Đồ án Ănten thông minh và ứng dụng trong WCDMA

Đồ án tốt nghiệp Đại học Mục lục Đinh Thị Thái Mai , D01VT i 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 Đồ án tốt nghiệp Đại học Mục lục Đinh Thị Thái Mai , D01VT ii 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 Đồ án tốt nghiệp Đại học Mục lục Đinh Thị Thái Mai , D01VT iii 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 Đồ án tốt nghiệp Đại học Thuật ngữ và các từ viết tắt Đinh Thị Thái Mai , D01VT iv 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 Đồ án tốt nghiệp Đại học Thuật ngữ và các từ viết tắt Đinh Thị Thái Mai , D01VT v 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 Kết hợp lựa chọn tổng quát Đồ án tốt nghiệp Đại học Thuật ngữ và các từ viết tắt Đinh Thị Thái Mai , D01VT vi Generalized Selection Combining 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 Đồ án tốt nghiệp Đại học Thuật ngữ và các từ viết tắt Đinh Thị Thái Mai , D01VT vii 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 Đồ án tốt nghiệp Đại học Danh mục các hình Đinh Thị Thái Mai , D01VT viii 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 Đồ án tốt nghiệp Đại học Danh mục các hình Đinh Thị Thái Mai , D01VT ix 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. .............................................. 73