Ứng dụng anten thông minh và bộ cân bằng thích nghi trong các hệ thống thông tin không dây băng rộng

ðại học Quốc Gia TP. HCM
Trường ðại học Bách Khoa
Khoa ðiện – ðiện Tử
Bộ môn Viễn Thông

ðỖ THỊ NGỌC THANH

ỨNG DỤNG ANTEN THƠNG MINH VÀ BỘ CÂN
BẰNG THÍCH NGHI TRONG CÁC HỆ THỐNG
THÔNG TIN KHÔNG DÂY BĂNG RỘNG
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2009


CƠNG TRÌNH ðƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ðẠI HỌC BÁCH KHOA
ðẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS. ðỗ Hồng Tuấn
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Cán bộ chấm nhận xét 1: TS. Phan Hồng Phương
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Cán bộ chấm nhận xét 2 : TS. Hồ Văn Khương
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Luận văn thạc sĩ ñược bảo vệ tại HỘI ðỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN

THẠC SĨ
TRƯỜNG ðẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày 16 tháng 7 năm 2009


ðẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ðẠI HỌC BÁCH KHOA
----------------

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM
ðộc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc
---oOo--Tp. HCM, ngày . . . . . tháng . . . . . năm . . . . . .

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên:

ðỖ THỊ NGỌC THANH

Giới tính :

Nữ

Ngày, tháng, năm sinh :

28 – 04 – 1984

Nơi sinh :

Thanh Hóa

Chuyên ngành :

Kỹ thuật điện tử

Khố (Năm trúng tuyển) : 2007
1- TÊN ðỀ TÀI:

Ứng dụng Anten thông minh và bộ cân bằng thích nghi trong các hệ thống
thơng tin khơng dây băng rộng”.

2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
..........................................................................
..........................................................................
..........................................................................
..........................................................................
..........................................................................
..........................................................................
..........................................................................
..........................................................................
..........................................................................
..........................................................................
..........................................................................
.....................................................................
3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:

15 – 9 – 2008

4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 6 – 7– 2009
5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:

TS. ðỗ Hồng Tuấn

Nội dung và ñề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội ðồng Chun Ngành thơng qua.
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN
QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)


LỜI CẢM ƠN
Trước hết,, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc ñến thầy
hướng dẫn, TS. ðỗ Hồng Tuấn. Thầy ñã tận tình hướng
dẫn trong suốt quá trình em thực hiện luận văn. Sự ñộng
viên và hỗ trợ của thầy ñã tạo ñộng lực cho em hoàn
thành tốt luận văn này.
Ngoài ra, em xin chân thành cảm ơn các thầy cô thuộc
Bộ môn Viễn Thông, khoa ðiện – ðiện Tử ñã cho em
ñiều kiện tốt nhất trong quá trình thực hiện luận văn.
Xin chân thành cảm ơn các bạn bè và đồng nghiệp đã
quan tâm, giúp đỡ và đóng góp ý kiến cho luận văn được
tốt hơn.
TP. Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2009
Học viên thực hiện

ðỗ Thị Ngọc Thanh


GVHD: TS. ðỗ Hồng Tuấn

Luận văn thạc sĩ

ABSTRACT
In this thesis, a wideband adaptive beamforming technique in frequency
domain combined with adaptive equalizer with analysis of both performance and
capacity through multipath-interference environment will be presented. Traditional
adaptive beamforming algorithms provide a larger service capacity and a higher
link quality through interference rejection for narrowband signals. However, these
algorithms may not be applicable for true wideband signals (ratio of bandwidth
larger than 1%) and this requires the construction of new wideband adaptive
beamformers. There exist many wideband beamforming techniques in time
domain in practice, but they are very complicated and non-optimal. Therefore, a
construction of wideband adaptive beamformer in frequency domain using FastFourier Transform (FFT) is proposed in my thesis as well as a comparison with the
techniques in time domain is also performed by analysis and simulations. The
simulations use MATLAB program.

This thesis is divided into seven chapters:
Chapter 1: Introduction
This chapter presents the motivation, the state-of-art in the domain and the
scope of the thesis.
Chapter 2: Smart Antenna Arrays Theory
This chapter will review some basic concepts from Smart Antenna Arrays
Theory that is relevant to the framework developed in the following chapters. The
most important concepts are an adaptive antenna arrays model and some criteria
and algorithms used for this model.
Chapter 3: Narrowband and Wideband Adaptive Beamforming
Học viên: ðỗ Thị Ngọc Thanh

2

Luận văn thạc sĩ

GVHD: TS. ðỗ Hồng Tuấn

The main idea of narrowband adaptive beamforming as well as wideband
adaptive beamforming (both wideband adaptive beamfomer in time domain and
wideband adaptive beamformer in frequency domain) is introduced in this chapter.
Here, I also introduce clearly the signal processing and the LMS algorithm as well
as RLS algorithm in frequency domain.
Chapter 4: Adaptive Equalizer
This chapter presents the concepts of adaptive equalizer as well as its
applications in communication systems.
Chapter 5: Adaptive Space-Time Scheme
In this chapter, an Adaptive Space-Time Scheme which is the combination
between adaptive beamforming and adaptive equalizer is proposed.
Chapter 6: Simulation Results
In this chapter, I will present and analysis the results of narrowband
adaptive beamforming and wideband adaptive beamforming, adaptive equalizer
and the the combining scheme between adaptive beamforming and adaptive
equalizer.
Chapter 7: Conclusion and Future work
This is the final chapter of this thesis, where I will evaluate and review the
work done, as well as introduce some future work to be done.

Keywords: Smart Antenna Arrays, Adaptive Beamforming, Adaptive
Equalizer, MMSE, LMS, RLS, Fast FFT.

Học viên: ðỗ Thị Ngọc Thanh

3


GVHD: TS. ðỗ Hồng Tuấn

Luận văn thạc sĩ

Mục lục
ABSTRACT ........................................................................................................................ 2
Mục lục ................................................................................................................................ 4
Mục lục hình vẽ ................................................................................................................... 7
CÁC CHỮ VIẾT TẮT ...................................................................................................... 11
Chương 1. ðẶT VẤN ðỀ ................................................................................................ 13
1. Tình hình nghiên cứu ................................................................................................... 13
2. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu................................................................................. 15
Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ DÃY ANTEN THÍCH NGHI .............................. 16
1. Hệ thống anten thơng minh .......................................................................................... 16
1.1. ðịnh nghĩa ......................................................................................................... 16
1.2. Nguyên lý làm việc của anten thông minh ....................................................... 16
1.3. Hệ thống anten thông minh ............................................................................... 17
1.4. Các loại anten thông minh ................................................................................ 18
1.5. Những thuận lợi của hệ thống anten thông minh .............................................. 25
2. Dãy anten thích nghi .................................................................................................... 27
2.1. ðịnh nghĩa ......................................................................................................... 27
2.2. Mơ hình tín hiệu của dãy anten ......................................................................... 29
3. Bộ tạo búp sóng thích nghi (Adaptive Beamforming) ................................................. 31
4. Các tiêu chuẩn thích nghi ............................................................................................. 33
4.1. Cực tiểu sai số trung bình bình phương (MMSE) ............................................ 33
4.2. Cực đại tỷ số tín hiệu trên giao thoa cơng nhiễu (MSINR) .............................. 34
4.3. Cực tiểu sự biến đổi tuyến tính cưỡng bức (LCMV) ........................................ 35

5. Các giải thuật thích nghi .............................................................................................. 36
5.1. Trung bình bình phương tối thiểu (LMS) ......................................................... 36
Học viên: ðỗ Thị Ngọc Thanh

4


Luận văn thạc sĩ

GVHD: TS. ðỗ Hồng Tuấn

5.2. Nghịch ñảo ma trận mẫu (SMI) ........................................................................ 38
5.3. Bình phương tối thiểu ñệ quy (RLS) ................................................................ 39
Chương 3. BỘ TẠO BÚP SÓNG THÍCH NGHI BĂNG HẸP VÀ BĂNG RỘNG ........ 40
1. Kỹ thuật tạo búp sóng thích nghi băng hẹp.................................................................. 40
1.1. Thuật tốn thích nghi LMS ............................................................................... 41
1.2. Thuật tốn thích nghi RLS ................................................................................ 44
2. Kỹ thuật tạo búp sóng thích nghi băng rộng miền thời gian ........................................ 45
3. Kỹ thuật tạo búp sóng thích nghi băng rộng miền tần số ............................................ 49
3.1. Giải thuật LMS xử lý khối ................................................................................ 50
3.2. Ý tưởng chung của bộ tạo búp sóng thích nghi ở miền tần số.......................... 52
3.3. Giải thuật Fast LMS .......................................................................................... 55
3.4. Cải thiện tốc ñộ hội tụ của giải thuật Fast LMS bằng giải thuật Fast LMS chuẩn
(Normalized Fast LMS) ..................................................................................................... 59
3.5. Giải thuật Fast RLS ........................................................................................... 61
Chương 4. BỘ CÂN BẰNG THÍCH NGHI..................................................................... 62
1. Giới thiệu ..................................................................................................................... 62
2. Các bộ cân bằng tuyến tính .......................................................................................... 64
•

Tiêu chuẩn và thuật tốn thích nghi .................................................................. 68

3. Các bộ cân bằng hồi tiếp quyết ñịnh (DFE) ................................................................. 70
4. Các bộ cân bằng MLSE ............................................................................................... 73
Chương 5. GIẢI THUẬT THÍCH NGHI KHƠNG GIAN- THỜI GIAN ....................... 81
1. Mục đích ...................................................................................................................... 81
2. Mơ hình kênh truyền .................................................................................................... 82
3. Mơ hình kết hợp dùng dãy anten thích nghi và kỹ thuật cân bằng thích nghi ............. 84
Chương 6. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ................................................................................ 87
1. Các kết quả mơ phỏng bộ tạo búp sóng thích nghi băng hẹp ...................................... 87
Học viên: ðỗ Thị Ngọc Thanh

5


Luận văn thạc sĩ

GVHD: TS. ðỗ Hồng Tuấn

1.1. Khảo sát bộ tạo búp sóng thích nghi với giải thuật LMS ................................. 87
1.1.1. Trường hợp 1: chỉ có tín hiệu can nhiễu ............................................. 87
1.1.2. Trường hợp 2: tín hiệu vừa bị can nhiễu vừa bị nhiễu của mơi trường
truyền sóng SNR=10 dB. ........................................................................................... 99
1.1.3. Trường hợp 3: ðánh giá kết quả mơ phỏng theo thống kê trung bình
cộng:
........................................................................................................... 104
1.2. So sánh giải thuật Least Mean Sqaure (LMS) và Recursive Least Square (RLS)
......................................................................................................................... 109
2. Các kết quả mô phỏng bộ tạo búp sóng thích nghi băng rộng ................................... 112
2.1. Bộ tạo búp sóng thích nghi băng rộng trong miền thời gian .......................... 112

2.2. Bộ tạo búp sóng thích nghi băng rộng trong miền tần số dùng giải thuật Fast
LMS

......................................................................................................................... 113
2.3. Bộ tạo búp sóng thích nghi băng rộng trong miền tần số dùng giải thuật

Normalized Fast LMS ..................................................................................................... 122
2.4. Bộ tạo búp sóng thích nghi băng rộng trong miền tần số dùng giải thuật Fast
RLS123
3. Các kết quả mô phỏng bộ cân bằng thích nghi .......................................................... 125
• Trường hợp 3: Mơ phỏng với các loại bộ cân bằng................................. 128
4. Kết quả mô phỏng sự kết hợp của bộ Beamformer thích nghi và kỹ thuật cân bằng
thích nghi.................................................................................................................... 130
Chương 7. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ðỀ TÀI ............................ 132
1. Kết luận ...................................................................................................................... 132
2. Hướng phát triển của ñề tài ........................................................................................ 132
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................... 134

Học viên: ðỗ Thị Ngọc Thanh

6


Luận văn thạc sĩ

GVHD: TS. ðỗ Hồng Tuấn

Mục lục hình vẽ
Hình 1. Sơ đồ khối của một hệ thống anten thơng minh ................................................... 18
Hình 2. Hệ thống Switched beam ...................................................................................... 19

Hình 3. Vùng che phủ của hệ thống Switched beam......................................................... 20
Hình 4. Sơ đồ khối của hệ thống Switched beam .............................................................. 21
Hình 5. Hệ thống Adaptive array ...................................................................................... 22
Hình 6. Dạng vịm sóng của hệ thống Adaptive array ...................................................... 23
Hình 7. Sự so sánh vùng che phủ của anten Switched beam và anten thích nghi ............. 24
Hình 8. Hệ thống anten thích nghi ..................................................................................... 27
Hình 9. Các cấu hình hình học của anten thích nghi ......................................................... 28
Hình 10. Mơ hình tín hiệu của dãy anten .......................................................................... 30
Hình 11. Cấu hình của bộ Beamfomer thích nghi băng hẹp ............................................. 32
Hình 12. Sơ đồ khối của bộ tạo búp sóng thích nghi ........................................................ 40
Hình 13. Cấu hình của bộ tạo búp sóng băng rộng miền thời gian ................................... 46
Hình 14. FFT được sử dụng trong bộ tạo búp sóng băng rộng ......................................... 50
Hình 15. Cấu hình của bộ tạo búp sóng băng rộng miền tần số ........................................ 53
Hình 16. Sơ đồ khối hiện thực giải thuật fast LMS dùng phương pháp overlap-save ...... 58
Hình 17. Sơ đồ khối của kênh truyền ............................................................................... 62
Hình 18. Kênh truyền và Bộ cân bằng .............................................................................. 63
Hình 19. Sơ đồ khối của bộ cân bằng tuyến tính thích nghi ............................................. 64
Hình 20. Cấu trúc của bộ cân bằng tuyến tính thích nghi ................................................. 65
Hình 21. Sơ đồ nguyên lý của bộ cân bằng ñịnh khoảng ký hiệu ..................................... 67
Hình 22. Sơ đồ ngun lý của bộ cân bằng định khoảng tỷ lệ .......................................... 68
Hình 23. Sơ đồ khối của bộ Adaptive Decision Feedback Equalizer ............................... 71
Hình 24. Sơ ñồ nguyên lý của bộ cân bằng hồi tiếp quyết ñịnh ........................................ 71
Học viên: ðỗ Thị Ngọc Thanh

7


Luận văn thạc sĩ

GVHD: TS. ðỗ Hồng Tuấn

Hình 25. Sơ ñồ của bộ cân bằng MLSE ........................................................................... 75
Hình 26. Quá trình cập nhật của giải thuật Viterbi............................................................ 80
Hình 27. Kênh truyền fading ............................................................................................ 82
Hình 30. Biên độ trọng số thích nghi của theo số mẫu với M = 4, µ = 0.01 ..................... 87
Hình 31. Sai số ước lượng ở ngõ ra theo số mẫu với M = 4, µ = 0.01 .............................. 88
Hình 32. Hàm array factor M=4, µ = 0.01 ........................................................................ 88
Hình 33. Biên độ trọng số thích nghi của theo số mẫu với M = 8, µ = 0.01 ..................... 89
Hình 34. Sai số ước lượng ở ngõ ra theo số mẫu với M = 8, µ = 0.01 .............................. 89
Hình 35. Hàm array factor M=8, µ = 0.01 ........................................................................ 90
Hình 36. Biên độ trọng số thích nghi của theo số mẫu với M = 100, µ = 0.01 ................. 90
Hình 37. Sai số ước lượng ở ngõ ra theo số mẫu với M = 100, µ = 0.01 .......................... 91
Hình 38. Hàm array factor M=100, µ = 0.01 .................................................................... 91
Hình 39. Biên độ trọng số thích nghi của theo số mẫu với M = 4, µ = 0.01 ..................... 93
Hình 40. Sai số ước lượng ở ngõ ra theo số mẫu với M = 4, µ = 0.01 .............................. 93
Hình 41. Hàm array factor M=4, µ = 0.01 ........................................................................ 94
Hình 42. Biên độ trọng số thích nghi của theo số mẫu với M = 8, µ = 0.01 ..................... 94
Hình 43. Sai số ước lượng ở ngõ ra theo số mẫu với M = 8, µ = 0.01 .............................. 95
Hình 44. Hàm array factor M=8, µ = 0.01 ........................................................................ 95
Hình 45. Biên độ trọng số thích nghi của theo số mẫu với M = 8, µ = 0.001 ................... 96
Hình 46. Sai số ước lượng ở ngõ ra theo số mẫu với M = 8, µ = 0.001 ............................ 96
Hình 47. Hàm array factor M=8, µ = 0.01 ........................................................................ 97
Hình 48. Biên độ trọng số thích nghi của theo số mẫu với M = 8, µ = 0.07 ..................... 97
Hình 49. Sai số ước lượng ở ngõ ra theo số mẫu với M = 8, µ = 0.07 .............................. 98
Hình 50. Hàm array factor M=8, µ = 0.07 ........................................................................ 98
Hình 51. Biên độ trọng số thích nghi của theo số mẫu với M = 5, µ = 0.05, SNR=10dB 99
Hình 52. Sai số ước lượng ở ngõ ra theo số mẫu với M=5, µ=0.05, SNR=10dB ........... 100
Học viên: ðỗ Thị Ngọc Thanh

8

Luận văn thạc sĩ

GVHD: TS. ðỗ Hồng Tuấn

Hình 53. Hàm array factor M=5, µ=0.05, SNR=10dB .................................................... 100
Hình 54. Biên độ trọng số thích nghi của theo số mẫu với M=8, µ=0.05, SNR=10dB .. 101
Hình 55. Sai số ước lượng ở ngõ ra theo số mẫu với M=8, µ=0.05, SNR=10dB .......... 101
Hình 56. Hàm array factor M=8, µ = 0.05, SNR= 10dB ................................................. 102
Hình 57. Biên độ trọng số thích nghi của theo số mẫu với M=8, µ=0.01, SNR=10dB .. 102
Hình 58. Sai số ước lượng ở ngõ ra theo số mẫu với M=8, µ=0.05, SNR=10dB ........... 103
Hình 59. Hàm array factor M=8, µ = 0.05, SNR= 10dB ................................................. 103
Hình 60. Biên độ trọng số thích nghi của theo số mẫu với M=5, µ=0.05, SNR=10dB .. 105
Hình 61. Sai số ước lượng ở ngõ ra theo số mẫu với M=5, µ=0.05, SNR=10dB ........... 105
Hình 62. Hàm array factor M=5, µ = 0.05, SNR= 10dB ................................................. 106
Hình 63. Biên độ trọng số thích nghi của theo số mẫu với M=8, µ=0.05, SNR=10dB .. 106
Hình 64. Sai số ước lượng ở ngõ ra theo số mẫu với M=8, µ=0.05, SNR=10dB ........... 107
Hình 65. Hàm array factor M=8, µ = 0.05, SNR= 10dB ................................................. 107
Hình 66. Giải thuật RLS: (a) Tín hiệu sai số e(n) (b) Biên ñộ vector trọng số của dãy ( c)
Array factor của dãy ................................................................................................... 110
Hình 67. Giải thuật LMS: (a) Tín hiệu sai số e(n) (b) Biên độ vector trọng số của dãy (c)
Array factor của dãy ................................................................................................... 111
Hình 68. Sai số ngõ ra của bộ tạo búp sóng thích nghi băng rộng trong miền thời gian 112
Hình 69. Array factor trong khơng gian ba chiều, no_BW=16, µ=0.0001 ..................... 113
Hình 70. Array factor , no_BW=16, µ=0.0001 ............................................................... 114
Hình 71. Sai số ngõ ra của bộ tạo búp sóng thích nghi băng rộng trong miền tần số với
no_BW=16, µ=0.0001................................................................................................ 114
Hình 72. Array factor khi tín hiệu đến là 300, -400 và 800 .............................................. 115
Hình 73. Sai số ngõ ra tương ứng .................................................................................... 115

Hình 74. Array factor, no_BW=16, µ=0.003 .................................................................. 116
Hình 75. Sai số ngõ ra, no_BW=16, µ=0.003 ................................................................. 117
Học viên: ðỗ Thị Ngọc Thanh

9


Luận văn thạc sĩ

GVHD: TS. ðỗ Hồng Tuấn

Hình 75. Array factor, no_BW=16, µ=0.00001 .............................................................. 117
Hình 76. Sai số ngõ ra, no_BW=16, µ=0.00001 ............................................................. 118
Hình 77. Array factor của dãy anten, µ=0.0001, BW=0.1 .............................................. 118
Hình 78. Sai số ngõ ra, µ=0.0001, BW=0.1 .................................................................... 119
Hình 79. Array factor của dãy, µ=0.0001, no_BW=32 ................................................... 120
Hình 80. Sai số ngõ ra, µ=0.0001, no_BW=32 ............................................................... 120
Hình 81. Array factor của dãy, µ=0.0001, no_BW=256 ................................................. 121
Hình 82. Sai số ngõ ra, µ=0.0001, no_BW=256 ............................................................. 121
Hình 83. Array factor của dãy, γ=0.99, α=0.01 ............................................................... 122
Hình 84. Sai số ngõ ra, γ=0.99, α=0.01 ........................................................................... 123
Hình 85. Array factor của dãy, giải thuật RLS, δ=0.9995............................................... 124
Hình 86. Sai số ngõ ra của dãy, giải thuật RLS, δ=0.9995 ............................................. 124
Hình 87. Hiệu quả của bộ cân bằng thích nghi với µ=0.01 ............................................ 125
Hình 88. Hiệu quả của bộ cân bằng thích nghi với µ=0.2 ............................................... 126
Hình 89. Hiệu quả của bộ cân bằng thích nghi khi có hiệu ứng Doppler fd=2000Hz (a)
giải thuật LMS (b) giải thuật RLS ............................................................................ 127
Hình 90. So sánh các loại bộ cân bằng với µ=0.02 ......................................................... 128
Hình 91. So sánh các loại bộ cân bằng với µ=0.002 ....................................................... 129
Hình 92. Hiệu quả kết hợp beamformer thích nghi và bộ cân bằng thích nghi trong kênh

truyền Rayleigh .......................................................................................................... 131

Học viên: ðỗ Thị Ngọc Thanh

10


Luận văn thạc sĩ

GVHD: TS. ðỗ Hồng Tuấn

CÁC CHỮ VIẾT TẮT
8PSK
ADC
AMPS
AOA
ASIC
BPF
BPSK
BS
CCI
CIR
DFE
DOA
DSP
DS-SS
FDD
FDMA
FFT
FH-SS

FPGA
GSM
IF
IFFT
ISI
LCMV
LMS
LNA
MLSE
MMSE

8 Phase Shif Keying
Bit Error Ratio
Advanced Mobile Phone System
Angle of Arrival
Application Specific Integrated Circuit
Band Pass Filter
Binary Phase Shift Keying
Base Station
Co-Chanel Interference
Channel Impulse Response
Decision Feedback Equalizer
Direction of Arrival
Digital Signal Processing
Direct Sequence Spread Spectrum
Frequency Devision Duplex
Frequency Division Multiple Access
Fast Fourier Transform
Frequency Hopping Spread Spectrum
Programmable Gate Array

Global System for Mobile
Intermediate Frequency
Inverse Fast Fourier Transform
Intersymbol Interference
Lineary Constained Minimum Variance
Least Mean Square
Low Noise Amplifier
Maximum Likelihood Sequence
Minimum Mean Square Error

MRC

Maximum Ratio Combining

MSINR
MSC
MVDR
QPSK

Maximum Singnal Interference Noise
Mobile Switching Center
Minimum Variance Distoritionless
Quarature Phase Shif Keying

RF
RLS

Radio Frequency
Recursive Least Square

Học viên: ðỗ Thị Ngọc Thanh

11


Luận văn thạc sĩ
SDMA
SMI
SNR

Học viên: ðỗ Thị Ngọc Thanh

GVHD: TS. ðỗ Hồng Tuấn
Space Division Multiple Access
Sample Matrix Inversion
Signal To Noise Ratio

12


GVHD: TS. ðỗ Hồng Tuấn

Luận văn thạc sĩ

Chương 1. ðẶT VẤN ðỀ
Trong những năm gần ñây, các hệ thống Viễn thơng khơng dây đã phát triển
cực nhanh tạo ra một cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật nhằm ñáp ứng nhu cầu
ngày càng cao của người sử dụng. Do đó việc phát triển, tối ưu, nâng cao chất
lượng của hệ thống ln là u cầu đặt ra đối với những nhà nghiên cứu, những
nhà sản xuất và những nhà hoạch ñịnh mạng. Trong các mạng Viễn thông vô

tuyến, hai yếu tố chính làm giảm chất lượng của hệ thống là: hiện tượng fading ña
ñường (multipath fading) và can nhiễu (interference). Chính vì vậy nếu có thể làm
giảm được hiện tượng fading đa đường và can nhiễu thì chất lượng cũng như dung
lượng của hệ thống sẽ ñược nâng cao và hệ thống sẽ được tối ưu hơn.
Có rất nhiều phương pháp ñể giảm hiện tượng fading ña ñường và can
nhiễu. Một trong những kỹ thuật hiệu quả nhất ñược sử dụng phổ biến nhất ở các
trạm gốc ñể triệt can nhiễu là dùng anten thơng minh. Bên cạnh đó việc ñòi hỏi
phải sử dụng hợp lý phổ tần số ñã làm cho các kỹ thuật ñiều chế ngày càng trở nên
phức tạp. Cùng với việc nâng cao số mức ñiều chế và mức cơng suất phát bị giới
hạn đã làm cho các điểm điều chế trên chịm sao rất sát với nhau và như vậy các
tín hiệu thu được trở nên rất nhạy cảm với các tín hiệu méo dạng do hiện tượng ña
ñường hay các nhiễu nhiệt (noise) làm suy giảm. Vì vậy để bù lại các mất mát cho
tín hiệu khi qua kênh truyền phân tán theo thời gian ta sử dụng bộ cân bằng thích
nghi.

1. Tình hình nghiên cứu
Việc sử dụng anten thơng minh (ở đây sử dụng kỹ thuật tạo búp sóng) cho
phép ta tái sử dụng tần số ñồng thời triệt ñược can nhiễu. Anten thơng minh làm
được điều này là do nó chỉ tập trung bức xạ theo hướng mong muốn và tự ñiều
chỉnh cho phù hợp với mơi trường đồng thời cịn có thể tạo null ở những hướng tín
hiệu mà ta khơng mong muốn.

Học viên: ðỗ Thị Ngọc Thanh

13


Luận văn thạc sĩ

GVHD: TS. ðỗ Hồng Tuấn

Anten thông minh ñã ñược phát triển rất mạnh mẽ và ñược ứng dụng mạnh
mẽ trong các hệ thống truyền thông chất lượng cao. Một trong những loại anten
thơng minh tối ưu đã ñược sử dụng rộng rãi và ñạt hiệu quả cao là sử dụng dãy
anten tạo búp sóng thích nghi (Adaptive Beamforming Array Antenna) trong các
hệ thống thông tin không dây cho các đặc tính ưu việt sau đây:
+ Búp sóng quét liên tục theo tín hiệu mong muốn.
+ Tạo ra hình dạng thích nghi cho các búp sóng anten.
+ Khả năng triệt can nhiễu cao làm tăng dung lượng của hệ thống.
+ Sử dụng ña truy cập phân chia theo khơng gian (SDMA) khai thác hiệu
quả được các chiều của không gian giúp cho việc cải thiện dung lượng và chất
lượng của các hệ thống thông tin không dây.
Anten thông minh ñã ñược nghiên cứu và phát triển rộng rãi và cũng đã có
nhiều tiêu chuẩn cho từng loại anten thơng minh được quy định bởi các tổ chức
quốc tế. Việc phát triển và tạo ra các anten ngày càng thơng minh hơn sẽ quyết
định đáng kể đến việc nâng cao chất lượng cũng như nâng cao năng lực cạnh tranh
của hệ thống cuả các hệ thống truyền thông không dây ñáp ứng tốt hơn nhu cầu
ngày càng cao của người sử dụng.
Hơn nữa, trong các hệ thống viễn thông không dây trong tương lai, do yêu
cầu tăng cao về dung lượng địi hỏi phải sử dụng các tín hiệu băng rộng (ví dụ hệ
thống UWB) cho nên việc nghiên cứu kỹ thuật anten thơng minh cho các tín hiệu
băng rộng là cần thiết. ðã có rất nhiều các hệ thống sử dụng kỹ thuật anten thông
minh băng hẹp và các tính tốn xử lí trong miền thời gian. Vấn ñề ñược ñặt ra ñối
với các ứng dụng băng rộng, các phép tính tốn và xử lí sẽ vơ cùng phức tạp và
khơng tối ưu. Phương pháp tạo búp sóng băng rộng kiểu truyền thống trong miền
thời gian sử dụng bộ lọc có các đường trễ (TDL_Tapped Delay Line) [3]. Tuy
nhiên phương pháp này các phép tính tốn sẽ trở nên rất phức tạp và ñộ hội tụ sẽ
chậm. ðã có một số đề tài sử dụng kỹ thuật anten thông minh băng rộng ở miền
tần số sử dụng bộ chuyển đổi fourier nhanh (FFT) tạo sự thích nghi cho từng tần
Học viên: ðỗ Thị Ngọc Thanh

14


GVHD: TS. ðỗ Hồng Tuấn

Luận văn thạc sĩ

số cụ thể nhưng chưa có nghiên cứu cụ thể nào về tạo búp sóng thích nghi băng
rộng trong miền tần số.
Bên cạnh đó, mơi trường truyền thơng khơng phải là mơi trường lí tưởng.
Nó bao gồm các vật che chắn như núi, sơng, nhà cửa v.v mà có thể gây ra các hiệu
ứng không mong muốn (hiện tượng fading). Hiệu ứng fading ña ñường xuất hiện
do sự phản xạ, tán xạ, khúc xạ của các tín hiệu khi gặp phải các vật chắn ở ngoài
trời như núi, nhà v.v hoặc các vật chắn trong nhà như tường, trần nhà v.v. Nó bao
gồm hai hay nhiều tia giữa trạm phát và trạm thu với các ñộ trễ khác nhau. Chúng
sẽ kết hợp tại bộ thu (tăng hoặc giảm) và làm biên ñộ của tín hiệu thu được biến
đổi dẫn đến suy giảm chất lượng của hệ thống. Hơn nữa nhu cầu sử dụng các tốc
ñộ truyền dẫn cao cho các ứng dụng ña phương tiện như video, truyền hình hội
nghị v.v dẫn đến việc yêu cầu băng thông rộng hơn và hệ thống sẽ trở nên nhạy
cảm hơn với các hiệu ứng ña đường. Sử dụng bộ cân bằng thích nghi (cịn gọi là
giải thuật thích nghi thời gian) có thể giải quyết ñược bài toán ña ñường. Bộ cân
bằng sẽ giúp giảm thiểu nhiễu liên ký tự (ISI) và các nhiễu nhiệt do đặc tính của
kênh truyền gây ra. Nhờ vậy mà chất lượng của kênh truyền khơng dây sẽ được
cải thiện đáng kể. ðã có rất nhiều đề tài, cơng trình kẳng định hiệu quả của bộ cân
bằng và nó được dùng phổ biến trong các hệ thống Viễn thông [5] - [6].

2. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu
Cùng với sự phát triển khơng ngừng của ngành Viễn thơng thì việc nghiên
cứu, tìm hiểu các hệ thống băng rộng trở nên rất cần thiết trong tương lai, nó giúp

ta giải quyết được bài tốn cải thiện chất lượng và dung lượng của kênh truyền vô
tuyến. Với mục tiêu trên luận văn này tập trung nghiên cứu về kỹ thuật tạo búp
song thích nghi băng rộng và đề nghị mơ hình kết hợp giữa kỹ thuật anten thông
minh băng rộng (bộ tạo búp sóng thích nghi băng rộng) và bộ cân bằng thích nghi
để nâng cao được cả chất lượng và dung lượng của các hệ thống Viễn thông băng
rộng trong tương lai khi truyền tín hiệu trong mơi trường phức tạp có cả can nhiễu
và các hiệu ứng fading.
Học viên: ðỗ Thị Ngọc Thanh

15


GVHD: TS. ðỗ Hồng Tuấn

Luận văn thạc sĩ

Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ DÃY ANTEN
THÍCH NGHI
1. Hệ thống anten thông minh
1.1.

ðịnh nghĩa

Hệ thống anten thông minh là hệ thống mà kết hợp nhiều phần tử anten
với cùng một khả năng xử lý tín hiệu để tối ưu tổ hợp bức xạ của nó và có khả
năng tự điều chỉnh để có thể đáp ứng thích hợp đối với mơi trường.
Anten thơng minh được xem là một giải pháp hiệu quả cho phép nâng cao
khả năng ñáp ứng của các hệ thống truyền thông vô tuyến bằng cách giảm can
nhiễu và hiện tượng ña ñường. ðiều này ñạt ñược là do nó tập trung bức xạ theo
hướng mong muốn và tự điều chỉnh bản thân nó theo sự thay đổi của các điều kiện

lưu thơng và mơi trường tín hiệu. Anten thông minh sử dụng một tập hợp các phần
tử bức xạ được sắp xếp theo một dãy. Các tín hiệu từ các phần tử này ñược kết hợp
ñể tạo thành một vịm sóng có thể di chuyển hay thay ñổi theo hướng người sử
dụng mong muốn.
Trong một hệ thống anten thông minh các phần tử anten thực ra không
thông minh, mà sự thơng minh được tạo ra do việc xử lý số tín hiệu các tín hiệu
đến từ các phần tử anten. Q trình kết hợp tín hiệu và sau đó tập trung bức xạ
theo một hướng đặc biệt được xem là q trình tạo vịm sóng số (digital
beamforming).

1.2.

Ngun lý làm việc của anten thơng minh

ðể hiểu được ngun lý làm việc của anten thông minh ta so sánh với
một trường hợp tương ñối trực quan: ta nhắm mắt lại để hình dung một ai đó di
chuyển như thế nào trong một căn phòng yên lặng. Ta nhận thấy là có thể xác định
được vị trí của họ mà khơng cần nhìn họ, bởi vì :
Học viên: ðỗ Thị Ngọc Thanh

16


GVHD: TS. ðỗ Hồng Tuấn

Luận văn thạc sĩ

+ Ta nghe âm thanh phát ra từ người đó qua hai tai, ñó là các cảm biến âm
thanh của ta.
+ Tiếng nói ñến mỗi tai ở những thời ñiểm khác nhau.

+ Bộ não của ta, một bộ xử lý ñặc biệt, thực hiện một lượng lớn các tính
tốn với thơng tin tương quan và tính được vị trí của người nói.
Bộ não của ta thực hiện cộng cường độ tín hiệu nhận ñược từ mỗi tai với
nhau, do ñó ta có thể cảm nhận ñược âm thanh theo một chiều ñã chọn lớn hơn
nhiều so với cưịng độ âm thanh đến từ các hướng khác.
Các hệ thống anten thông minh cũng làm việc theo cơ chế tương tự, sử
dụng nhiều anten thay vì sử dụng tai nghe. Nó sử dụng 8,10 hay 12 phần tử anten
ñể thực hiện việc ñồng chỉnh thật tốt và làm tăng cường độ thơng tin tín hiệu. Bởi
vì gồm cả anten phát và thu một hệ thống anten thơng minh có thể gửi tín hiệu trở
lại theo cùng hướng với tín hiệu đến. ðiều này có nghĩa là hệ thống anten không
chỉ thu 8 ,10 hay 12 lần tín hiệu mà cịn phát mạnh hơn và định hướng hơn.
Một đặc điểm khác, ví dụ như với hệ thống anten thu, khi có một nguồn
tín hiệu khác phát tới nó, bộ xử lý tín hiệu bên trong của hệ thống anten thơng
minh có khả năng loại bỏ các tín hiệu khơng mong muốn và tập trung ln phiên
vào một nguồn tín hiệu ở một thời điểm. Do đó, hệ thống anten thơng minh có khả
năng phân biệt giữa tín hiệu mong muốn và tín hiệu khơng mong muốn.

1.3.

Hệ thống anten thơng minh

Như đã nói ở trên các phần tử anten không thông minh mà hệ thống anten
mới thông minh. Thông thường ở trạm nền một hệ thống anten thông minh là kết
hợp cả một dãy các phần tử anten với cùng một khả năng xử lý tín hiệu số để phát
và thu một cách thích hợp. Nói cách khác, một hệ thống có thể tự động thay đổi
hướng của các vịm bức xạ của đáp ứng theo mơi trường tín hiệu của nó. ðiều này
làm tăng một cách hiệu quả hoạt động của các mạng truyền thơng khơng dây.
Học viên: ðỗ Thị Ngọc Thanh

17

GVHD: TS. ðỗ Hồng Tuấn

Luận văn thạc sĩ

Sơ ñồ khối tổng qt của anten thơng minh :
Hệ
thống
anten

Khối
RF

Tín hiệu RF

Khối
IF

Tín hiệu IF

Khối xử
lý tín
hiệu số
Tín hiệu
Baseband

Các giải
thuật của
anten thơng

minh
Tín hiệu số

Hình 1. Sơ đồ khối của một hệ thống anten thơng minh

Hệ thống anten : là một dãy gồm có nhiều phần tử anten có ngõ vào hay
ngõ ra là các tín hiệu RF analog (tín hiệu tương tự tần số cao).
Các tín hiệu RF sau khi qua khối RF (gồm bộ khuếch ñại nhiễu thấp, bộ
trộn và các bộ lọc analog) sẽ ñược biến ñổi xuống (Downconverter) hoặc là biến
ñổi lên (UpConverter) thành các tín hiệu trung tần IF.
Các tín hiệu IF sẽ ñi qua khối IF ñể biến ñổi thành các tín hiệu baseband
hoặc ngược lại.
Các tín hiệu baseband sẽ được biến đổi thành các tín hiệu số nhờ bộ xử lý
tín hiệu số (ADC). Phần xử lý số có thể thực hiện bằng bộ Vi xử lý hoặc các bộ
DSP hoặc FPGA.
Các tín hiệu số này sẽ được kết hợp lại sử dụng các thuật tốn thơng minh
để tạo ñược ngõ ra là tổ hợp bức xạ tối ưu nhất. Các thuật tốn thơng minh thường
được thực hiện bằng các phần mềm trừ khi thưc hiện bởi ASIC hay FPGA.

1.4.

Các loại anten thơng minh

Anten thơng minh được chia ra làm hai loại chủ yếu: Switched beam và
Adaptive arrays.
Học viên: ðỗ Thị Ngọc Thanh

18

GVHD: TS. ðỗ Hồng Tuấn

Luận văn thạc sĩ

Switched beam:
Phương pháp chuyển đổi vịm sóng đơn giản hơn so với phương pháp
thích nghi. Nó làm cho dung lượng của hệ thống tăng lên so với khi dùng hệ thống
anten vô hướng hay hệ thống anten hình quạt. Trong phương pháp này, dãy anten
sẽ sinh ra những vịm sóng khớp với nhau che phủ tồn bộ vùng xung quanh được
diễn tả như hình dưới đây:

Hình 2. Hệ thống Switched beam

Khi một tín hiệu tới dãy, trạm gốc sẽ quyết định xem vịm sóng nào là
thẳng hàng tốt nhất với hướng của tín hiệu và sau đó chuyển đổi để vịm sóng đó
liên lạc với user.
Kỹ thuật này hồn tồn khơng lái hay qt vịm sóng theo hướng của tín
hiệu mong muốn. Các hệ thống Switched beam kết hợp nhiều ngõ ra của anten
theo một kiểu nào đó để tạo thành các vịm sóng hình quạt có tính định hướng và
độ nhạy khơng gian lớn hơn so với các hệ thống anten cổ truyền khác. Nó phân
chia hình quạt thành các vịm sóng hẹp. Mỗi vịm sóng được xem như là một hình
quạt riêng phục vụ cho một user riêng hay một nhóm các user. Giống như một hệ

Học viên: ðỗ Thị Ngọc Thanh

19


GVHD: TS. ðỗ Hồng Tuấn

Luận văn thạc sĩ

thống tế bào truyền thống được chia thành ba hình quạt với góc 120o và mỗi hình
quạt có sáu vịm sóng hẹp.

Hình 3. Vùng che phủ của hệ thống Switched beam

Vùng không gian được chia thành nhiều vịm sóng có hướng đã dẫn ñến
việc tăng tần số lặp lại và như vậy làm giảm can nhiễu và tăng tầm che phủ.
Những anten này khơng có độ lợi đồng nhất theo mọi hướng nhưng khi so sánh
với các hệ thống thơng thường khác nó làm tăng ñộ lợi trong hướng ñược tham
khảo. Hệ thống Switched beam có một bộ chuyển đổi cơ cho phép nó chọn lựa và
chuyển vịm sóng đúng dể cho được sự ñáp ứng tốt nhất cho các user di ñộng. Sự
lựa chọn này thơng thường dựa vào việc cực đại cơng suất thu được cho user đó.
Cần lưu ý rằng những vịm sóng tương tự nhau có thể dụng cho cả ứng dụng
uplink và downlink.
Hệ thống Switched beam bao gồm các khối cơ bản sau :
+ Mạng xoay pha (Phase Shifting N/W): tín hiệu truyền đến các phần tử
anten theo một hướng bào đó sẽ có sự trễ pha giữa phần tử anten này với phần tử
anten khác. Do đó nhiệm vụ của mạng dịch pha là thực hiện dịch pha tín hiệu để
tạo thành một tín hiệu tổng hợp cùng pha với nhau.
Học viên: ðỗ Thị Ngọc Thanh

20


GVHD: TS. ðỗ Hồng Tuấn

Luận văn thạc sĩ

+Khối chuyển ñổi RF (RF Switch): thực hiện chuyển đổi giữa các vịm
sóng cố ñịnh nhằm tạo một tổ hợp bức xạ cực ñại theo hướng mong muốn.
+Khối phát hiện (Detector): Chức năng là phát hiện ra cường độ tín hiệu
nhằm tìm ra hướng tín hiệu mong muốn để có thể chuyển đổi tổ hợp bức xạ của
anten theo hướng nguồn tín hiệu mong muốn.
+Khối điều khiển (Control Logic): Nhận tín hiệu từ khối phát hiện tác ñộng
tới khối chuyển ñổi RF ñể định hướng tới nguồn tín hiệu mong muốn.

Hình 4. Sơ ñồ khối của hệ thống Switched beam

Kỹ thuật này hoạt động đơn giản nhưng khơng thích hợp với những vùng
có sự tác động của can nhiễu cao. Ví dụ như một user thứ nhất ở vị trí bờ của vịm
sóng, nếu một user thứ hai theo hướng đó null thì khơng có can nhiễu nhưng nếu
user thứ hai di chuyển đến vùng của user đầu thì nó có thể gây ra nhiễu cho user
đầu. Vì vậy hệ thống này chỉ phù hợp với mơi trường khơng có can nhiễu hay ít
can nhiễu.
Cịn đối với các tín hiệu đa đường thì hệ thống anten này sẽ chuyển đổi
vịm sóng đến những ñường tín hiệu gián tiếp hơn là ñường tín hiệu trực tiếp ñến
từ user. ðiều này dẫn ñến sự mơ hồ trong việc xác định hướng của tín hiệu thu
được. Hệ thống Switched beam khơng giảm được hiện tượng đa ñường với hướng
ñến gần với hướng tín hiệu mong muốn. Dù có những bất lợi trên nhưng hệ thống
Học viên: ðỗ Thị Ngọc Thanh

21


GVHD: TS. ðỗ Hồng Tuấn

Luận văn thạc sĩ

này tương ñối ñơn giản, có tầm bao phủ rộng, dung lượng tăng và giảm can nhiễu
khi user mong muốn ở giữa trung tâm của vịm sóng.
Hệ thống anten thích nghi (Adaptive Array) :
Hệ thống này thông minh hơn các phương pháp khác. Hệ thống này liên
tục đi tìm các user di động bằng cách lái những vịm sóng chính hướng về phía
user và tại thời điểm đó hình thành null ở những hướng nhiễu như hình sau:

Hình 5. Hệ thống Adaptive array

Tín hiệu thu ñược ở mỗi phần tử anten sẽ ñược nhân với một trọng số. Tín hiệu
thu được ở ngõ ra sẽ là tổng của các tín hiệu ở ngõ vào ñã ñược nhân trọng số. Những
trọng số này sẽ được tính tốn bằng việc sử dụng các thuật tốn thích nghi đã được lập
trình trước đó thành những đơn vị xử lý số tín hiệu. Hệ thống này thực sự thơng minh vì
nó có thể ứng xử linh hoạt với sự thay đổi của mơi trường. Hệ thống anten thích nghi
được điều khiển bởi một bộ xử lý tín hiệu. ðơn vị xử lý này ln đảm bảo rằng sẽ ln
lái chùm bức xạ theo hưóng user mong muốn ñồng thời cực tiểu các tín hiệu can nhiễu
ñến từ user khác được diễn tả dưới hình sau:

Học viên: ðỗ Thị Ngọc Thanh

22