LỜI CẢM ƠN
Em xin chân thành cảm ơn thầy Phạm Duy Phong đã tạo điều kiện, giúp đỡ,
tận tình hướng dẫn, đưa ra những định hướng nghiên cứu cũng như hướng giải
quyết một số vấn đề cho em trong quá trình thực hiện đồ án “Nghiên cứu một số
thuật toán ước lượng hướng sóng tới trong hệ thống thông tin vô tuyến”.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong khoa Điện tử Viễn thông và các
thầy cô trong trường Đại học Điện lực đã chỉ bảo, hướng dẫn em trong thời gian học
tập tại trường.
Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến bố mẹ, em trai, những
người thân trong gia đình và bạn bè đã cổ vũ, động viên em trong suốt quá trình học
tập cũng như hoàn thành đồ án tốt nghiệp.
Hà Nội, ngày 14 tháng 2 năm 2012
Sinh viên
Vũ Văn Khoa
GVHD: ThS. Phạm Duy Phong SVTH: Vũ Văn Khoa
MỤC LỤC
GVHD: ThS. Phạm Duy Phong SVTH: Vũ Văn Khoa
i
DANH MỤC HÌNH VẼ
GVHD: ThS. Phạm Duy Phong SVTH: Vũ Văn Khoa
ii
DANH MỤC BẢNG BIỂU
GVHD: ThS. Phạm Duy Phong SVTH: Vũ Văn Khoa
iii
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
3G Third Generation Hệ thống mạng di động thế hệ
thứ 3
ADC Analog-to-Digital Converter Bộ chuyển đổi tương tự/số
AoA Angle of Arrival Góc tới của sóng
BF Beamforming Định dạng búp sóng
BLAS Basic Linear Algebra

Subprograms
Thư viện các chương trình con
về đại số tuyến tính cơ bản
BTS Base Transceiver Station Trạm thu phát tín hiệu gốc
DAC Digital-to-Analog Converter Bộ chuyển đổi số/tương tự
DoA Direction of Arrival Hướng tới của sóng
ESPRIT Estimation of Signal
Parameters using Rotational
Invariance Techniques
Thuật toán ước lượng tham số
tín hiệu sử dụng các kỹ thuật
bất biến quay
IEEE Institute of Electrical and
Electronics Engineers
Viện nghiên cứu kỹ thuật điện
và điện tử
LAPACK Linear Algebra PACKage Thư viện phần mềm về đại số
tuyến tính
LS Least Squares Phương pháp bình phương tối
thiểu
MATLAB Matrix Laboratory Phòng thí nghiệm về ma trận
(Chương trình phần mềm)
MIMO Multi Input Multi Output Hệ thống vô tuyến nhiều đầu
vào, nhiều đầu ra
MUSIC MUltiple SIgnal Classification Thuật toán phân loại đa tín
hiệu
SNR Signal-to-Noise Ratio Tỉ lệ tín hiệu/nhiễu
SVD Singular Value Decomposition Phép toán phân tích giá trị
riêng
TLS Total Least Squares Phương pháp tổng bình

phương tối thiểu
UCA Uniform Circular Array Mảng đường tròn đều
ULA Uniform Linear Array Mảng đường thẳng tuyến tính
đều
GVHD: ThS. Phạm Duy Phong SVTH: Vũ Văn Khoa
iv
MỞ ĐẦU
Trong thời gian gần đây, hệ thống mạng viễn thông vô tuyến phát triển rất
nhanh nhằm đáp ứng sự bùng nổ nhu cầu các thuê bao, nhất là các thuê bao băng
rộng. Tiêu biểu trong số các hệ thống đó là các mạng di động thế hệ thứ 3 (3G).
Trong thời gian tới, các hệ thống mạng sẽ tiếp tục được phát triển rộng khắp với
tiêu chí nâng cao chất lượng dịch vụ và khả năng hỗ trợ người dùng. Góp phần vào
việc nâng cao chất lượng dịch vụ là các kỹ thuật xử lý tín hiệu, các thiết bị hiện đại,
các công nghệ mới… Dựa vào các công nghệ, kỹ thuật mới, nhiều hệ thống được
phát triển và ứng dụng tốt trên thực tế. Anten thông minh là một trong những hệ
thống thiết bị có đầy đủ các yếu tố trên, nên đang rất được quan tâm.
Thuật toán ước lượng hướng sóng tới là những thuật toán được áp dụng vào
hệ thống anten thông minh, tận dụng hiệu quả các kỹ thuật xử lý tín hiệu. Các thuật
toán này được thực hiện ở máy thu, nhằm mục đích tìm ra hướng truyền tới của
sóng từ xa. Thuật toán này đóng vai trò quan trọng trong các hệ thống mạng hướng
tới phục vụ người dùng với chất lượng dịch vụ cao.
Trên thế giới, rất nhiều công trình nghiên cứu về các thuật toán này được
thực hiện tại các trường đại học, các viện nghiên cứu và được các tổ chức uy tín về
viễn thông quốc tế như IEEE công nhận. Tại Việt Nam, các thuật toán này đã bắt
đầu được nghiên cứu cách đây ít lâu tại các trường đại học hàng đầu như Đại học
Bách Khoa Hà Nội, Đại học Quốc Gia Hà Nội, Học viện Công nghệ Bưu chính
Viễn Thông, vv… Một số các viện nghiên cứu, doanh nghiệp viễn thông cũng đã
quan tâm nghiên cứu và hướng đến triển khai thực tiễn. Như vậy, có thể thấy rằng
các vấn đề nghiên cứu về thuật toán xác định hướng sóng tới là một vấn đề cấp
thiết, có tính khoa học và thực tiễn.

Qua khảo sát thấy rằng, các nghiên cứu về thuật toán xác định hướng sóng
tới có thể chia theo các hướng: nghiên cứu cơ bản về một thuật toán mới, nghiên
cứu nâng cao và phát triển các thuật toán đã có, nghiên cứu ứng dụng thực tế.
Với mong muốn tìm hiểu sâu sắc hơn và góp phần nhỏ vào hướng nghiên
cứu, đồ án tốt nghiệp: “Nghiên cứu một số thuật toán xác định hướng sóng tới
trong hệ thống thông tin vô tuyến” đã chọn hướng nghiên cứu cơ bản về thuật toán
MUSIC và thuật toán ESPRIT. Phương pháp nghiên cứu được áp dụng trong đồ án
này là xây dựng các mối quan hệ toán học kết hợp với thực hiện mô phỏng và so
sánh.
Nội dung đồ án được tổ chức thành 3 chương như sau:
Chương 1: Hệ thống anten thông minh và việc ước lượng hướng sóng tới.
Nội dung chương 1 sẽ giới thiệu về hệ thống anten thông minh và nguyên tắc cơ
bản của ước lượng hướng sóng tới sử dụng anten thông minh.
Chương 2: Một số thuật toán ước lượng hướng sóng tới của tín hiệu. Trong
chương 2, em sẽ trình bày nội dung của hai thuật toán MUSIC và ESPRIT, hai thuật
toán phổ biến nhất trong số các thuật toán ước lượng hướng sóng tới. Các điều kiện
để thực hiện thuật toán và một phương pháp ước lượng hướng sóng tới theo kiểu
truyền thống cũng được giới thiệu trong chương này.
Chương 3: Ứng dụng các thuật toán ước lượng hướng sóng tới trong hệ
thống thông tin vô tuyến. Với các thuật toán đã được giới thiệu ở chương 2, chương
3 sẽ trình bày các kết quả mô phỏng và so sánh các thuật toán này. Tiếp theo đó,
chương này sẽ đề xuất một số giải pháp ứng dụng của các thuật toán này trên hệ
thống thực tế.
Phần kết luận trình bày những kết quả đồ án đã đạt được, nêu một số hướng
nghiên cứu và phát triển đề tài. Phần cuối của đồ án là danh mục các tài liệu tham
khảo và phụ lục.
Đồ án này là kết quả của quá trình học tập và tìm hiểu của em trong quá trình
theo học tại Trường Đại học Điện lực, dưới sự giúp đỡ tận tình của thầy hướng dẫn
ThS. Phạm Duy Phong và các thầy cô giáo trong khoa Điện tử Viễn thông. Các kiến
thức thu được trong quá trình thực hiện đồ án này đã củng cố vững chắc những kiến

thức mà em đã học được và chắc chắn sẽ giúp em rất nhiều trong quá trình học tập
và công tác sau này.
CHƯƠNG 1
HỆ THỐNG ANTEN THÔNG MINH VÀ
VIỆC ƯỚC LƯỢNG HƯỚNG SÓNG TỚI
1.1. Sự phát triển của hệ thống thông tin vô tuyến và sự ra đời của Anten
thông minh
Thông tin liên lạc là một phần không thể thiếu của xã hội loài người. Cùng
với sự phát triển kinh tế xã hội, các hệ thống thông tin liên lạc luôn được phát triển,
ứng dụng các thành tựu khoa học kỹ thuật mới nhất nhằm đáp ứng nhu cầu ngày
càng cao của đời sống người dân. Thay thế cho cáp kim loại đối xứng, vốn là
phương tiện truyền dẫn thông tin lâu đời nhất, cáp đồng trục, cáp quang ra đời, với
các ưu điểm: có tốc độ truyền dẫn cao, băng thông rộng, đảm bảo chất lượng tín
hiệu … Tuy nhiên, các hệ thống truyền dẫn hữu tuyến trên có nhược điểm là cần
nhiều vốn đầu tư, việc xây dựng, lắp đặt, triển khai không dễ dàng (đôi khi không
thể thực hiện thi công lắp đặt dây cáp được), nhất là không thể cung cấp cho người
dùng dịch vụ khả năng linh hoạt tiếp cận thông tin mọi lúc mọi nơi.
Khắc phục được nhược điểm trên của các hệ thống hữu tuyến, ngày nay, hệ
thống thông tin vô tuyến có thể cho phép người sử dụng liên lạc bằng điện thoại di
động hay truy nhập internet ngay cả khi họ đi lại trên đường phố, ngồi trong ô tô, có
mặt tại những địa điểm không có kết nối hữu tuyến. Chính vì ưu điểm vượt trội này
nên các hệ thống thông tin vô tuyến luôn nhận được sự quan tâm của các nhà
nghiên cứu và các công ty khai thác viễn thông, nhằm phát triển hệ thống thông tin
ngày một tối ưu hơn nhờ vào khả năng tăng tốc độ, bảo đảm chất lượng, sự đa dạng
dịch vụ, và do đó phục vụ người dùng được tốt hơn.
Gần đây, số lượng người sử dụng dịch vụ vô tuyến gia tăng rất nhanh, nhất là
các dịch vụ băng rộng, làm cho dải tần số sử dụng trong thông tin liên lạc vô tuyến
nhanh chóng cạn kiệt; đây là một tài nguyên quý giá cần được duy trì và sử dụng
một cách hợp lý. Vì vậy, các hệ thống cần phải được cải tiến để tận dụng phổ tần số
một cách hiệu quả hơn. Trong những nghiên cứu liên quan đến phát triển hệ thống

và tận dụng hiệu quả phổ tần số, những nghiên cứu về anten được xem là khó, phức
tạp và có số lượng công trình còn khiêm tốn. Tuy nhiên, những công trình này lại có
những kết quả khả quan và có thể mở ra các ứng dụng trong nhiều phần khác nhau
của lĩnh vực thông tin vô tuyến. Một trong những kết quả đang rất được quan tâm
chính là hệ thống anten thông minh.
Đối với bất kỳ hệ thống thông tin vô tuyến thông dụng nào, anten cũng là
một thành phần không thể thiếu. Anten được coi là một cổng vật lý làm nhiệm vụ
phát sóng vô tuyến với một tần số nhất định để truyền thông tin đi, hoặc thu sóng vô
tuyến được phát từ các anten khác để nhận tín hiệu. Có thể nói anten là thành phần
quan trọng nhất trong thiết bị thông tin vô tuyến, cho phép trực tiếp tận dụng và
điều khiển các dải tần số để làm nguồn tài nguyên quý giá góp phần thực hiện việc
liên lạc. Việc một anten hoạt động như thế nào có ảnh hưởng đến hiệu quả sử dụng
phổ tần số, ảnh hưởng đến việc thiết lập một mạng lưới và chất lượng dịch vụ.
Nhìn lại về các thế hệ anten, ta có những loại anten chính được sử dụng trong
thông tin liên lạc như sau:
1.1.1. Anten vô hướng
Anten vô hướng xuất hiện từ những ngày thông tin vô tuyến mới xuất hiện.
Với khả năng bức xạ cũng như thu tín hiệu theo mọi hướng, anten vô hướng phát
sóng truyền lan ra không gian xung quanh giống như những gợn sóng trên mặt nước
lan tỏa khi có một nguồn dao động điểm trên mặt nước.
Anten vô hướng phù hợp với những trường hợp không xác định được rõ vị
trí của đối tượng thu nhận tín hiệu. Khi đó, tín hiệu được phát lan tỏa ra khu vực
xung quanh và năng lượng tín hiệu đến được với đối tượng mong muốn chỉ là một
phần nhỏ trong toàn bộ nguồn năng lượng được phát ra từ phía phát. Để anten có
thể nhận được tín hiệu với mức năng lượng tốt hơn, có một giải pháp đơn giản là
tăng công suất của tín hiệu ở anten phát. Tuy nhiên, việc tăng công suất lên quá lớn
lại gây can nhiễu lên các tín hiệu của các anten khác ở khu vực xung quanh anten
phát. Đây chính là nhược điểm lớn nhất của anten vô hướng.
Hình 1.1. Hình dạng vùng phủ của anten vô hướng
1.1.2. Anten có hướng và hệ thống chia sector

Anten có hướng có khả năng tập trung công suất tối ưu hơn so với anten vô
hướng và được sử dụng rất nhiều tại các trạm BTS của các hệ thống thông tin di
động.
Anten có hướng khi lắp đặt có thể được định hướng phát hoặc thu cố định để
có thể hoạt động trong một thời gian dài. Một hệ thống sử dụng anten có hướng
được lắp đặt trong một khu vực sẽ chia khu vực đó thành các sector, mỗi sector
được coi như một cell nhỏ. Do mỗi sector sẽ do một anten đảm nhiệm việc thu phát
tín hiệu, công suất phát của anten được tập trung hơn nên vùng phủ mở rộng hơn so
với anten vô hướng. Ngoài ra, do mỗi sector có thể sử dụng một dải tần số nhỏ
trong dải tần mà cell sử dụng, việc tái sử dụng tần số được thực hiện một cách hoàn
hảo hơn, đồng thời giảm thiểu hiện tượng nhiễu đồng kênh. Trên thực tế, một anten
của một BTS có thể có 2, 3 hoặc 6 sector. Tuy nhiên, do các sector sử dụng các tần
số khác nhau, việc người dùng di chuyển từ sector này sang sector khác cần phải có
thủ tục chuyển giao để đảm bảo tín hiệu được liên tục.
Anten có hướng đã khắc phục được nhiều nhược điểm của anten vô hướng
và nâng cao được hiệu quả sử dụng kênh truyền, song vấn đề về nhiễu vẫn chưa thể
được giải quyết một cách có hiệu quả.
Hình 1.2. Hình dạng vùng phủ của anten có hướng
1.1.3. Anten nhiều phần tử và hệ thống phân tập
Anten nhiều phần tử là nền tảng của hệ thống anten thông minh. Mỗi phần tử
của anten có khả năng thu phát nhất định. Các phần tử của anten có thể nhận được
mức tín hiệu khác nhau nên có thể chọn phần tử có mức tín hiệu cao nhất tại một
thời điểm hoặc kết hợp các phần tử.
Ứng dụng đầu tiên của anten nhiều phần tử là để khắc phục hiện tượng
fading. Các phần tử của anten được sắp xếp theo các dạng khác nhau để tạo thành
hệ thống phân tập có khả năng làm giảm ảnh hưởng của hiện tượng fading.
Do sự cần thiết của việc truyền và nhận tín hiệu với nhiều người dùng trong
điều kiện nhu cầu của người dùng cũng như của các nhà cung cấp dịch vụ là giảm
sự ảnh hưởng của nhiễu đến mức tối thiểu dẫn đến một bước phát triển mới của hệ
thống anten, đó là tích hợp tính thông minh vào hoạt động của các phần tử anten.

Và theo một cách khách quan, anten thông minh ra đời dựa trên anten nhiều phân tử
như vậy.
1.2. Hệ thống Anten thông minh
1.2.1. Khái niệm về Anten thông minh
Trong các loại anten trên, anten nhiều phần tử là loại anten gần giống với
anten thông minh nhất, tuy nhiên, loại anten này vẫn chưa được gọi là anten thông
minh. Sự khác biệt của anten thông minh so với các anten thông thường là ở sự thay
đổi búp sóng một cách thích nghi với môi trường tín hiệu xung quanh. Dựa vào hoạt
động của một anten, có một số định nghĩa không hoàn toàn giống nhau về anten
thông minh. Các định nghĩa đó như sau:
a) Định nghĩa 1:
Một anten thông minh là một mảng chuyển đổi pha hoặc mảng thích nghi có
thể tự điều chỉnh theo sự thay đổi của môi trường. Điều đó có nghĩa là: Đối với
mảng thích nghi, dạng của búp sóng có thể thay đổi theo sự di chuyển của người
dùng và nguồn nhiễu. Đối với mảng chuyển đổi pha, búp sóng hiện tại sẽ được lái
đi hoặc sẽ được thay bởi búp sóng khác tùy theo sự di chuyển của người dùng.
o Mảng chuyển đổi pha hoặc anten nhiều búp sóng: là mảng anten bao gồm
nhiều búp sóng cố định khác nhau, trong đó có một búp sóng hướng về phía
người dùng, hoặc có một búp sóng đơn (do điều chỉnh pha tạo thành) được
lái theo hướng tín hiệu người dùng.
o Mảng anten thích nghi: là mảng chứa nhiều phần tử anten, trong đó các tín
hiệu thu được sẽ được nhân với các trọng số và được kết hợp lại để tăng tối
đa tỉ lệ SNR của tín hiệu người dùng mong muốn. Điều này có nghĩa là búp
sóng chính sẽ hướng về phía có tín hiệu người dùng mong muốn và tại
những hướng có nhiễu sẽ không có dạng búp sóng thuận lợi.
b) Định nghĩa 2:
Một hệ thống anten thông minh kết hợp nhiều phần tử anten với khả năng xử
lý tín hiệu để tối ưu hóa dạng búp sóng trong quá trình phát/ thu tín hiệu để đáp ứng
với sự thay đổi của môi trường tín hiệu. Thông thường, các hệ thống anten thông
minh được phân loại thành hệ thống chuyển đổi búp sóng hoặc hệ thống mảng anten

thích nghi.
o Hệ thống anten chuyển đổi búp sóng: Hệ thống này gồm có nhiều búp sóng
cố định có độ nhạy cao với các hướng nhất định. Các hệ thống anten này đo
được cường độ tín hiệu, chọn một búp sóng cố định và xác định trước để
chuyển sang phục vụ tín hiệu này khi có thay đổi. Thay vì thay đổi hình dạng
vùng phủ của anten bằng các đặc tính cơ học và vật lý như đối với anten chia
sector, các hệ thống chuyển đổi búp sóng kết hợp các đầu ra của nhiều anten
tạo thành một búp sóng có hướng với khả năng lựa chọn hướng tốt hơn
phương pháp tiếp cận bằng anten một phần tử truyền thống.
o Các hệ thống mảng anten thích nghi: là đại diện cho các anten thông minh
tiên tiến nhất trong giai đoạn hiện nay. Với khả năng áp dụng một số thuật
toán xử lý tín hiệu mới, hệ thống mảng thích nghi có lợi thế lớn trong việc
định vị và theo dõi các tín hiệu khác nhau để linh động hơn trong việc giảm
thiểu nhiễu và tối ưu hóa việc nhận tín hiệu.
c) Định nghĩa 3:
Các anten thông minh là các mảng chứa các phần tử anten có thể thay đổi
dạng búp sóng một cách linh động để tự điều chỉnh theo sự thay đổi của nhiễu và
tạp âm trên kênh truyền và giảm thiểu ảnh hưởng của hiệu ứng fading đa đường lên
tín hiệu người dùng cần quan tâm.
Sự khác biệt giữa anten thông minh (thích nghi) và anten không thông minh
(cố định) là anten đó có dạng búp sóng có khả năng thay đổi thích nghi theo sự thay
đổi của môi trường hay cố định. Điều quan trọng đối với tính năng thu và phát tín
hiệu theo một cách nhạy bén và thích hợp là khả năng xử lý tín hiệu số. Bản thân
một anten thì không thông minh; chính sự kết hợp các phần tử anten tạo thành mảng
và phần mềm xử lý tín hiệu khiến cho anten thông minh trở nên hiệu quả hơn.
Các hệ thống anten thông minh được phân loại dựa trên cách truyền tín hiệu
của chúng. Theo cách phân loại đó, ta có ba loại anten thông minh:
o Các anten chuyển đổi búp sóng: là các anten được lắp đặt tại các trạm gốc
trong một cell. Chúng có chức năng cơ bản là chuyển chế độ giữa anten định
hướng và mảng có búp sóng định trước. Chế độ nào cho hiệu suất tốt nhất

trong việc thu tín hiệu sẽ được chọn sử dụng. Đầu ra của các phần tử được
lấy mẫu định kỳ để chọn ra búp sóng nào thu tín hiệu tốt nhất. Do có tính
định hướng cao hơn so với anten truyền thống, hệ thống này cũng có độ lợi
cao hơn. Các anten này dễ được lắp đặt hơn so với các mảng thích nghi tại
các cell đã có sẵn nhưng không cải thiện được nhiều.
o Các mảng chuyển đổi pha: Đối với hệ thống chuyển đổi búp sóng ở trên, các
búp sóng được định trước và đặt cố định. Một người dùng có thể ở trong
vùng của một búp sóng trong một khoảng thời gian nhưng cũng có thể rời
khỏi vùng phủ của búp sóng đó. Khi đó, tín hiệu yếu đi và xảy ra quá trình
chuyển giao trong cell. Đối với mảng chuyển đổi pha, thuật toán xác định
hướng sóng tới (DoA – Direction of Arrival) sẽ dõi theo tín hiệu người dùng
để đảm bảo tín hiệu này luôn nằm trong vùng phục vụ của búp sóng. Vì vậy,
dù có xảy ra chuyển giao, tín hiệu này vẫn được thu với độ lợi tối ưu. Đây có
thể xem như trường hợp tổng quát của chuyển đổi búp sóng với tín hiệu thu
được lớn nhất.
o Các mảng anten thích nghi: Các mảng anten thích nghi có thể được xem là
thông minh nhất trong số các anten được đề cập ở đây. Một mảng anten thích
nghi là một bộ các phần tử anten có thể thay đổi dạng vùng phủ cho phù hợp
với sự thay đổi của môi trường. Mỗi phần tử anten trong mảng được gắn với
một trọng số được cập nhật một cách thích ứng nhất để độ lợi với hướng tín
hiệu cần thiết tăng tối đa, còn với hướng nhiễu giảm còn tối thiểu. Nói cách
khác, dạng tín hiệu phát và thu được điều chỉnh một cách linh động theo sự
thay đổi của nhiễu và tín hiệu trên kênh truyền, mục đích là làm tăng tỉ số
SNR của tín hiệu mong muốn. Quá trình này còn được gọi là “định dạng búp
sóng thích nghi” hoặc “định dạng búp sóng số”.
Trên đây là một số định nghĩa về anten thông minh. Từ các định nghĩa đó, có
thể rút ra một số điểm chung về các đặc điểm của anten thông minh:
• Anten thông minh là một mảng gồm nhiều phần tử anten
• Được tích hợp và sử dụng các kỹ thuật xử lý tín hiệu
• Có khả năng cảm nhận và thích ứng với sự thay đổi của môi trường tín hiệu

• Tự điều chỉnh được các búp sóng về cả mặt phát và thu sao cho các búp sóng
hướng về phía có tín hiệu người dùng và không hướng về phía có nhiễu.
Từ các đặc điểm trên, có thể nhận thấy rằng kỹ thuật xử lý tín hiệu đóng một
vai trò rất quan trọng trong hoạt động của anten thông minh. Nhờ kỹ thuật xử lý tín
hiệu mà anten có được các tính năng trên, các tính năng mà nhờ đó ta có thể gọi
những anten này là thông minh.
1.2.2. Các loại anten thông minh
Có hai tiêu chí để phân loại các anten thông minh: dựa vào hình dạng anten
và dựa vào hoạt động của anten.
a) Dựa vào hình dạng anten:
Anten thông minh được cấu tạo từ nhiều phần tử anten, mỗi phần tử này lại
là một anten có khả năng thu phát tín hiệu hoàn chỉnh. Các phần tử này được ghép
lại với nhau thành một anten mảng và có liên hệ với nhau qua khối thu phát tín hiệu
vô tuyến. Tùy vào hình dạng mảng mà anten có thể phù hợp với các dạng búp sóng
khác nhau.
Trong hình 1.3 là một số hình dạng mảng anten thông minh. Mỗi dạng mảng
anten có một số đặc tính riêng, do đó có thể ứng dụng cho một số trường hợp nhất
đinh.
• Hình 1.3 (a): mảng đường thẳng đều (ULA – Uniform Linear Array): Các
phần tử anten được xếp thẳng hàng với nhau, khoảng cách giữa các phần tử
bằng nhau. Mảng anten này có thể sử dụng để xác định búp sóng với các góc
phương vị nhất định. Loại mảng anten này có thể được sử dụng ở khu vực
rộng và thoáng, vì cấu trúc đơn giản nhưng vẫn đạt hiệu quả sử dụng.
• Hình 1.3 (b): mảng đường tròn: Các phần tử anten được xếp đều trên một
đường tròn. Dạng mảng này có thể sử dụng với các búp sóng ở mọi góc
phương vị, tuy nhiên không xác định được góc ngẩng. Đây có thể là một sự
bổ sung cho mảng đường thẳng khi không cần xác định góc ngẩng.
• Hình 1.3 (c) và (d): mảng dạng lưới 2 chiều (dạng mặt phẳng) và 3 chiều
(dạng khối): Hai dạng mảng anten này có thể xác định các búp sóng ở mọi
hướng. Do cấu trúc phức tạp, các dạng mảng này thường chỉ áp dụng trong

khu vực thật sự cần thiết như khu đô thị đông dân, trong các tòa nhà.
Hình 1.3. Một số hình dạng mảng anten của anten thông minh
b) Dựa vào hoạt động của anten:
Dựa vào hoạt động của anten, có thể chia anten thành hai dạng chính là:
Anten chuyển đổi búp sóng (Switched Beam Antenna) và Mảng Anten thích nghi
(Adaptive Antenna Array). Ngoài ra, có thể kể đến một dạng anten kết hợp của hai
dạng trên là Mảng Anten chuyển đổi pha (Phased Array).
• Anten chuyển đổi búp sóng: Loại Anten này có nhiều búp sóng cố định, mỗi
búp sóng tương ứng với một phần tử anten. Các búp sóng chia ra nhiều
hướng khác nhau trong không gian. Hệ thống sẽ xác định tín hiệu người
dùng nằm trong vùng của búp sóng nào và sẽ sử dụng búp sóng đó để phục
vụ người dùng. Khi tín hiệu người dùng di chuyển ra ngoài vùng phủ của
búp sóng đó, một búp sóng khác sẽ được sử dụng thay cho búp sóng cũ.
• Anten mảng thích nghi: Không có các búp sóng cố định như anten chuyển
đổi búp sóng, anten mảng sử dụng các thuật toán xác định hướng sóng tới để
xác định vị trí của tín hiệu người dùng mong muốn và phân bổ năng lượng
cũng như thay đổi hướng của búp sóng chính sao cho năng lượng tập trung
về phía người dùng và không tập trung về phía có nguồn nhiễu.
• Mảng chuyển đổi pha: Loại mảng anten này có các búp sóng tương tự như
mảng chuyển đổi búp sóng, tuy nhiên loại mảng này có khả năng dịch
chuyển các búp sóng trong một phạm vi nhất định để giữ cho mức tín hiệu
người dùng có chất lượng tốt nhất trong khi chuyển giao sang búp sóng khác.
Trong hình 1.4 và 1.5 là hình ảnh về dạng búp sóng của Switched Beam
Antenna và Adaptive Antenna Array với mảng đường thẳng và mảng đường tròn.
Hình 1.4. Anten chuyển đổi búp sóng và Mảng thích nghi có dạng đường thẳng
Hình 1.5. Anten chuyển đổi búp sóng và Mảng thích nghi dạng đường tròn
Trong các loại anten trên, Anten mảng thích nghi được đánh giá là tiên tiến
nhất, do có thể thay đổi hình dạng một cách tùy ý, thích nghi được với sự thay đổi
của môi trường, loại bỏ nhiễu tốt hơn so với hai dạng mảng anten còn lại.
1.2.3. Cấu trúc hệ thống Anten thông minh

Hệ thống Anten thông minh có thể ứng dụng vào máy phát hoặc máy thu.
Cấu trúc của bên phát hay bên thu cũng đều gồm có khối anten, khối vô tuyến, khối
định dạng búp sóng và khối xử lý tín hiệu.
a) Máy thu sử dụng anten thông minh:
Khối anten (Antenna Array) của máy thu gồm các phần tử anten được sắp
xếp theo các hình dạng như trong hình 1.3. Số lượng các phần tử anten phải đảm
bảo vừa đủ, không quá ít để có thể đáp ứng được nhu cầu cần thiết, cũng không quá
nhiều để tránh sự phức tạp của hệ thống.
Khối vô tuyến (Radio Unit) bao gồm M chuỗi biến đổi đầu vào tương ứng
với M phần tử anten và các bộ chuyển đổi analog/digital (ADC).
Khối xử lý tín hiệu (Signal Processing Unit) sẽ phân tích tín hiệu thu được để
tính toán các trọng số w
1
, w
2
,…,w
M
được nhân với tín hiệu thu được ở M phần tử
mảng. Các trọng số này sẽ quyết định dạng của búp sóng anten cần thiết ở đường
lên của tín hiệu và được đưa sang khối định dạng búp sóng để giúp xác định tín hiệu
tổng hợp nhận được.
Khối định dạng búp sóng (Beam Forming Network) sẽ kết hợp tín hiệu thu
được từ các nhánh anten và các trọng số tương ứng với từng nhánh vừa được khối
xử lý tín hiệu cung cấp để đưa ra được tín hiệu đầu ra giống với tín hiệu ban đầu ở
bên phát nhất.
Hình 1.6. Máy thu sử dụng anten thông minh
b) Máy phát sử dụng anten thông minh
Đối với máy phát, tín hiệu được khối định dạng búp sóng phân thành nhiều
nhánh để phát đi tại nhiều phần tử anten khác nhau. Ở khối này, tín hiệu của từng
nhánh được nhân với các trọng số lượng tử được gửi đến từ khối xử lý tín hiệu.

Khối xử lý tín hiệu của máy phát nhận được tín hiệu thông tin về hướng sóng
tới từ máy thu gửi sang. Các trọng số lượng tử được tính toán và gửi sang cho khối
định dạng búp sóng. Các trọng số này đóng vai trò quan trọng trong việc định dạng
các búp sóng của tín hiệu phát đi.
Khối vô tuyến sẽ thực hiện biến đổi digital/analog (số/tương tự) với M bộ
biến đổi DAC tương ứng với M nhánh tín hiệu và các chuỗi biến đổi đầu ra. Khối
này cũng làm nhiệm vụ cung cấp năng lượng cho tín hiệu để phát đi trong không
gian.
Cuối cùng, khối anten có M phần tử sẽ làm nhiệm vụ bức xạ các sóng mang
chứa tín hiệu theo các búp sóng đã định trước.
Hình 1.7. Máy phát sử dụng anten thông minh
1.3. Ứng dụng Anten thông minh trong việc ước lượng hướng sóng tới
1.3.1. Giới thiệu về ứng dụng của anten thông minh
Anten thông minh có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như
Radar, định vị dưới nước, địa chấn học, truyền thông không dây, truyền thông vô
tuyến, âm học… Trong các lĩnh vực này, anten được ứng dụng với hai chức năng
chính: Ước lượng hướng sóng tới của tín hiệu và định dạng búp sóng. Trên thực tế,
anten thông minh đã được nghiên cứu để ứng dụng trong hệ thống thông tin di động
MIMO và hệ thống định vị tàu biển trên vùng biển Việt Nam.
Việc ước lượng hướng sóng tới của tín hiệu đóng một vai trò quan trọng
trong việc nâng cao hiệu suất của toàn bộ hệ thống. Khi xác định được các hướng
sóng tới, có thể xác định được vị trí tương đối của người dùng, từ đó tập trung công
suất phát của anten vào búp sóng hướng về phía có đối tượng cần quan tâm. Hai quá
trình này được thực hiện bởi các khối xử lý tín hiệu và khối định dạng búp sóng
trong máy thu và máy phát trong hệ thống anten thông minh được giới thiệu ở trên.
1.3.2. Nguyên lý ước lượng hướng sóng tới
Với một hệ thống Anten có M phần tử, ta có thể thực hiện được việc ước
lượng hướng sóng tới theo mô hình mảng anten thẳng đều như sau:
Hình 1.8. Mô hình mảng anten thẳng tiếp nhận sóng tới
Trong mô hình này, ta có một mảng anten thẳng đều có M phần tử, khoảng

cách giữa các phần tử là D. Các tín hiệu được phát đi từ một nguồn ở rất xa khi tới
mảng có thể coi là các mặt sóng. Các mặt sóng này di chuyển với vận tốc c = 3.10
8
m/s. Giả sử có sóng có bước sóng λ và hướng tới như trong hình 1.8. Lấy phần tử
anten đầu tiên làm phần tử tham chiếu, có thể dễ dàng thấy rằng khi phần tử tham
chiếu nhận được tín hiệu, các phần tử còn lại trong mảng chưa nhận được tín hiệu.
Để đến được phần tử thứ n, mặt sóng phải di chuyển thêm một quãng:
( )
θ
sin 1 Dnd
n
−=
(1.1)
Với vận tốc của sóng điện từ là c, thời gian để mặt sóng đi hết quãng đường
đó là:
( )
c
Dn
c
d
t
n
n
θ
sin 1−
==
(1.2)
Trong điều kiện chỉ có một sóng tới mảng anten với góc tới là θ và quãng
đường d
n

không gây ảnh hưởng đến hàm truyền của sóng, ta có thể đo được khoảng
thời gian t
n
mà mặt sóng di chuyển được. Dựa vào công thức (1.2), ta có thể tính
được góc θ do đã biết trước các giá trị: t
n
, c, n, D dựa vào công thức sau:
( )
Dn
ct
n
.1
.
sin
−
=
θ
(1.3)
Trong trường hợp việc đo khoảng thời gian t
n
không được thuận lợi, các phần
tử của mảng vẫn có thể đo được chính xác độ lệch pha giữa các phần tử. Giả sử độ
lệch pha giữa phần tử tham chiếu và phần tử thứ n là Δφ
n
, giá trị của độ lệch pha này
được tính dựa vào quãng đường d
n
mà mặt sóng di chuyển được:
nn
d.

2
λ
π
ϕ
=∆
(1.4)
Từ công thức (1.1) và công thức (1.4), ta có thể tính góc tới θ dựa vào công
thức:
( )
Dn
n
.1.2
.
sin
−
∆
=
π
λϕ
θ
(1.5)
Cũng tương tự như trên, do các giá trị Δφ
n
, n, D, λ đều biết trước hoặc có thể
đo được, ta có thể dễ dàng tính được góc tới θ của sóng.
1.4. Kết luận chương 1
Chương 1 của đồ án đã giới thiệu về sự phát triển của hệ thống thông tin vô
tuyến, một số thế hệ anten và cơ sở cho sự ra đời của anten thông minh. Trong
chương 1 cũng nêu khái niệm, một số đặc điểm, cấu trúc và ứng dụng của hệ thống
anten thông minh.

Sau cùng, nội dung chương 1 đề cập đến nguyên lý ước lượng hướng sóng
tới cơ bản trên cơ sở mô hình mảng anten thẳng tiếp nhận sóng tới. Nguyên lý này
cũng có thể được áp dụng với một số mảng anten đồng đều khác như: Mảng tròn
đều, mảng mặt phẳng đều… Tuy nhiên, trên thực tế, số lượng tín hiệu nhiều và các
tín hiệu thường chịu ảnh hưởng của nhiễu, do đó không thể áp dụng nguyên lý ước
lượng hướng sóng tới cơ bản này một cách trực tiếp. Vì lý do này, việc ước lượng
hướng sóng tới trong thực tế cần áp dụng một số thuật toán. Trong chương 2 của đồ
án, một số thuật toán sẽ được giới thiệu một cách cụ thể.
CHƯƠNG 2
MỘT SỐ THUẬT TOÁN ƯỚC LƯỢNG
HƯỚNG SÓNG TỚI CỦA TÍN HIỆU
Hệ thống Anten thông minh có thể ước lượng được hướng sóng của tín hiệu
tới mà không cần sử dụng thuật toán đặc biệt nào trong điều kiện thật sự lý tưởng,
hoàn toàn không có ảnh hưởng của nhiễu, với số lượng tín hiệu không quá nhiều và
các tín hiệu không ảnh hưởng lẫn nhau. Tuy nhiên, trong thực tế, điều kiện truyền
lan của sóng vô tuyến không thể đạt được sự lý tưởng như vậy. Vì lý do đó, các
thuật toán ước lượng hướng sóng tới ra đời nhằm mục đích có thể xác định được
hướng sóng tới trong một môi trường chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố không có lợi
với tín hiệu mà vẫn đảm bảo độ chính xác nhất định. Trong suốt quá trình phát triển
của các hệ thống anten thông minh cũng như trong quá trình nghiên cứu các thuật
toán ước lượng hướng sóng tới, có rất nhiều thuật toán đã được giới thiệu và phát
triển. Trong khuôn khổ đồ án này chỉ đề cập đến những thuật toán cơ bản nhất áp
dụng cho tín hiệu băng hẹp không tương quan. Trong một số phương pháp được
giới thiệu sau đây, chương 2 sẽ tập trung vào thuật toán MUSIC và thuật toán
ESPRIT, hai thuật toán dựa trên việc phân tích các không gian con.
2.1. Các điều kiện áp dụng các thuật toán
Các thuật toán ước lượng hướng sóng tới muốn áp dụng được vào thực tế
cũng cần xét các điều kiện cụ thể. Các điều kiện đó là:
• Tín hiệu đến mảng là tín hiệu băng hẹp: Trên thực tế, việc xác định khoảng
thời gian trễ lan truyền của sóng t

m
giữa các phần tử của mảng gặp nhiều khó
khăn. Tuy nhiên, với tín hiệu là băng hẹp, băng thông của tín hiệu nhỏ hơn
rất nhiều so với nghịch đảo của trễ truyền lan giữa các phần tử trong mảng.
Do đó, biên độ tín hiệu gần như không đổi trong quá trình truyền lan qua
mảng và có thể biểu diễn trễ lan truyền bằng phép dịch pha tín hiệu.
• Các tín hiệu không tương quan với nhau: Các tín hiệu tương quan gây ảnh
hưởng đến kết quả của thuật toán. Nếu có hai tín hiệu tương quan với nhau,
hệ thống có thể nhầm là một tín hiệu. Chính vì vậy, các tín hiệu không được
tương quan với nhau.
• Nhiễu ảnh hưởng lên tín hiệu là nhiễu Gauss: Nhiễu Gauss là loại nhiễu tác
động trực tiếp lên tín hiệu và làm thay đổi tín hiệu. Nhiễu Gauss có thể được
tạo ra bởi nhiều nguồn trong tự nhiên nên là loại nhiễu tổng quát và ngẫu
nhiên nhất. Nhiễu Gauss có phân bố chuẩn, tập trung với mật độ cao tại giá
trị trung bình và trải đều ra hai bên của giá trị trung bình đó. Khi tính ma trận
hiệp phương sai với nhiễu Gauss, ta được kết quả là
I
2
σ
.
Hình 2.1. Phân bố của nhiễu Gauss xung quanh giá trị trung bình t
0
• Số phần tử của mảng lớn hơn so với số tín hiệu: Số lượng phần tử anten cấu
thành nên một mảng anten không thể quá nhiều do giới hạn về kích thước
mảng anten cũng như khả năng lắp đặt thực tế. Ta có thể xem bài toán tìm
góc tới của anten với một mảng có N phần tử gần tương đương với bài toán
giải hệ phương trình có N phương trình: Nếu hệ này có N ẩn, ta có thể giải
được bình thường, nhưng nếu hệ có nhiều hơn N ẩn, ta có thể sẽ không giải
được do có vô số nghiệm. Hai bài toán này không hoàn giống nhau nhưng từ
việc liên hệ so sánh ở trên, ta có thể có được cái nhìn đơn giản và dễ hiểu

hơn về vấn đề này: Mỗi hệ thống có năng lực nhất định và thường chỉ hoàn
thành tốt nhiệm vụ trong điều kiện năng lực cho phép.
Trên thực tế, số tín hiệu vô tuyến đến mảng anten thường lớn hơn rất
nhiều so với số phần tử của mảng. Mảng anten không thể ước lượng được