử dụng ở mỗi
thời điểm.

Hình 2. 5 Vùng bao phủ của anten phân tán chuyển đổi với fading và dạng phân tán
chuyển đổi
+ Phân tán kết hợp (Diversity Combining): Phƣơng pháp này hiệu chỉnh sai
lệch pha của 2 tín hiệu đa đƣờng và kết hợp hiệu quả công suất của cả 2 tín hiệu để
tạo ra độ lợi cao. Các hệ thống phân tán khác nhƣ các hệ thống kết hợp tỷ lệ cực đại,
kết hợp các ngõ ra của tất cả các Anten để cực đại tỷ số năng lƣợng tín hiệu kết hợp
thu đƣợc trên nhiễu (SIR).

Hình 2. 6 Vùng bao phủ của anten phân tán kết hợp với đơn phần tử và dạng phân tán
kết hợp

Anten thông minh chuyển búp sóng giảm nghẽn trong CDMA

HV: Sou Virak