Đồ Án Ănten thông minh và ứng dụng trong WCDMA

MỤC LỤC
THUẬT NGỮ VÀ TỪ VIẾT TẮT iv
DANH MỤC CÁC HÌNH viii
DANH MỤC CÁC BẢNG xi
LỜI NÓI ĐẦU xii
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĂNTEN THÔNG MINH 1
1.1 M λ đầu 1
1.2 Hệ thống ănten thông minh 1
1.2.1 Khái niệm 1
1.2.2 Nguyên lý hoạt động của ănten thông minh 2
1.2.3 Cấu trúc sắp xếp của các phần tử ănten 3
1.2.4 Các tham số dàn ănten 4
1.3 Mô hình tín hiệu 5
1.4 Ưu điểm của ănten thông minh trong thông tin di động 9
1.4.1 Giảm trải trễ và pha đinh đa đường 9
1.4.2 Giảm nhiễu đồng kênh 11
1.4.3 Tăng dung lượng hệ thống và cải thiện hiệu suất phổ 12
1.4.4 Tăng hiệu suất truyền dẫn 12
1.4.5 Giảm chuyển giao 12
1.4.6 M λ rộng tầm sóng 12
1.4.7 Tăng diện tích vùng phủ sóng 14
1.4.7.1 Mức độ vùng phủ của ănten thu đơn phần tử 14
1.4.7.2 Mức độ vùng phủ của ănten thu L phần tử 15
1.4.8 Giảm công suất phát trạm di động 17
1.4.9 Cải thiện chất lượng tín hiệu 17
1.4.10 Tăng tốc độ dữ liệu 17
1.5 Tổng kết 17
CHƯƠNG II: CÁC KỸ THUẬT TRONG ĂNTEN THÔNG MINH 19
2.1. Kết hợp phân tập 19
2.1.1 Phân tập chuyển mạch 19
2.1.2 Phân tập lựa chọn (SD) 20
2.1.3 Phân tập kết hợp tỷ lệ tối đa (MRC) 21
2.1.4 Kết hợp độ lợi cân bằng (EGC) 23
2.1.5 Kết hợp lựa chọn tổng quát hoá GSC (Generalized Selection Combining) 23
2.1.6 Tổng kết 26
2.2 Tạo búp sóng 27
2.2.1 Ví dụ về tạo búp sóng 27
2.2.2 Các loại tạo búp sóng 29
2.2.2.1 Tạo búp sóng tương tự 29
2.2.2.2 Tạo búp sóng số 29
2.2.2.3 Tạo búp sóng không gian phần tử 29
2.2.2.4 Tạo búp sóng không gian – búp sóng 31
2.2.3 Kỹ thuật tham chiếu thời gian 34
2.2.3.1 Bình phương trung bình tối thiểu 35
2.2.3.2 Bình phương trung bình tối thiểu chuẩn hoá (NLMS) 38
2.2.3.3 Nghịch đảo ma trận mẫu (SMI) 39
2.2.3.4 Bình phương tối thiểu đệ quy (RLS) 45
2.2.4 Kỹ thuật tham chiếu không gian - Định cỡ ănten 47
2.2.5 Thuật toán mô đun hằng (CM) 49
2.3 Tổng kết 51
CHƯƠNG III: ỨNG DỤNG ĂNTEN THÔNG MINH TẠI MÁY CẦM TAY TRONG HỆ THỐNG WCDMA 53
3.1 Ănten thông minh tại máy cầm tay 53
3.2 Hệ thống truyền thông vô tuyến thế hệ 3 55
3.2.1 Hệ thống 3GPP 56
3.2.2 Hệ thống cdma2000 58
3.2 Các lược đồ kết hợp 59
3.2.1 Kết hợp phân tập 59
3.3.2 Kết hợp tương thích 60
3.3.3 Kết hợp lai ghép 62
3.4 Mô hình kênh 63
3.4.1 Giới thiệu chung về mô hình kênh 63
3.4.2 Tương quan đường bao 65
3.4.3 Mô hình kênh pha đinh tương quan không gian và mô hình kênh pha đinh tương quan không chặt 65
3.4.4 Mô hình kênh pha đinh tương quan đường bao 67
3.4.5 Thủ tục lấy profile kênh sử dụng GBSB 69
3.4.5.1 Mô hình GBSB 69
3.4.5.2 Thủ tục lấy profile kênh sử dụng GBSB 70
3.4.6 Mô hình kênh có phađinh logarit chuẩn 72
3.5 Tổng kết 73
CHƯƠNG IV: ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG CỦA ĂNTEN THÔNG MINH TẠI MÁY CẦM TAY 74
4.1 Hiệu năng của kết hợp phân tập 74
4.1.1 Môi trường mô phỏng 74
4.1.2 Các kết quả mô phỏng trong mô hình kênh đường tròn GBSB 75
4.1.3 Các kết quả mô phỏng trong mô hình kênh elip GBSB 80
4.2 Hiệu năng của kết hợp tương thích 86
4.2.1 Môi trường mô phỏng 86
4.2.2 Các kết quả mô phỏng cho AC 87
4.3 Hiệu năng của kết hợp lai ghép 89
4.3.1 Môi trường mô phỏng cho mô hình GBSB 89
4.3.2 Hiệu năng của DC và AC trong mô hình GBSB 90
4.3.3 Hiệu năng của HC đối với mô hình GBSB 94
4.4 Tổng kết 96
KẾT LUẬN 97
TÀI LIỆU THAM KH¶O 99


THUẬT NGỮ VÀ TỪ VIẾT TẮT
A
AC Adaptive Combining Kết hợp tương thích
ADC Analogue – Digital Convert Bộ chuyển đổi tương tự số
AOA Angle Of Arrival Góc tới
AT- GSC Absolute Threshold Generalized Selection Combining Kết hợp lựa chọn tổng quát hoá ngưỡng tuyệt đối
AWGN Additive White Gaussian Noise Tạp âm Gaussian trắng cộng
B
BER Bit Error Rate Tỷ lệ lỗi bit
BPSK Binary Phase Shift Keying Khoá dịch pha nhị phân
C
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
D
DC Diversity Combining Kết hợp phân tập
DECT Digital European Cordless Telephone Mạng điện thoại không dây số Châu Âu
DOA Direction Of Arrival Hướng góc đến
DSP Digital Signal Procesor Bộ xử lý tín hiệu số
E
ECFCM Envelope correlated Fading Channel Model Mô hình kênh pha đinh tương quan đường bao
ESPRIT Estimation of Signal Parameters by Rotation Invariance Technique ước tính tham số tín hiệu dựa trên kỹ thuật quay bất biến
EGC Equal Gain Combining Kết hợp độ lợi cân bằng
F
FDMA Frequency Division MultiAccess Đa truy cập phân chia theo tần số
FDD Frequency Division Duplex Ghép song công theo tần số
G
GBSB Geometrically - Based Single - Bounce Đường bao trên mô hình địa lý
GSC Generalized Selection Combining Kết hợp lựa chọn tổng quát
GSM Global System for Mobile Communication Hệ thống thông tin di động toàn cầu
GPP
GPS Global Position System Hệ thống vị trí toàn cầu
H
HC Hybrid Combining Kết hợp lai ghép
I
IMT International Mobile Telecommunication Hội thông tin di động quốc tế
ITU International Telecommunication Union Liên đoàn viễn thông quốc tế
IF Intermidiate Frequency Trung tần
L
LCFCM Loosely Correlated Fading Channel Model Mô hình kênh pha đinh tương quan không chặt
LOS Line Of Sight đường truyền thẳng
M
MLE Maximum Likehood Estimation Khả năng giống nhất
MMSE Minimum Mean Square Error Lỗi bình phương trung bình nhỏ nhất
MRC Maximum Ratio Combining Kết hợp tỷ lệ tối đa
MSE Mean Square Error Lỗi bình phương trung bình
MUSIC MUltiple SIgnal Classification Phân chia đa tín hiệu
N
NLMS Normalized Least Mean Square Bình phương trung bình tối thiểu chuẩn hoá
NT-GSC Normalized Threshold Generalized Selection Combining Kết hợp lựa chọn tổng quát ngưỡng chuẩn hoá
P
PDF Propability Density Function Hàm mật độ phổ công suất
PCH Pilot Channel Kênh hoa tiêu
PN Pseudo - Noise Giả tạp âm
Q
QPSK Quadrature Phase Shift Keying Khoá dịch pha toàn phương
R
RF Radio Frequency Tần số vô tuyến
RLS Recurstive Least Square Bình phương tối thiểu đệ quy
S
SA Smart Antenna Ănten thông minh
SC Selective Combing Kết hợp lựa chọn
SCFCM Spatially Correlated Fading channel Model Mô hình kênh pha đinh tương 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 phươngg
SMI Sample Matrix Inversion nghịch đảo ma trận mẫu
SNR Signal- to- Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên tạp âm
T
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 thông
U
UC Unit Controll Đơn vị điều khiển
UCFCM Uncorrelated Fading Channel Model Mô hình kênh pha đinh không tương quan
W
WLAN Wireless Local Area Network Mạng vô tuyến nội hạt

DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1: Dàn ănten thông minh 2
Hình 1.2: Các loại cấu trúc ănten thông minh 3
Hình 1.3: Hệ số dàn của dàn ănten tuyến tính với khoảng cách ănten là λ/2 được định hướng tại 00, đáp ứng của mỗi phần tử dàn ănten và mẫu bức xạ do kết hợp cả hai điều kiện trên. 5
Hình 1.4: Hệ số dàn của dàn ănten tuyến tính đồng nhất 8 phần tử với khoảng cách các ănten con là λ/2 và 3λ/2. 6
Hình 1.5: Sơ đồ thu tín hiệu của dàn ănten tuyến tính không gian 6
Hình 1.6: Bộ tạo búp sóng cộng các tín hiệu phần tử ănten gán trọng số 7
Hình 1.7:Minh hoạ thành phần truyền thẳng từ trạm gốc đến trạm di động cho thấy hướng di chuyển của trạm di động, 10
Hình 1.8: Phổ Doppler tại trạm di động, khi sử dụng một ănten có hướng tại trạm gốc, và một ănten vô hướng tại trạm di động, được so sánh với mô hình Clarke, R = 1km, D= 3km, fm = 100 Hz 11
Hình 1.9 : Hệ số tầm sóng theo số phần tử của ănten 13
Hình 1.10 : Mức độ phủ phân đoạn cell đối với anten thu đơn phần tử 15
Hình 1.11 : Mức độ phủ phân đoạn cell đối với anten thu nhiều phần tử 17
Hình 2.1 : Kết hợp phân tập chuyển mạch 20
Hình 2.2 :Kết hợp phân tập lựa chọn 20
Hình 2.3 : Kết hợp tỷ kệ tối đa. 23
Hình 2.4: SNR kết hợp của GSC, AT-GSC và NT-GSC 26
Hình 2.5: Bộ thu tạo búp sóng 2 phần tử có tín hiệu mong muốn tại góc 00 và tín hiệu nhiễu tại 300, khoảng cách giữa các phần tử là λ/2 28
Hình 2.6: Mẫu búp sóng được tạo ra sử dụng phương trình 1.5 với dàn ănten 2 phần tử với khoảng cách giữa các phần tử là λ/2 và 30
Hình 2.7: Bộ thu tạo búp sóng không gian-phần tử với L phần tử ănten có khả năng định dạng K búp sóng 31
Hình 2.8: Bộ thu tạo búp sóng không gian – búp sóng với L phần tử ănten có khả năng định dạng K búp sóng 32
Hình 2.9: Hệ số dàn, F(Φ,α), của dàn ănten 5 phần tử sử dụng tạo búp sóng không gian – búp sóng cho thấy có thể tạo ra bốn búp sóng trực giao không gian 33
Hình 2.10: Cấu trúc của bộ tạo búp sóng tham chiếu thời gian với L phần tử ănten 34
Hình2.11:Ví dụ về bề mặt lỗi toàn phương và các trọng số của hệ thống hai phần tử theo hướng âm của gradient để tối thiểu hoá lỗi bình phương trung bình 36
Hình 2.12: SINR chuẩn hoá kỳ vọng (SNR), E[ρ2] được đánh giá từ phương trình 3.50, với số lượng mẫu đầu ra dàn khác nhau, theo số lượng các phần tử dàn ănten, được sử dụng để tạo ma trận tương quan chỉ nhiễu hoặc chỉ tạp âm. SNR tại mỗi phần tử ănten là 12.0 dB 41
Hình 2.13: SNR tại đầu ra của bộ kết hợp dàn được xác định b λi SNR tối ưu và mô phỏng theo phương trình 3.67với số lượng mẫu đầu ra dàn khác nhau, theo số lượng các phần tủe của dàn ănten, được sử dụng để tạo ma trận tương quan chỉ nhiễu hoặc chỉ tạp âm. SNR tại mỗi phần tử ănten là 12.0 dB 42
Hình 2.14:SNR chuẩn hoá, ρi, đối với số lượng các mẫu khác nhau, theo số các phần tử ănten . 44
Hình 2.15: Sơ đồ khối của bộ thu dàn ănten 8x8 phần tử và hệ thống định chuẩn vốn có của Passman và Wixforth cho thấy các cổng phân cực phương ngang và phương thẳng đứng 49
Hình 3.1: Hệ thống ănten kép cho HDR 53
Hình 3.2 : Bộ cầm tay ănten thông minh cho hệ thống DECT 54
Hình 3.3: Hệ thống ănten thông minh so với hệ thống một ănten. 55
Hình 3.4: Sơ đồ khối bộ phát đường xuống của hệ thống 3GPP 56
Hình 3.5 : Đường xuống của cdma2000 58
Hình 3.6: Kết hợp phân tập 60
Hình 3.7: Kết hợp tương thích 60
Hình 3.8: Bộ kết hợp lai ghép của hệ thống ănten kép 62
Hình 3.10: Sự khác pha trong dàn ănten tuyến tính. 64
Hình 3.11: Tương quan đường bao đối với khoảng cách ănt 65
Hình 3.12: Hai mô hình kênh 66
Hình 3.13: Mô hình kênh phađinh tương quan đường bao 67
Hình 3.14: Hai tín hiệu pha đinh Rayleigh trong ECFCM 68
Hình 3.16: Hình học của mô hình GBSB elip 70
Hình 3.17: Dạng kênh của mô hình elip và đường tròn GBSB 71
Hình 3.18: Mô hình kênh pha đinh không tương quan. 72
Hình 4.1: Bộ thu ănten thông minh kép với bộ kết hợp phân tập 74
Hình 4.2: BER với các lược đồ phân tập và hai mô hình kênh 77
Hình 4.3: BER với các khoảng cách ănten khác nhau 77
Hình 4.4 : BER với các độ trễ lớn nhất khác nhau 78
Hình 4.5: BER với số lượng người sử dụng khác nhau 79
Hình 4.6: BER với số lượng đa đường khác nhau 80
Hình 4.7: BER với ba lược đồ kết hợp và hai mô hình kênh 82
Hình 4.8: BER với số lượng người sử dụng khác nhau 83
Hình 4.9: BER với các vận tốc di chuyển khác nhau 83
Hình 4.10: BER với số lượng đa đường khác nhau 84
Hình 4.11: So sánh BER trong mô hình elip và đường tròn GBSB. 85
Hình 4.12: BER trong mô hình đường tròn và elip GBSB 88
Hình 4.13: BER với các vận tốc khác nhau 89
Hình 4.14: Hiệu năng của DC và AC với các khoảng cách ănten khác nhau. 91
Hình 4.15: Hiệu năng của DC và AC với các vận tốc di chuyển khác nhau 92
Hình 4.16: Hiệu năng của DC và AC với các tương quan đường bao khác nhau. 93
Hình 4.17 : Hiệu năng của HC với các vận tốc khác nhau 96