Tải bản đầy đủ - 0 (trang)
1 Giới thiệu về anten thông minh

1 Giới thiệu về anten thông minh

Tải bản đầy đủ - 0trang

Hình 1.1 Sơ đồ khối tổng qt của anten thơng minh

Thơng qua sơ đồ khối ta thấy:

-



Tín hiệu tới các phần tử anten được biến đổi từ tín hiệu tương tự sang tín

hiệu số, tiếp theo nó được nhân với bộ trọng số rồi tổng lại để được tín hiệu

ngõ ra. Bộ trọng số này giúp cho anten có thể tập trung bức xạ theo hướng

mong muốn. Bằng cách sử dụng các thuật tốn thích nghi trong q trình

Beamforming. Bộ trọng số này luôn được cập nhật để anten thông minh có

thể bám theo người sử dụng khi họ di chuyển



-



Biên độ trọng số quyết định búp sóng chính và búp sóng phụ (Side Lobe

Level)



-



Pha của bộ trọng số quyết định hướng của búp sóng chính



1.1.3 Ưu điểm của anten thơng minh



Hình 1.2



Vùng bức



xạ của



anten



thường và



anten thơng



minh [3]

Qua



hình 1.2 ta



có thể thấy



được



sự



khác



giữa



vùng



biệt



bức xạ của anten thường và anten thông minh. Anten thơng minh có các búp sóng

hẹp hơn và có tính định hướng cao hơn so với anten thường.

Anten thơng minh là một trong những xu hướng được quan tâm nhiều trong

những năm gần đây. Với các ứng dụng trong các hệ thơng tin vơ tuyến, nó có thể cải

2



thiện chất lượng tín hiệu, tăng dung lượng, mở rộng phạm vi hoạt động của hệ

thống. Với những ứng dụng trong các hệ thống rada, định vị, điện thoại GSM, 3G,

… anten thơng minh cho phép nâng cao khả năng tìm kiếm mục tiêu, nâng cao độ

chính xác, xác định tọa độ và có thêm những khả năng mới mà anten thường khơng

có được.

Ưu điểm của anten thơng minh [3]:

-



Cải thiện chất lượng tín hiệu của các hệ thống truyền thơng vô tuyến bằng

cách triệt can nhiễu, loại bỏ hiệu ứng đa đường, thu và phát đúng hướng

mong muốn



-



Cải thiện dung lượng hệ thống do tăng khả năng sử dụng lại tần số trong

cùng một cell



-



Công suất phát thấp cho phép thời gian sử dụng năng lượng lâu hơn, do đó

có thể giảm kích thước và khối lượng của các thiết bị đầu cuối. Việc phát

công suất thấp sẽ giảm ảnh hưởng tới các kênh lân cận



-



Anten thơng minh thích hợp được với hầu hết các hệ thống truyền thông vô

tuyến hiện nay



1.1.4 Mơ hình tính tốn của hệ thống phân bố anten thẳng

Z



θ



Δx



y



φ



X



3



Hình 1.3 Mơ hình dãy anten phân bố thẳng cách đều nhau



Φ: Góc phương vị

θ: Góc ngẩng của mặt phẳng sóng tới trên dãy anten

Để đơn giản hóa việc phân tích hệ thống anten, ta giả thiết:

-



Khơng có sự kết nối tương hỗ giữa các anten



-



Tất cả những trường sóng tới đều có thể chia thành một lượng các mặt phẳng

sóng rời rạc. Vì vậy số tín hiệu đến anten là hữu hạn



Y



ѱ

X



Ʃ

Z(t)



4 Máy thu



Hình 1.4 Mơ hình tốn của anten thơng minh



Đối với một mặt phẳng tới dãy anten từ hướng (θ.φ), tín hiệu đến phần tử thứ

m sẽ đi thêm một đoạn:

(1.1)

So với phần tử tham khảo tại gốc, phần tử m trễ hơn phần tử tham khảo một

khoảng thời gian:

(1.2)

Vì vậy, độ sai pha giữa thành phần tín hiệu đến phần tử thứ m và phần tử

tham khảo tại gốc là:

(1.3)

trong đó:

, f: tần số sóng mang (Hz)

: hệ số truyền sóng

Giả sử, mỗi phần tử anten là đẳng hướng và có độ lợi như nhau tại tất cả các

hướng. Tín hiệu đến mặt sóng có đường bao phức là s(t). Tín hiệu nhận được tại



5



phần tử anten thứ m như cơng thức (1.4).

(1.4)

Tín hiệu lối ra của dãy sau khi nhân với bộ trọng số với M là số phần tử

anten trong dãy như công thức (1.5)

(1.5)

Với được gọi là hệ số sắp xếp, nó xác định tỉ số giữa tín hiệu nhận được tại

lối ra của dãy anten và tín hiệu s(t) đo được tại phần tử tham khảo. Hệ số sắp xếp là

hàm theo hướng sóng đến (DOA). Bằng cách điều chỉnh bộ trọng số ta có thể hướng

cho búp sóng chính của hệ số sắp xếp theo hướng mong muốn

Ta định nghĩa vector trọng số:

(1.6)

Tín hiệu từ mỗi phần tử anten được nhóm thành một vector dữ liệu:

(1.7)

Tín hiệu lối ra z(t) là (1.6) nhân (1.7):

(1.8)

Với là phép biến đổi Hermitian (chuyển đổi đơn vị rồi lấy liên hợp phức).

Hệ số sắp xếp theo hướng được viết lại như sau:

(1.9)

Vector được gọi là vector lái theo hướng . Vector lái biểu diễn pha của tín

hiệu tại mỗi phần tử anten so với tín hiệu tham khảo tại gốc.

(1.10)

Trong đó:

(1.11)



6



1.1.5 Phân loại anten thông minh

Tùy theo mục tiêu, phương thức xử lý tín hiệu và mức độ phức tạp của thuật

tốn xử lý tín hiệu của anten thơng minh ta có thể chia anten thơng minh thành 3

loại chính [1]:

-



Anten định dạng búp sóng băng hẹp



-



Anten thích nghi



-



Anten thích nghi băng rộng

Anten định dạng búp sóng băng hẹp thuộc nhóm các hệ anten có xử lý tín



hiệu với thuật tốn khơng phức tạp, chủ yếu là dùng các bộ quay pha ở tần số sóng

mang (xử lý tín hiệu ở tần số radio) để tạo sự lệch pha cần thiết giữa các phân tử

anten nhằm tạo ra giản đồ hướng hoặc là có búp sóng hẹp hoặc búp sóng có hình

dạng đặc biệt, hoặc các búp sóng có thể thay đổi được trong không gian mà không

cần xoay giàn anten về mặt cơ học.

Anten thích nghi thuộc nhóm anten có xử lý tín hiệu vẫn ở dạng băng hẹp

nhưng sử dụng các phương thức và thuật toán phức tạp hơn nhằm đạt được tốc độ

cao, linh hoạt đáp ứng mục tiêu đề ra. Mục tiêu của anten thích nghi thường thực

hiện việc điều khiển tự động giản đồ hướng sao cho các hướng không hướng về các

nguồn nhiễu để triệt tiêu hoặc giảm nhiễu. Anten gồm một giàn các phần tử, liên kết

với một bộ xử lý thích nghi thời gian thực. Bộ xử lý thích nghi sẽ tự động điều

chỉnh các trọng số để đạt được một bộ trọng số tối ưu theo một tiêu chuẩn nào đó

phù hợp với thuật tốn đã lựa chọn.

Anten thích nghi băng rộng là hệ anten có xử lý tín hiệu theo phương thức xử

lý thích nghi với băng tần rộng và thuật tốn phức tạp, là bước phát triển cao của hệ

anten có xử lý tín hiệu nói chung. Bộ xử lý tín hiệu trong anten thường là bộ xử lý

không gian - thời gian, nó khơng chỉ xử lý tín hiệu rời rạc, lấy mẫu trong miền

khơng gian mà còn xử lý các tín hiệu rời rạc, lấy mẫu trong miền thời gian. Đây là

bước phát triển cao của hệ anten có xử lý tín hiệu.



7



1.2 Anten thích nghi

1.2.1 Các hệ thức tốn học [1]

Mơ hình của anten thích nghi được cho như Hình 1.5

1



U1

U2



2

.

.

.



W1



W2

U3



WM



M

Mảng anten



Định dạng búp sóng



Thuật tốn điều khiển thích nghi

Bộ xử lý thích nghi



Xử lý tín hiệu



Hình 1.5 Mơ hình anten thích nghi

Anten là một hệ thống bao gồm một dàn anten chấn tử (giả thiết là giàn

thẳng) gồm M phần tử và một bộ xử lý thích nghi thời gian thực. Bộ xử lý thích

nghi tiếp nhận liên tục các thông tin đầu vào của dàn rồi tự động điều khiển các

trọng số của bộ định dạng búp sóng, nhằm điều khiển liên tục đồ thị phương hướng

của dàn. Sao cho thỏa mãn yêu cầu đề ra với các chỉ tiêu nhất định.

Các trọng số được điều chỉnh để đạt được bộ trọng số tối ưu theo một tiêu

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

Ta quy ước các tín hiệu thu được trên các phần tử là tín hiệu đường bao

phức. Vì vậy ta có vector tín hiệu đầu vào của dàn anten được biểu thị như sau:

(1.12)



8



Trong đó:

là tín hiệu thu được trên phần tử thứ m, ta có:

(1.13)

S(t) là tín hiệu đường bao phức nhận được từ nhánh thứ nhất.

Áp dụng khái niệm vector hướng và kí hiệu tổ hợp góc (θ,φ) =  ta có:

(1.14)

Vậy:

(1.15)

Như vậy vector tín hiệu đầu vào u(t) được xác định bởi tín hiệu nhân được

tại phần tử thứ nhất s(t) và vector hướng . Vector hướng xác định tại mỗi hướng của

không gian khảo sát tại mỗi tần số cố định. Tập hợp tất cả các vector hướng nói trên

gọi là tập dữ liệu của dàn anten thích nghi. Q trình xác định tập dữ liệu nói trên

còn được gọi là q trình lấy chuẩn cho dàn anten.

Nếu hệ anten làm việc trong môi trường thực tế có tạp nhiễu thì vector số

liệu đầu vào được cộng thêm vector nhiễu n(t) biểu thức sẽ trở thành:

(1.16)

Trong đó:

(1.17)

Biểu thức trên chỉ phù hợp với tín hiệu băng hẹp vì trong đó các thành phần

của vector hướng được xác định ứng với một tần số nhất định. Băng thơng của tín

hiệu có liên quan đến sự khác biệt pha giữa các phần tử nằm trong dải sai số cho

phép.

Khảo sát mơ hình tín hiệu cho trường hợp tổng qt khi có xảy ra hiệu ứng

đa đường (tín hiệu từ nguồn truyền tới điểm thu với nhiều đường khác nhau), gây ra

phading đa đường) và có tác động của nhiều đối tượng tham gia vào hệ thống thông

9



tin. Gọi K là số đối tượng có phát tín hiệu tác động vào dàn anten và kí hiệu tín hiệu

của đối tượng thứ i là gồm P đường tới, với biên độ phức là , góc tới và trễ đường

truyền là , trong đó p là chỉ số ký hiệu đường tới.

Vector tín hiệu thu được của đối tượng thứ i được biểu diễn:

(1.18)

Khi có tác động đồng thời của K đối tượng và can nhiễu, vector tín hiệu đầu

vào sẽ có dạng:

(1.19)

gọi là vector đặc trưng khơng gian của đối tượng thứ i.

Trong hệ anten xử lý tín hiệu thích nghi thường sử dụng phép định dạng búp

sóng của dàn anten. Sao cho đồ thị phương hướng có cực đại của búp sóng hướng

theo phía nguồn tín hiệu có ích, còn các hướng khơng hoặc hướng cực tiểu hướng

theo nguồn nhiễu để triệt tiêu hoặc giảm nhiễu.

Quá trình triệt nhiễu, giảm nhiễu được thực hiện với sự phân biệt từng đối

tượng tham gia thông tin trong tập hợp các nguồn nhiễu. Dựa trên đặc tính khơng

gian của các tín hiệu hữu ích nên còn được gọi là “lọc khơng gian”.

Có hai phương pháp xử lí thích nghi [1]:

-



Xử lý thích nghi băng hẹp:Chỉ thực hiện việc lấy mẫu tín hiệu trong miền



khơng gian

-



Xử lý thích nghi băng rộng: Thực hiện lấy mẫu cả trong miền không gian và



thời gian

1.2.2 Các chuẩn tối ưu trong điều khiển thích nghi

Có 4 tiêu chuẩn được sử dụng để nhận được các bộ trọng số tối ưu [1]:

-



Tiêu chuẩn sai số trung bình phương nhỏ nhất (MMSE: Minimum Mean

Square Error)



10



-



Tiêu chuẩn tỉ số tín hiệu trên tạp nhiễu cực đại (MSINR: Maximum Signal to

interference plus Noise Ratio)



-



Tiêu chuẩn phương sai cực tiểu (MV: Minimum Variance)



-



Tiêu chuẩn khả năng cực đại (ML: Maximum Likelihood)



1.3 Ứng dụng của anten thông minh

1.3.1 Ứng dụng của anten thông minh trong mạng GSM

Đã có một số anten thơng minh được sản xuất cho thị trường di động sử dụng

công nghệ GSM. Chúng giúp tối ưu công suất phát, giảm nhiễu. Cho đến nay việc

sử dụng anten thông minh trong mạng GSM vẫn còn hạn chế. Bởi cơng nghệ GSM

sử dụng đa truy nhập theo thời gian (TDMA: Time Division Multiple Access) và

quản lý vị trí tần số. Điều này có nghĩa là mỗi kênh vơ tuyến có một khe thời gian

và một băng tần, khơng có sự can nhiễu giữa những người dùng trong một ô (cell)

trạm phát. Điều này có nghĩa lợi ích của anten thơng minh trong mạng GSM rất hạn

chế.

1.3.2 Ứng dụng của anten thông minh trong mạng 3G

Với hệ thống GSM, anten thơng minh có ứng dụng không lớn. Nhưng khi

thông tin di động phát triển hệ thống 3G với công nghệ đa truy nhập phân chia theo

mã (CDMA: Code Division Multiple Access) đang được ứng dụng ngày rộng rãi,

thì việc sử dụng anten thơng minh mang lại hiệu quả lớn. Trong hệ thống thông tin

di động trước đây loại anten được sử dụng chủ yếu là anten vô hướng hoặc anten

sector. Trong anten thông minh, việc ứng dụng thuật toán DOA (DOA: Direction Of

Arival) định hướng sóng đến và các thuật tốn xử lý tin hiệu thích hợp có thể hướng

búp sóng chính xác vào hướng thuê bao, tập trung công suất phát vào hướng cần

thiết. Khi xác định được hướng thuê bao và nhiễu ta cũng có thể tránh phát sóng

đến các nguồn can nhiễu. Như vậy, cùng một công suất phát năng lượng bức xạ của

anten đến nơi thu sẽ mạnh hơn nhiều lần, việc này có thể giúp tiết kiệm năng lương

nơi nguồn phát hoặc tăng năng lượng bức xạ nơi nhận.

Anten thông minh làm tăng công suất thu và giảm nhiễu. Điều này đặc biệt

có ý nghĩa đối với mạng di động 3G sử dụng công nghệ đa truy cập phân chia theo

11



mã CDMA (CDMA: Code Division Multiple Access). Chia phổ tần bằng cách xác

định mỗi kênh vô tuyến trong một trạm thu phát và thuê bao bằng một mã số. Thuê

bao chi được nhận ra bằng mã của mình. Tín hiệu thu phát từ những máy di động

khác (với những mã khác nhau) đối với máy di động chính là nhiễu. Vì vậy cho nên

càng nhiều điện thoại di động trong một vùng phủ sóng của trạm thu phát thì nhiễu

càng nhiều. Điều này làm giảm số điện thoại di động mà trạm thu phát có thể phục

vụ được. Tất cả các tiêu chuẩn điện thoại 3G đều sử dụng công nghệ CDMA. Đối

với công nghệ này anten thông minh giúp giảm nhiễu trong một ơ vì nó tăng cơng

suất để duy trì tất cả các kênh vơ tuyến từ trạm phát tới mọi thuê bao. Điều này đặc

biệt quan trọng khi nhu cầu tốc độ số liệu cao ngày càng tăng. Một kênh vô tuyến

tốc độ cao cần mức công suất cao gấp 10 lần một kênh thoại trong mạng GSM.

Tăng mức cơng suất để duy trì một kênh vơ tuyến cũng có nghĩa là giảm khả năng

phục vụ các th bao còn lại trong ơ cũng như từ các ô liền kề.

Anten thông minh giảm sự can nhiễu bằng hai cách [3]:

-



Búp sóng của anten hướng chính xác đến thuê bao, do vậy công suất

phát chỉ phát đúng đến hướng cần thiết.



-



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

tín hiệu về phía nguồn can nhiễu



Lợi ích chính triển khai anten thơng minh trong mạng 3G [3]:

-



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

thu, giảm khả năng khóa và rơi cuộc gọi đối với các thuê bao



-



Chất lượng tín hiệu truyền dẫn được cải thiện trong một trạm mà

không cần tăng công suất phát mà lại giảm được can nhiễu



-



Giảm công suất thu phát ở cả hai hướng (thuê bao - trạm phát và trạm

phát - thuê bao), giúp cho Pin của điện thoại được dùng lâu hơn



1.3.3 Anten thơng minh trong vệ tinh và truyền hình

Việt Nam phóng vệ tinh VINASAT-1 vào quỹ đạo vào năm 2008 [6], có ý



12



Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

1 Giới thiệu về anten thông minh

Tải bản đầy đủ ngay(0 tr)

×