Thuật toán beamforming thích nghi trong anten thông minh

MỤC LỤC
Lời cảm ơn
Lời giới thiệu
Chương I: TỔNG QUAN VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU -------------- 1
I.

Giới thiệu vấn đề và tình trạng hiện nay---------------- 1

II. Nội dung và phạm vi nghiên cứu ------------------------- 3
Chương II: ANTEN THÔNG MINH ---------------------------------------- 5
I.

Lịch sử phát triển của các hệ thống Anten ------------- 5

II. Hệ thống Anten thông minh ---------------------------- 12
III. Những ưu điểm và ứng dụng chủ yếu của hệ thống
Anten thông minh -------------------------------------------------------------- 23
Chương III:

THUẬT TOÁN BEAMFORMING THÍCH NGHI BĂNG

THÔNG HẸP

---------------------------------------------------------------- 28

1. Những ưu điểm chủ yếu của Anten thông minh -------- 28
2. Dãy Anten thích nghi --------------------------------------- 35
2.1 Các khái niệm cơ bản -------------------------------- 35
2.2 Mô hình tín hiệu của dãy Anten ------------------- 38
2.3 Beamforming thích nghi ----------------------------- 40
2.4 Các tiêu chuẩn tối ưu -------------------------------- 45

2.5 Các thuật toán thích nghi ---------------------------- 50
3. Beamforming thích nghi băng thông hẹp --------------- 58
3.1 Cấu hình Beamforming thích nghi băng hẹp ---- 58
3.2 Mô hình tín hiệu và quá trình thích nghi ---------- 60
Chương IV:

THUẬT TOÁN BEAMFORMING THÍCH NGHI BĂNG

THÔNG RỘNG ---------------------------------------------------------------- 65
1. Mô hình tín hiệu băng rộng của dãy Anten ------------- 65
2. Beamforming băng rộng trong miền thời gian ---------- 66


2.1. Mô hình tín hiệu ------------------------------------- 66
2.2. Giải thuật thích nghi --------------------------------- 69
2.3 Tổ hợp vòm sóng của dãy thích nghi băng rộng miền
thời gian

---------------------------------------------------------------- 70
3.

Beamforming băng rộng trong miền tần số ---------- 71
3.1 FFT trong Beamforming ----------------------------- 71
3.2 Mô hình tín hiệu -------------------------------------- 73
3.3 Công suất ngõ ra của dãy thích nghi băng rộng miền

tần số

---------------------------------------------------------------- 77
3.4 Ưu điểm của xử lý Beamforming miền tần số--- 78

Chương V:
KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI
1. Kết quả mô phỏng với hệ thống Beamforming Băng thông
hẹp

---------------------------------------------------------------- 79

2. Kết quả mô phỏng với hệ thống Beamforming Băng thông
rộng ---------------------------------------------------------------- 80
2.1. Miền thời gian ---------------------------------------- 80
2.2 Miền tần số -------------------------------------------- 82
3. Kết luận --------------------------------------------------------- 84
4. Hướng phát triển của đề tài ---------------------------------- 84

Tài liệu tham khảo


Chương I: TỔNG QUAN VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Chương I:

TỔNG QUAN VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
I. GIỚI THIỆU VẤN ĐỀ VÀ TÌNH TRẠNG HIỆN NAY
Trong những năm gần đây, các hệ thống Viễn thông không dây

¾

(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 người sử
dụng về số lượng cũng như chất lượng, cũng như trong các lónh vực công

nghệ và khoa học kỹ thuật.
Các mạng viễn thông di động đang phát triển đến thế hệ mới, cung

¾

cấp cho người 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 đường và giao thoa xuyên kênh (CCI: co-channel interference)
do tần số lặp lại là các nguyên nhân chính làm giảm chất lượng của hệ
thống.
Trong các hệ thống truyền thông không dây hiện nay, các vấn đề đặt

¾

ra cần phải đáp ứng để tối ưu hoạt động của hệ thống truyền thông là:
- Đạt tốc độ dữ liệu cao.
- Loại bỏ các hiệu ứng đa đường (multipath).
- Hoạt động tốt trong môi trường giao thoa mạnh (khả năng triệt nhiễu
giao thoa tốt).
- Có khả năng hoạt động với SDMA (Space Division Multiple Access
– có nghóa là đa truy cập phân chia không gian) nhằm sử dụng hiệu quả phổ
radio.
- Truyền thông hiệu quả với các đầu cuối di động.

Thực hiện: Ngô Thanh Hải

1


Chương I: TỔNG QUAN VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Giao thoa
liên cell
Đa đường
Đa đường
Trạm nền
Tín hiệu fading

Hình 1.1: Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động của hệ thống truyền
thông không dây
¾

Một trong những giải pháp nhằm đáp ứng được các yêu cầu đặt ra ở
trên là khai thác hiệu quả chiều của không gian bằng các Anten thông
minh. Anten thông minh được xem là phương tiện thực hiện cải thiện
đáng kể hiệu quả về phổ (spectral), đáp ứng chất lượng 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.

¾

Anten thông minh đã được phát triển rất mạnh mẽ và được ứng dụng
rộng rãi trong các hệ thống truyền thông chất lượng cao. Một trong những
loại anten thông minh tối ưu đã được sử dụng rộng rãi và đạt hiệu quả
cao là sử dụng Dãy anten tạo vòm sóng thích nghi (ABAA: Adaptive
Beaforming Array Antenna) trong các hệ thống truyền thông không dây
chất lượng cao do những đặc tính ưu việt sau đây:
+ Vòm sóng quét liên tục.
+ Tạo ra hình dạng thích nghi cho các vòm sóng của anten.

¾

Khai thác chiều của không gian là một công cụ hiệu quả nhằm tối ưu
hoạt động của hệ thống truyền thông không dây. Một trong những kỹ thuật
được sử dụng nhằm khai thác chiều của không gian là Đa truy cập phân

Thực hiện: Ngô Thanh Hải

2


Chương I: TỔNG QUAN VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
chia theo không gian (SDMA: Space Division Multiplex Access). SDMA là
một kỹ thuật mới, giúp cho việc cải thiện về dung lượng và chất lượng của
các hệ thống truyền thông không dây. Nó dựa trên việc sử dụng các anten
có khả năng lái các vòm sóng, kết hợp các mạng (network) tạo vòm sóng
có thể điều khiển được. Đã có rất nhiều tiêu chuẩn do các tổ chức quốc tế
quy định cho từng loại anten thông minh.
¾

Tóm lại, việc phát triển anten thông minh và tạo ra các hệ thống anten
ngày càng thông minh hơn sẽ quyết định đáng kể đến việc nâng cao chất
lượng cũng như nâng cao năng lực cạnh tranh của các hệ thống truyền
thông vô tuyến, đáp ứng được các nhu cầu đòi hỏi ngày càng cao của các
dịch vụ truyền thông đa phương tiện.

II. NỘI DUNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
¾

Anten thông minh đã được 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 được quy định bởi các tổ chức quốc tế. Nâng cao chất lượng
của anten thông minh cũng như 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.

¾

Đã có rất nhiều nghiên cứu và ứng dụng anten thông minh trong các
hệ thống truyền thông Băng thông hẹp (Narrowband) với các tính toán và
xử lý trong hệ thống hoàn toàn ở miền thời gian. Vấn đề đặt ra là với các
ứng dụng Băng thông rộng (Wideband), với rất nhiều thành phần tần số
trong một phạm vi rộng, các tính toán và xử lý trong miền thời gian sẽ trở
nên vô cùng phức tạp và không tạo ra đáp ứng tối ưu cho hệ thống. Để xử
lý vấn đề này, ta thực hiện tính toán và xử lý hệ thống anten trong miền
tần số, tạo sự thích nghi cho từng tần số cụ thể, nhằm nâng cao sự thông

Thực hiện: Ngô Thanh Hải

3


Chương I: TỔNG QUAN VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
minh và thích nghi của anten thông minh. Đây là một vấn đề mới, được
sự quan tâm của rất nhiều tổ chức và các nhà sản xuất. Và đây cũng
chính là trọng tâm chủ yếu của đề tài này. Đề tài này gồm 5 chương sẽ
tập trung chủ yếu để giải quyết các vấn đề cơ bản sau:
Chương I: Tổng quan và phạm vi nghiên cứu
Chương II: Anten thông minh (Smart Antenna)
Chương III: Beamforming Băng thông hẹp
Chương IV: Beamforming Băng thông rộng

Chương V: Kết quả nghiên cứu
) Chương II, đề cập chủ yếu đến cấu trúc chung của một hệ thống
anten thông minh, phân loại Anten thông minh và phạm vi ứng dụng
chủ yếu của nó.
) Chương III, đề cập đến Anten thông minh loại Beamforming thích
nghi (Adaptive Beamforming) được sử dụng trong các ứng dụng Băng
thông hẹp (Narrowband) bao gồm: Mô hình toán học, các thuật toán
được sử dụng trong loại anten này và phạm vi ứng dụng của nó.
) Chương IV, đề cập đến Anten thông minh loại Beamforming thích
nghi (Adaptive Beamforming) được sử dụng trong các ứng dụng Băng
thông rộng (Wideband) bao gồm: Xử lý trong miền thời gian (Đã được
ứng dụng rất nhiều trong thực tế) và xử lý trong miền tần số (Là một
lónh vực mới, đang nghiên cứu và chưa được ứng dụng trong thực tế
một cách triệt để).
) Chương V, trình bày các kết quả nghiên cứu đạt được. Kết quả được
trình bày bằng cách mô phỏng một hệ thống Anten thông minh sử
dụng thuật toán Beamforming thích nghi trong hệ thống thông tin di
động GSM với kênh truyền Rayleigh dùng ngôn ngữ Matlab.
==========oOo==========
Thực hiện: Ngô Thanh Hải

4


ANTEN THÔNG MINH
CHƯƠNG II:

ANTEN THÔNG MINH
(SMART ANTENNA)
I. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA ANTEN VÀ CÁC HỆ THỐNG ANTEN

1. Khái niệm:
Anten có chức năng chuyển đổi năng lượng điện từ từ một môi trường
này (từ không gian) thành tín hiệu điện ở một môi trường khác (dây dẫn,
cáp đồng trục hoặc ống dẫn sóng …) và ngược lại. Các thiết kế vật lý của
anten có thể thay đổi nhiều tuỳ vào từng loại anten.
2. Lịch sử phát triển của anten
Anten có lịch sử phát triển cùng với sự xuất hiện của các hệ thống
truyền thông không dây. Nó đã được nghiên cứu và phát triển mạnh mẽ
từ dạng đơn phần tử rất đơn giản đến các hệ thống anten phức tạp nhằm
mục đích đạt được sự thông minh để tối ưu hoạt động của hệ thống.
2.1. Anten vô hướng (omnidirectional antenna):
Ở thời kỳ đầu tiên của các hệ thống truyền thông không dây, anten
được sử dụng là anten lưỡng cực (dipole antenna), anten này thu và phát
như nhau theo tất cả mọi hướng. Để tìm được người sử dụng mong muốn
của nó, thiết kế đơn phần tử (single – element) của loại anten này quảng
bá tín hiệu ra mọi hướng theo dạng tương tự như bức xạ sóng ra xa trong
một bể nước. Trong khi loại anten này thích hợp với môi trường RF đơn
giản mà không biết rõ người sử dụng đang ở đâu, phương pháp này thực
hiện phân tán tín hiệu, tín hiệu truyền đến người sử dụng mong muốn chỉ
là một phần nhỏ của năng lượng phát ra môi trường.

Thực hiện: Ngô Thanh Hải

5


ANTEN THÔNG MINH

Vùng phủ sóng

Vùng phủ sóng

Nhìn ngang
Nhìn trên xuống
Hình 2.1: Anten vô hướng và tổ hợp bức xạ
Do những hạn chế cơ bản của loại anten này, để khắc phục những khó
khăn do môi trường truyền, cần phải tăng công suất quảng bá phát ra.
Điều này đã tạo ra một nhược điểm lớn là người sử dụng này sẽ trở thành
nguồn tín hiệu giao thoa đối với người sử dụng khác trong cùng một vùng
phủ sóng.
Trong các ứng dụng uplink (giữa người sử dụng và trạm nền), các
anten này không đáp ứng tối ưu cho người sử dụng về cường độ tín hiệu.
Những người sử dụng phải cạnh tranh với nhau về năng lượng tín hiệu.
Phương pháp anten đơn phần tử không thể chọn lọc để loại bỏ giao thoa
giữa những người sử dụng được phục vụ và không thể làm giảm ảnh
hưởng của hiệu ứng đa đường (multipath) trong không gian hay các khả
năng cân bằng khác.
Anten vô hướng 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 người 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 lượng, dung lượng và khả
năng phủ sóng của các mạng không dây đã tạo ra một động lực cho sự

Thực hiện: Ngô Thanh Hải

6


ANTEN THÔNG MINH

phát triển trong thiết kế cơ bản và vai trò của anten trong một hệ thống
không dây.
2.2 Anten định hướng (Directional Antennas):
Một anten đơn cũng có thể được cấu trúc để có hướng phát và thu tín
hiệu ưu tiên cố định nào đó. Hiện nay, để hỗ 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. Không gian 3600 thường được phân chia thành 3 vùng
1200, mỗi vùng được phủ bởi một phương pháp truyền thông quảng bá.
Các loại anten hình quạt cung cấp độ lợi lớn trên một phạm vi có giới
hạn của góc phương vị so với một anten vô hướng. Đây là một dạng tham
khảo phổ biến về độ lợi của các phần tử anten và được sử dụng trong xử
lý 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 không khắc
phục được nhược điểm chủ yếu của anten vô hướng là triệt giao thoa
xuyên kênh. Do đó, đây được xem là nhược điểm chủ yếu của anten định
hướng.

Nhìn ngang

Nhìn trên xuống

Hình 2.2: Anten định hướng và tổ hợp bức xạ

Thực hiện: Ngô Thanh Haûi

7


ANTEN THÔNG MINH

2.3 Các hệ thống anten:
Làm thế nào để một anten có thể thông minh hơn? Thứ nhất, thiết kế
vật lý 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 thực hiện dịch pha các
tín hiệu trước khi phát/thu ở từng phần tử sao cho anten có thể tạo ra một
tín hiệu tổng hợp có cường độ lớn. Khái niệm phần cứng và phần mềm cơ
bản này được sử dụng trong anten được gọi là anten dãy chia pha (array
phased antenna).
Sau đây là các quá trình phát triển của anten nhằm đạt được tính hiệu
quả và sự thông minh của anten.
) 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, được bao phủ bởi các anten định hướng nhìn
ra từ cùng một trạm nền.
+ Về hoạt động, mỗi hình quạt được xem như một cell khác nhau,
phạm vi của nó lớn hơn so với trường hợp anten vô hướng.
+ 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 được sử dụng rộng rãi cho mục đích này.
+ Thông thường, trên thực tế thường 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 hướng.

Thực hiện: Ngô Thanh Hải

8


ANTEN THÔNG MINH

Nhìn ngang

Nhìn trên xuống

Hình 2.3: Anten hình quạt và tổ hợp bức xạ

) Các hệ thống phân tán (Diversity System):
+ Bước 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 không gian) của nó đã được sử dụng để cải
thiện khả năng thu bằng cách loại bỏ các hiệu ứng âm của hiện tượng
đa đường.
+ Tính phân tán cải thiện hiệu quả về cường độ của tín hiệu thu được
bằng cách sử dụng một trong hai phương 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 luôn luôn sử dụng phần tử anten có đáp
ứng lớn nhất. Cách này sẽ làm giảm các hiệu ứng âm của fading
tín hiệu nhưng không làm tăng độ lợi do chỉ có một anten được sử
dụng ở mỗi thời điểm.

-

Phân tán kết hợp (Diversity Combining): Phương pháp này hiệu
chỉnh sai lệch pha của 2 tín hiệu đa đường và kết hợp hiệu quả
công suất của cả 2 tín hiệu để tạo ra độ lợi cao. Các hệ thống phân
tán khác như các hệ thống kết hợp tỷ lệ cực đại, kết hợp các ngõ ra

Thực hiện: Ngô Thanh Hải

9


ANTEN THÔNG MINH
của tất cả các anten để cực đại tỷ số năng lượng tín hiệu kết hợp
thu được trên nhiễu (S/N).
+ Bởi vì các trạm nền kiểu macrocell trước đây phải phát công suất lớn
hơn trên liên kết downlink (trạm nền tới người sử dụng) so với các đầu
cuối di động tạo ra trên đường truyền ngược lại, cho nên hầu hết các
hệ thống anten phân tán được sử dụng chỉ để thực hiện trong các liên
kết uplink (người sử dụng tới trạm nền).
Các lỗ đen

Vùng phủ sóng với
fading của Anten
đơn phần tử

Vùng phủ sóng với
dạng phân tán
chuyển đổi

Hình 2.4: Vùng bao phủ của anten phân tán chuyển đổi với fading và
dạng phân tán chuyển đổi

Vùng phủ sóng
của dạng đơn
phần tử

Vùng phủ sóng
của dạng phân
tán kết hợp

Hình 2.5: Vùng bao phủ của anten phân tán kết hợp với đơn phần tử và
dạng phân tán kết hợp

Thực hiện: Ngô Thanh Haûi

10


ANTEN THÔNG MINH
+ Các anten phân tán chỉ đơn thuần là thực hiện chuyển đổi từ một phần
tử đang làm việc tới phần tử khác. Mặc dù phương pháp này làm giảm
đáng kể fading đa đường, nó sử dụng một phần tử ở một thời điểm cho
nên không cải thiện được độ lợi uplink so với các phương pháp đơn
phần tử khác. Trong các môi trường giao thoa lớn, chọn tín hiệu mạnh
nhất hay công suất tín hiệu cực đại từ các anten rõ ràng không thích
hợp và có thể xảy ra trường hợp chỉ thu tín hiệu giao thoa mà không
phải là tín hiệu mong muốn.
+ Do nhu cầu truyền tín hiệu tới nhiều người sử dụng một cách hiệu quả
mà không bị ảnh hưởng của giao thoa dẫn đến một bước phát triển kế
tiếp của các hệ thống anten là tích hợp một cách thông minh hoạt
động đồng thời của các anten phân tán.
) Anten thông minh:
+ Khái niệm sử dụng nhiều anten và xử lý tín hiệu để phục vụ các cell
một cách thông minh hơn đã tồn tại trong nhiều năm qua. Thực ra, sự
thay đổi với mức độ tương đối về giá thành của các hệ thống anten

thông minh đã được sử dụng trong các hệ thống phòng thủ quân sự.
+ Trong những năm gần đây, chúng đã được ứng dụng phổ biến trong
các hệ thống thương mại. Sự tiện lợi và phát triển của các bộ xử lý tín
hiệu số (DSP) mạnh và giá thành thấp, các bộ xử lý chuyên dụng
(ASIC) cũng như các kỹ thuật xử lý tín hiệu dựa trên phần mềm (thuật
toán) đã tạo ra các anten thực sự thông minh trong các hệ thống
truyền thông cellular.

Thực hiện: Ngô Thanh Haûi

11


ANTEN THÔNG MINH
II. HỆ THỐNG ANTEN THÔNG MINH (SMART ANTENNA SYSTEM)
1. Định nghóa:
Hệ thống anten thông minh kết hợp nhiều phần tử anten cùng với khả
năng xử lý tín hiệu để tối ưu tổ hợp bức xạ của nó và/hoặc thu đáp ứng
một cách tự động với môi trường tín hiệu.
Các anten thực hiện phối hợp tất cả các thành phần trong các hệ thống
truyền thông không dây. Nó hướng năng lượng được phân phối vào đâu
và tập hợp từ không gian xung quanh, có chương trình chi phối sử dụng
hiệu quả về phổ, giá thành thiết lập các mạng mới và chất lượng dịch vụ
được cung cấp bởi các mạng đó.
Anten thông minh được xem là một giải pháp hiệu quả cho phép nâng
cao khả năng đáp ứng trong các hệ thống truyền thông vô tuyến, do nó có
khả năng giảm thiểu ảnh hưởng của hiện tượng đa đường và giao thoa
xuyên kênh (can nhiễu). Điều này đạt được do nó tập trung bức xạ theo
hướng mong muốn và tự điều chỉnh bản thân nó theo sự thay đổi các điều
kiện lưu thông và môi trường tín hiệu. Anten thông minh sử dụng một tập

hợp các phần tử bức xạ được sắp xếp theo dạng một dãy. Các tín hiệu từ
các phần tử này được kết hợp để tạo thành một tổ hợp vòm sóng có thể di
chuyển hay chuyển đổi theo hướng người sử dụng mong muốn.
Trong một hệ thống anten thông minh, mỗi phần tử anten thực ra là
không thông minh, mà sự thông minh được tạo ra do công việc xử lý tín
hiệu số từ các tín hiệu kết hợp từ các phần tử anten. Quá trình kết hợp tín
hiệu và sau đó tập trung sự bức xạ theo một hướng đặc biệt được xem là
quá trình tạo vòm sóng số (digital beamforming).

Thực hiện: Ngô Thanh Haûi

12


ANTEN THÔNG MINH
2. Nguyên lý làm việc của anten thông minh?
Để hiểu được về cách thức làm việc của anten thông minh (hay còn
gọi là anten thích nghi: adaptive antenna), ta so sánh với một trường hợp
tương đối 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 ta có thể xác
định được vị trí của họ mà không cần nhìn họ, tại vì:
+

Ta nghe các âm thanh phát ra từ người đó qua hai tai, đó là các

cảm biến âm thanh của ta.
+

Tiếng nói đến ở mỗi tai ở những thời điểm khác nhau.

+

Bộ não của ta, một bộ xử lý đặc biệt, thực hiện một lượng lớn

các tính toán với thông tin tương quan và tính được vị trí của người nói.
Bộ não của ta thực hiện cộng cường độ tín hiệu nhận được từ mỗi tai
với nhau, do đó ta có thể cảm nhận được âm thanh theo một chiều đã
chọn lớn hơn nhiều so với cường độ âm thanh đến từ các hướng khác.
Các hệ thống anten thích nghi 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 để thực hiện đồng chỉnh thật tốt và làm tăng cường độ thông tin
tín hiệu. Bởi vì gồm cả anten phát và thu, một hệ thống anten thích nghi
có thể gửi tín hiệu trở lại theo cùng hướng với tín hiệu đến. Điều này có
nghóa là hệ thống anten không thể chỉ thu 8 hay 10 hay 12 lần tín hiệu mà
còn phát lại mạnh hơn và định hướng hơn.
Một đặc điểm khác, ví dụ như với một 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 dãy thích nghi có khả năng loại bỏ các tín hiệu không mong muốn
và tập trung luân phiên vào một nguồn tín hiệu ở một thời điểm. Do đó,
hệ thống anten dãy thích nghi có khả năng phân biệt giữa tín hiệu mong
muốn và không mong muốn.

Thực hiện: Ngô Thanh Hải

13


ANTEN THÔNG MINH
3. Hệ thống anten thông minh:
Thực ra, các phần tử anten không thông minh, hệ thống anten mới có

tính thông minh. Thông thường, ở các trạm nền, một hệ thống anten thông
minh là kết hợp của một dãy các phần tử anten với 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 vòm sóng bức xạ của đáp
ứng theo môi trường tín hiệu của nó. Điều này có thể làm tăng một cách
hiệu quả hoạt động của các mạng truyền thông không dây.
3.1 Sơ đồ khối tổng quát của Anten thông minh:

Hình 2.6: Sơ đồ khối tổng quát của hệ thống anten thông minh
+ Antenna System (Hệ thống anten): là một dãy gồm nhiều phần tử
anten đơn. Có ngõ vào hay ngõ ra là các tín hiệu RF analog (Tín hiệu
tương tự tần số cao). Các tín hiệu này được chuyển đến/từ bộ RF Front
End. Bộ này chứa các bộ khuếch đại nhiễu thấp, bộ trộn và các bộ lọc
analog.
+ Ở chế độ thu, tín hiệu RF được biến đổi từ tín hiệu analog thành tín
hiệu số sử dụng bộ biến đổi ADC (Analog to Digital Converter), còn ở
chế độ phát thì ngược lại, tín hiệu số baseband được biến đổi thành tín
hiệu RF sử dụng bộ biến đổi DAC (Digital to Analog Converter).

Thực hiện: Ngô Thanh Hải

14


ANTEN THÔNG MINH
+ Thực hiện biến đổi xuống (DownConverter) từ tín hiệu RF thành tín
hiệu baseband hoặc biến đổi lên (UpConverter) phải qua trung gian là
các tín hiệu IF.
+ Các tín hiệu baseband thu được từ mỗi phần tử anten được kết hợp
lại sử dụng các thuật toán thông minh trong các bộ xử lý số (Digital

Processing). Do đó, mỗi phần tử anten có một chuỗi tín hiệu RF đi từ
phần tử anten qua bộ RF Front End tới bộ Digital Conversion đối với máy
thu và ngược lại đối với máy phát.
+ Phần xử lý số có thể thực hiện bằng bộ Vi xử lý hoặc các bộ DSP
hoặc FPGA. Do đó, thực hiện thuật toán thông minh thông thường bằng
phần mềm xử lý trừ khi thực hiện bởi ASIC hoặc FPGA.

Hình 2.7: Sơ đồ khối chi tiết của hệ thống anten thông minh thích nghi

Thực hiện: Ngô Thanh Hải

15


ANTEN THÔNG MINH
- Tín hiệu RF thu được từ các phần tử anten được đưa đến khối BFN
(Beamforming Network).
- BFN là Mạng Beamforming có chức năng tạo thành các vòm sóng
thích nghi theo định hướng mong muốn và biến đổi tín hiệu từ RF (cao
tần) sang IF (Trung tần).
- Tín hiệu analog IF được thực hiện biến đổi thành tín hiệu số (đối với
chế độ thu) nhờ các bộ biến đổi ADC hoặc từ tín hiệu số thành các tín
hiệu IF analog (ở chế độ phát) nhờ các bộ biến đổi DAC.
- Tín hiệu thu được từ các phần tử anten hoặc tín hiệu phát đi là các
tín hiệu Baseband được xử lý bởi các thuật toán của anten thông minh
dưới sự trợ giúp của các phần mềm điều khiển.

3.2 Phân loại anten thông minh:
Dựa vào các kỹ thuật kết hợp giữa các phần tử anten, có thể chia ra
làm 2 loại: Phân tán kết hợp (Diversity Combining) và Tạo vòm sóng

thích nghi (Beamforming). Tuy nhiên, Anten thông minh được sử dụng
chủ yếu là Beamforming.

Hình 2.8: Phân loại Anten thông minh
Hiện nay, có nhiều thuật ngữ thường được sử dụng để chỉ Anten thông
minh như: Anten dãy chia pha (phased array antenna), SDMA (Space
Thực hiện: Ngô Thanh Hải

16


ANTEN THÔNG MINH
Division Multiple Access: Đa truy cập phân chia không gian), Anten xử lý
không gian (Spatial Processing), Anten tạo vòm sóng số (Digital
Beamforming), Hệ thống anten thích nghi (Adaptive Antenna System) …
Tuy nhiên, các hệ thống anten thông minh được chia ra làm 2 loại chủ
yếu: Switched Beam và Hệ thống anten Beamforming thích nghi
(Adaptive Beamforming System).
. Switched beam: Có một số lượng tổ hợp mẫu giới hạn cố định,
đã định nghóa trước hay là các tổ hợp hình quạt kết hợp.
. Beamforming thích nghi: Với một số lượng tổ hợp không giới
hạn (tuỳ từng trường hợp cụ thể) được điều chỉnh theo thời gian thực.
¾

Anten switched beam (Chuyển đổi vòm sóng):

- Các hệ thống Anten Switched Beam tạo thành nhiều vòm sóng cố
định với độ nhạy tăng lên theo các hướng đặc biệt. Các hệ thống anten
này phát hiện cường độ tín hiệu, chọn lựa từ một trong nhiều vòm sóng
cố định, đã định nghóa trước và chuyển đổi từ một vòm sóng này sang

một vòm sóng khác khi các đầu cuối di chuyển qua các sector (hình quạt).
- Thay vì hình dạng của tổ hợp anten định hướng với các tính chất kim
loại và thiết kế vật lý của một phần tử đơn (giống như một anten hình
quạt), các hệ thống Switched Beam kết hợp các ngõ ra của nhiều anten
theo một kiểu nào đó để tạo thành các vòm sóng hình quạt có tính định
hướng và đạt được độ nhạy không gian lớn hơn so với các phương pháp
đơn phần tử truyền thống.

Thực hiện: Ngô Thanh Haûi

17


ANTEN THÔNG MINH

Hình 2.9: Nguyên lý hoạt động cơ bản của anten thông minh
chuyển đổi vòm sóng
- Hệ thống Anten chuyển đổi vòm sóng bao gồm các khối cơ bản sau:
+ Mạng dịch pha tín hiệu (Phase Shifting N/W): Tín hiệu truyền đến ở
các phần tử anten theo một hướng nào đó sẽ trễ pha giữa phần tử Anten
này so với phần tử Anten khác. Do đó, mạng dịch pha tín hiệu thực hiện
dịch pha tín hiệu để tạo thành một tín hiệu tổng hợp cùng pha với nhau.
+ Khối chuyển đổi RF (RF Switch): Thực hiện chuyển đổi giữa các
vòm sóng cố định đã định nghóa trước nhằm tạo ra một tổ hợp bức xạ có
tính định hướng hoặc có cường độ tín hiệu mạnh theo một hướng đặc biệt
nào đó.
+ Khối phát hiện (Detector): Có chức năng phát hiện cường độ tín
hiệu nhằm tìm ra hướng của tín hiệu mong muốn nhằm chuyển đổi tổ hợp
bức xạ của Anten theo hướng của nguồn tín hiệu mong muốn.
+ Khối điều khiển (Control Logic): Nhận tín hiệu từ khối phát hiện, từ

đó điều khiển khối chuyển đổi RF nhằm định hướng tới nguồn tín hiệu
mong muốn.

Thực hiện: Ngô Thanh Hải

18


ANTEN THÔNG MINH

Hình 2.10: Sơ đồ khối của hệ thống anten chuyển đổi vòm sóng
¾ Anten thích nghi:
- Kỹ thuật Anten thích nghi hội tụ hầu hết mọi đặc điểm của anten
thông minh hiện nay. Sử dụng nhiều thuật toán xử lý tín hiệu mới, anten
thích nghi có ưu điểm về khả năng định vị hiệu quả của nó và đồng chỉnh
với các tín hiệu khác nhau để cực tiểu một cách linh động giao thoa và
cực đại đối với tín hiệu mong muốn.
- Tất cả các hệ thống anten đều có xu hướng tăng độ lợi của nó ở vị trí
của người sử dụng mong muốn. Tuy nhiên, chỉ có anten thích nghi có khả
năng cung cấp độ lợi tối ưu và đồng thời nhận biết, đồng chỉnh và cực
tiểu các tín hiệu giao thoa.

Thực hiện: Ngô Thanh Hải

19


ANTEN THÔNG MINH

Hình 2.11:Nguyên lý triệt giao thoa và hiệu ứng đa đường trong

Anten thông minh thích nghi
- Các anten vô hướng phân biệt với nhau về sự thông minh của chúng
chủ yếu dựa vào số phần tử chúng sử dụng. Còn đối với Anten Switched
Beam và Anten dãy thích nghi, chúng có chung nhiều đặc điểm về phần
cứng nhưng chủ yếu phân biệt với nhau bởi khả năng thông minh thích
nghi của chúng. Thông tin đó chủ yếu là độ nhạy định hướng, nó yêu
cầu nhiều phần tử anten (điển hình là từ 4 đến 12). Các anten có thể
được sắp xếp theo dạng tuyến tính đường thẳng, vòng tròn hay theo mặt
phẳng và hầu hết thường được lắp đặt ở trạm nền mặc dù có thể sử dụng
các anten thông minh này ở các đầu cuối di động (như điện thoại di
động, máy tính xách tay…).
- Với Anten thông minh thích nghi, hệ thống có thể sử dụng hiệu quả
phổ không gian bằng phương pháp Đa truy cập phân chia theo không
gian (SDMA) nhờ khả năng định hướng của loại Anten này. Nguyên lý
của phương pháp này được minh hoạ trong Hình 2.12.

Thực hiện: Ngô Thanh Hải

20


ANTEN THÔNG MINH

Hình 2.12: Tổ hợp bức xạ của anten thông minh thích nghi sử
dụng đa truy cập phân chia không gian
3.3 Mô hình toán học của anten thông minh thích nghi
Mô hình cơ bản của Anten thông minh thích nghi được biểu diễn trong
hình 2.13.

Hình 2.13: Mô hình cơ bản của anten thông minh thích

- Giả sử hệ thống anten bao gồm M phần tử. Các tín hiệu thu được ở
các phần tử anten r0(t), r1(t),…,rM-1(t) là các tín hiệu RF. Các tín hiệu này
được thực hiện biến đổi xuống thành tín hiệu baseband, được xử lý bởi bộ

Thực hiện: Ngô Thanh Hải

21


ANTEN THÔNG MINH
lọc phối hợp dạng xung và được lấy mẫu phù hợp để tạo ra vector tín
hiệu thu được :

u i = [u1,i , u 2,i ,..., u M −1,i ]

T

(2.1)

Với i biểu diễn tín hiệu thu được ở thời điểm thứ i. Mỗi phần tử của
dãy thu một cách hệ thống dạng đã sửa đổi của tín hiệu truyền đến dãy.
Tín hiệu bao gồm tổng của chuỗi thông tin được trải rộng một cách độc
lập từ mỗi người sử dụng, mỗi chuỗi thông tin được làm trễ và bao gồm
cả các tín hiệu nhiễu và giao thoa.
- Vector tín hiệu thu được ui sẽ được nhân với các trọng số thích hợp

w = [ω 0 , ω1 ,..., ω M −1 ]

T

(2.2)

Các tín hiệu thu được sau khi đã nhân với trọng số thích nghi được lấy
tổng để tạo ra ngõ ra của dãy:

yi = w H ui

(2.3)

- Với anten thông minh thích nghi, vấn đề cơ bản là thường xuyên cập
nhật giá trị của vector trọng số w nhằm tạo ra tín hiệu ngõ ra của dãy

yi tối ưu nhất.
- Trong các hệ thống anten thông minh thích nghi, khả năng xử lý tín
hiệu số được thực hiện bởi các thuật toán thông minh được áp dụng để
điều khiển hoạt động của hệ thống khi xuất hiện các tổ hợp phức tạp của
các điều kiện hoạt động.
Điều gì làm cho anten trở nên thông minh?
-

Một anten đơn làm việc với một môi trường RF đơn giản. Giải pháp
anten thông minh được yêu cầu khi số người sử dụng, giao thoa và sự
phức tạp của môi trường truyền tăng lên. Sự thông minh của chúng
chủ yếu dựa vào khả năng xử lý tín hiệu số của chúng.

Thực hiện: Ngô Thanh Hải

22

ANTEN THÔNG MINH
-

Giống như hầu hết các các thiết bị điện tử hiện nay, xử lý tín hiệu RF
dưới dạng xử lý số (Digital Proccesing) có nhiều ưu điểm về độ chính
xác và tính linh động của nó. Ví dụ như tiếng nói là một tín hiệu tương
tự (analog). Tuy nhiên, các hệ thống anten thông minh nhận, biến đổi
và điều chế các tín hiệu tương tự để truyền như các tín hiệu số và biến
đổi lại thành tín hiệu tương tự ở đầu cuối bên kia.

III. NHỮNG ƯU ĐIỂM VÀ ỨNG DỤNG CHỦ YẾU CỦA HỆ THỐNG
ANTEN THÔNG MINH
1. Ưu điểm
- Hai ưu điểm chính của một hệ thống anten thông minh là cải thiện
chất lượng tín hiệu của các hệ thống truyền thông vô tuyến nhằm hội tụ
các tín hiệu vô tuyến được truyền đi và cải thiện dung lượng nhằm tăng
tần số lặp lại. Đặc biệt hơn, hệ thống anten thông minh có những ưu
điểm và tiện lợi được liệt kê trong bảng sau:

Thực hiện: Ngô Thanh Haûi

23