Luận Văn Xử lý anten mảng theo không gian-thời gian trong thông tin vô tuyến di động

Mở Đầu

Các hệ thống thông tin di động đang phát triển bùng nổ trên thế giới và
cả ở Việt Nam. Trước yêu cầu ngày càng cao của người sử dụng dịch vụ
thông tin di động về chất lượng, dung lượng và tính đa dạng của dịch vụ và
đặc biệt là các dịch vụ truyền dữ liệu tốc độ cao và đa phương tiện, việc
nghiên cứu, ứng dụng các công nghệ và kỹ thuật tiên tiến đáp ứng nhu cầu
này luôn là một đòi hỏi cấp thiết.
Một trong số các kỹ thuật để có thể giúp cải thiện đáng kể chỉ tiêu và
dụng lượng của hệ thống đang được tập trung nghiên cứu trên thế giới trong
thời gian gần đây là kỹ thuật xử lý không gian-thời gian. Kỹ thuật này cho
phép sử dụng tối đa hiệu quả phổ tần cho hệ thống thông tin vô tuyến nói
chung và hệ thống thông tin di động tổ ong nói riêng. Nhờ sử dụng nhiều
phần tử anten, kỹ thuật này cho phép tối ưu hoá quá trình thu hoặc phát tín
hiệu bằng cách xử lý theo cả hai miền không gian và miền thời gian tại máy
thu phát.[16,17,19, 28, 36]
Việc tiếp tục nghiên cứu phát triển kỹ thuật này để tiến tới có được các
sản phẩm hữu dụng có chỉ tiêu chất lượng cao, đồng thời phù hợp với khả
năng xử lý, tính toán của các thiết bị hiện có cũng như ứng dụng nó vào trong
các hệ thống thông tin di động hiện có một cách hiệu quả thực sự là vấn đề
cấp thiết. Việc thực hiện tốt những nghiên cứu này sẽ mang lại hiệu quả rất to
lớn về dung lượng cũng như hiện thực hoá khả năng truyền dữ liệu tốc độ cao
cho các hệ thống thông tin di động như GSM hay CDMA hiện tại cũng như
các hệ thống thông tin di động thế hệ mới.
Mục tiêu của luận án là nghiên cứu kỹ thuật xử lý không-gian thời gian
bằng anten thông minh cho thông tin di động với các trường hợp cụ thể anten
thông minh cho mạng GSM ở Việt Nam và các hệ thống CDMA.
-2-
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án là tập trung giải quyết
những vấn đề sau:
- Nghiên cứu thuật toán tạo búp thích nghi có độ phức tạp tính toán thấp
nhưng tốc độ hội tụ cao để phù hợp với khả năng của thiết bị thực tế.
- Đánh giá hiệu quả của việc sử dụng anten thông minh trong hệ thống GSM
có tính đến các điều kiện cụ thể của hệ thống GSM ở Việt Nam để đề xuất
phương án ứng dụng, triển khai nhằm sử dụng tài nguyên một cách hiệu
quả, có xem xét, đánh giá ảnh hưởng của pha-đinh và che khuất.
- Nghiên cứu kỹ thuật nâng cao chỉ tiêu cho hệ thống anten thông minh cho
W-CDMA, hệ thống thông tin di động thế hệ 3 IMT-2000.
Phương pháp nghiên cứu được thực hiện là nghiên cứu lý thuyết kết hợp
với mô phỏng bằng chương trình máy tính để đánh giá kết quả: Với hệ thống
GSM, có tính đến các tham số và điều kiện đặc thù của mạng lưới hiện đang
triển khai ở Việt Nam; Với đề xuất cho hệ thống W-CDMA, kết quả đo kiểm
thực hiện trên hệ thống thử nghiệm được sử dụng để đánh giá độ tin cậy.
Nội dung luận án bao gồm 4 Chương. Sau phần Mở đầu, Chương 1 trình
bày tổng quan về kỹ thuật xử lý mảng theo không gian-thời gian và đặt vấn đề
nghiên cứu. Chương 2 đi sâu vào phân tích các anten mảng nhiều phần tử
được sử dụng trong thông tin di động với hai kỹ thuật phân tập và tạo búp.
Chương này cũng đã đề xuất sử dụng một thuật toán tạo búp thích nghi kết
hợp cả kênh hoa tiêu và lưu lượng cho hệ thống CDMA trải phổ trực tiếp.
Chương 3 đánh giá hiệu quả của việc sử dụng anten thông minh trong các hệ
thống thông tin di động tổ ong, đề xuất sử dụng cho hệ thống GSM ở Việt
Nam có xem xét đến ảnh hưởng của pha-đinh và che khuất. Trên cơ sở nhận
xét về những hạn chế của hệ thống anten thông minh thử nghiệm cho WCDMA,
qua phân tích các đặc tính của kỹ thuật phân tập và tạo búp trong môi
trường pha-đinh và nhiễu đa truy nhập, Chương 4 đã đề xuất sử dụng kỹ
-3-
thuật phối hợp cho chép đạt được ưu điểm của cả hai kỹ thuật phân tập và tạo
búp cho hệ thống W-CDMA. Kết quả đo kiểm được thực hiện trên hệ thống
anten thông minh thử nghiệm cho W-CDMA tại Viện nghiên cứu Điện tử
viễn thông Hàn Quốc (ETRI) để đánh giá độ tin cậy của phương án đề xuất.
Cuối cùng là phần kết luận và hướng phát triển tập trung vào những kết quả
mới đạt được của luận án.

Mục Lục

Chữ Viết Tắt . .vii
Mục lục Hình vẽ .ix
Mục lục Bảng biểu xii
Mở Đầu 1
Chương 1. Tổng quan vấn đề nghiên cứu .4
1.1. Sơ lược về quá trình phát triển kỹ thuật xử lý tín hiệu mảng 4
1.1.1. Sự phát triển của kỹ thuật anten: .4
1.1.2. Tín hiệu trong miền thời gian, không gian 6
1.2. Xử lý không gian-thời gian trong thông tin di động 9
1.2.1. Mô hình hệ thống không gian-thời gian 9
1.2.2. Môi trường thông tin di động 14
1.2.3. Mô hình và đánh giá kênh không gian-thời gian .21
1.2.4. Ưu, nhược điểm của kỹ thuật xử lý không gian-thời gian .23
1.3. Phân loại anten 25
1.4. Đặt vấn đề nghiên cứu . 27
Chương 2. Kỹ thuật xử lý đối với anten mảng .31
2.1. Kỹ thuật phân tập . . 31
2.1.1. Kết hợp tỉ lệ cực đại 36
2.1.2. Tăng ích phân tập 41
2.1.3. Tăng ích anten .42
2.1.4. Ảnh hưởng của tương quan nhánh 43
2.2. Kỹ thuật tạo búp sóng . 47
2.2.1. Chuyển búp sóng . 47
2.2.2. Tạo búp sóng thích nghi 50
2.2.3. Các thuật toán thích nghi .55
-v-
2.3. Thuật toán tạo búp thích nghi có hỗ trợ của kênh hoa tiêu cho
đường lên DS-CDMA 59
2.3.1. Anten thông minh cho DS-CDMA 59
2.3.2. Mô hình tín hiệu 61
2.3.3. Kết hợp theo không gian ở máy thu trạm gốc .64
2.4. Tổng kết chương 67
Chương 3. Hiệu quả về dung lượng của anten thông minh đối với hệ
thống GSM 68
3.1. Đánh giá hiệu quả về dung lượng khi sử dụng anten thông minh
chuyển búp sóng . 68
3.2. Kết quả tính số . 72
3.2.1. Hiệu quả về dung lượng với hệ thống AMPS 72
3.2.2. Hiệu quả về dung lượng đối với hệ thống GSM 74
3.2.3. Đề xuất mẫu tái sử dụng tần số cho mạng GSM ở Việt Nam khi sử dụng anten thông
minh 76
3.3. Ảnh hưởng của pha-đinh và che khuất tới việc tái sử dụng tần số
. 77
3.3.1. Ảnh hưởng của sự che khuất .82
3.3.2. Các vùng nhiễu . .83
3.3.3. Đánh giá ảnh hưởng của các nguồn nhiễu đồng kênh trong thực tế 85
3.4. Hiệu quả về dung lượng của anten chuyển búp sóng với ảnh
hưởng của che khuất và pha-đinh . . 90
3.5. Tổng kết chương 94
Chương 4. Phối hợp kỹ thuật tạo búp và phân tập cho hệ thống WCDMA . .
96
4.1. Hệ thống W-CDMA . 96
4.1.1. Các đặc tính chủ yếu của W-CDMA .97
-vi-
4.1.2. Kênh vật lý đường lên .98
4.1.3. Kênh vật lý đường xuống 100
4.1.4. Môi trường mô phỏng W-CDMA .102
4.2. Phối hợp kỹ thuật tạo búp sóng và phân tập cho hệ thống WCDMA .
107
4.2.1. Chỉ tiêu kỹ thuật tạo búp sóng . 107
4.2.2. Chỉ tiêu kỹ thuật phân tập thu .112
4.2.3. Đề xuất phối hợp kỹ thuật tạo búp và phân tập cho hệ thống W-CDMA .115
4.3. Kết quả mô phỏng . 117
4.4. Đo kiểm hệ thống thử nghiệm anten thông minh cho W-CDMA
119
4.4.1. Giới thiệu hệ thống thử nghiệm .119
4.4.2. Anten mảng thông minh 120
4.4.3. Cấu hình hệ thống và điều kiện đo 122
4.4.4. Kết quả đo kiểm trên hệ thống thử nghiệm .129
4.5. Xử lý kết quả đo kiểm và so sánh với kết quả mô phỏng 131
4.6. Tổng kết chương 133
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN . 134
Kết luận . 134
Hướng phát triển tiếp theo: 135
Bài báo, Công trình đã công bố 136
Tài liệu tham khảo 138
Tiếng Việt 138
tiếng Anh . 139