Contents -tuthienbao.com

ĐẶT VẤN ĐỀ
Do nhu cầu truyền thông di động không ngừng gia tăng, nhu cầu cần vùng phủ
sóng và chất lượng đường truyền tốt hơn, đặt ra bài toán làm sao để sử dụng hiểu
quả phổ vô tuyến. Hệ thống anten thông minh có khả năng sử dụng hiệu quả tần số
vô tuyến, do đó mang đến một giải pháp đầy hứa hẹn cho hệ thống không dây hiện
nay, đó là đạt được tốc độ đường truyền dữ liệu cao với độ đáng tin cậy cao hơn.
Trong thực tế, hệ thống ăng ten thông minh bao gồm một số lĩnh vực quan trọng
như mảng thiết kế ăng ten cá nhân, xử lý tín hiệu thuật toán, xử lý không gian thời gian, mô hình kênh không dây và mã hóa, hiệu suất mạng...
Hôm nay, nhóm em xin trình bày sơ lược về ăng-ten thông minh, qua đó làm rõ
được khái niệm, phân loại, cấu trúc, ứng dụng, ưu nhược điểm của anten thông
minh, cũng như những kỹ thuật được sử dụng trong anten thông minh và ý nghĩa
của nó trong thông tin di động.
GIỚI THIỆU
Khái niệm anten thông minh: Anten thông minh là một hệ thống gồm hai
hay nhiều anten (phần tử của dãy) được bố trí phù hợp về mặt hình học và kết nối
liên thông về điện để tạo ra một giản đồ phát xạ định hướng mong muốn. Ănten
thông minh có khả năng thay đổi đồ thị bức xạ thu hay phát (hay nói cách khác là
các búp sóng) một cách linh hoạt sao cho thích hợp với môi trường tín hiệu trong
cell di động.
Nhiều người đề cập đến hệ thống ăng ten thông minh như một “ăng-ten
thông minh”, nhưng trong thực tế ăng-ten tự nó không thông minh. Mà đó là một
hệ thống thông minh gồm ăng ten kết hợp với khả năng xử lý tín hiệu kỹ thuật số.
Mặc dù anten thông minh có vẻ như một công nghệ mới, nhưng các nguyên lý nền


tảng đã được đề cập vào những năm đầu thập niên 70 của thế kỷ 20, qua hai bài
báo về “ứng dụng anten và truyền phát” của IEEE. Và các kỹ thuật tương tự đã
được sử dụng trong thế chiến II, trong chiến tranh điện tử như biện pháp đối phó
gây nhiễu điện tử. Tuy nhiên, vì sự phát triển mạnh mẽ của các bộ vi xử lý tín hiệu

số giá rẻ, cũng như các phần mềm dựa trên các kỹ thuật xử lý tín hiệu tiên tiến
(thuật toán), các hệ thống ăng ten thông minh đang dần được thương mại hóa.
Tại sao cần anten thông minh?
Không giống như các hệ thống thông tin liên lạc hữu tuyến, hệ thống thông
tin liên lạc không dây, đặt ra một số thách thức đặc biệt, đó là:

Mật độ phân bố phổ hạn chế trong một giới hạn về công suất.

Môi trường truyền sóng vô tuyến và di chuyển của người sử dụng
làm phát sinh pha đinh tín hiệu, phân bố theo thời gian, không gian và tần
số.


Tuổi thọ pin hạn chế ở các thiết bị di động đặt ra hạn chế về công

suất.
Ngoài ra, hệ thống truyền thông không dây di động phải đối mặt với sự can
thiệp do
tái sử dụng tần số. Nỗ lực nghiên cứu điều tra các công nghệ hiệu quả để
giảm thiểu tác động như vậy đã được diễn ra trong hai mươi lăm năm qua. Tuy
nhiên, cách thức mà năng lượng tần số vô tuyến được phân bố vào và thu thập từ
không gian có ảnh hưởng sâu sắc đối với việc sử dụng hiệu quả phổ tần, chi phí
của việc thiết lập mới mạng lưới thông tin liên lạc cá nhân và chất lượng dịch vụ
được cung cấp bởi các mạng .
Việc áp dụng thương mại hóa kỹ thuật ăng ten thông minh là một lời hứa
tuyệt vời để giải quyết các vấn đề suy hao trong môi trường truyền thông không
dây.


Hình 1.1: Suy hao trong hệ thống không dây.


Sự khác nhau giữa anten thông minh so với anten thường

Hình 8: Vùng bức xạ của anten thường và anten thích nghi
Theo hình trên ta có thể nhận thấy sự khác biệt giữa vùng bức xạ của hệ
thống anten thường và của anten thích nghi. Anten thông minh có những búp sóng
(beam) hẹp hơn và có tính định hướng cao hơn so với anten thường.


KHÁI QUÁT NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG
Hệ thống ăng ten thông minh được phát triển dựa trên một ý tưởng hoạt động của
cơ quan thính giác con người. Một người có khả năng xác định hướng truyền đến
của một âm thanh bằng một quá trình 3 giai đoạn sau:
-Tai của một người hoạt động như một bộ cảm biến âm thanh và thu tín
hiệu.
-Bởi vì khoảng cách giữa hai tai, nên mỗi tai nhận một tín hiệu với thời
gian trễ khác nhau.
-Não người, là bộ xử lý đặc biệt, thực hiện hàng trăm phép tính để phân tích
thông tin và tính toán vị trí của âm thanh thu được.
Để cung cấp một cái nhìn cụ thể hơn về hoạt động của một hệ thống ăng ten thông
minh, hãy tưởng tượng 2 người tiến hành một cuộc trò truyện trong một phòng
biệt lập như được minh họa trên hình vẽ. Người nghe có khả năng xác định vị trí
của người nói khi anh ta di chuyển trong phòng bởi vì âm thanh của người nói đến
mỗi tai (hay bộ cảm biến âm thanh) tại các khoảng thời gian khác nhau. Não người
(hay bộ xử lý tín hiệu) tính toán phương hướng của người nói từ các khoảng thời
gian hay độ trễ đã nhận được bởi 2 tai, sau đó, bộ não thêm chiều dài của tín hiệu
từ mỗi tai để tập trung vào âm thanh của phương hướng được tính toán.
Dùng một quá trình tương tự, não người có khả năng phân biệt giữa nhiều tín hiệu
có hướng đến khác nhau. Do đó, nếu một người mới tham gia vào cuộc nói
chuyện, bộ nảo có thể tăng cường tín hiệu thu từ người nói đáng quan tâm và bỏ

ngoài âm thanh nhiễu không mong muốn. Vì thế, người nghe có khả năng phân
biệt giọng nói của một người giữa nhiều người đang nói đồng thời, và tập trung
vào một cuộc hội thoại tại một thời gian. Bằng cách này, âm thanh nhiễu không
mong muốn được giảm bớt. Ngược lại, người nghe có thể đáp trả lại cùng hướng
như hướng của người nói bằng việc định hướng miệng (hay bộ phát) của người đó
hướng về phía người nói.
Hệ thống Ăng ten điện thông minh làm việc tương tự bằng cách sử dụng 2 ăng ten
thay cho 2 tai, một bộ xử lý tín hiệu số thay cho “bộ não” như hình 3. Do đó, dựa
trên thời gian trễ của tín hiệu ảnh hưởng trên các yếu tố ăng ten, bộ xử lý tín hiệu


số tính toán hướng đến (Direction of arrival: DOA) của tín hiệu quan tâm (Signal
of interest: SOI), và điều chỉnh sự kích thích (pha và độ lợi của tín hiệu) để sản
sinh ra kiểu bức xạ chỉ tập chung vào SOI trong khi loại bỏ các tín hiệu nhiễu hoặc
tín hiệu không quan tâm (SNOI: Signals not of interest).
Truyền đạt ý tưởng tương tự cho hệ thống truyền thông di động, trạm cơ sở hoạt
động đóng vai trò người nghe, và máy di động đóng vai trò của một vài âm thanh
được nghe bởi tai người. Nguyên lý cho một hệ thống ăng ten thông minh được
minh họa như hình 4.
Bộ xử lý tín hiệu số đặt tại trạm cơ sở làm việc kết hợp với một dàn ăng ten và
chịu trách nhiệm điều khiển các thông số hệ thống khác nhau để loại bỏ một vài
tín hiệu nhiễu hoặc SNOI trong khi gia tăng SOI. Vì vậy hệ thống tạo mẫu bức xạ
một cách thích ứng, đáp ứng tự động đối với môi trường tín hiệu và thay đổi của
nó.
•

Kỹ thuật định dạng búp sóng Beamforming.


Ý tưởng chính của định dạng búp sóng thích nghi.

- Bộ xử lý tín hiệu số của anten thông minh xử lý tín hiệu theo 2 tiêu chuẩn…..
PHÂN LOẠI ANTEN THÔNG MINH
Về cơ bản, anten thông minh gồm 2 loại chính là anten chuyển mạch búp sóng
(Switched beam Antena) và anten mảng thích nghi (Adaptive array atennas)
a. Anten chuyển mạch búp sóng (Switched beam antennas: SBA)
sử dụng mạng anten trong đó các anten thành phần thu phát một cách độc lập,
biểu đồ hướng anten sẽ thay đổi chuyển từ anten thành phần này sang anten
thành phần khác để bám theo đối tượng khi thuê bao di chuyển. Tuy nhiên
dung lượng hệ thống bị giới hạn vì phụ thuộc vào số lượng anten thành phần


trong mạng anten, biểu đồ hướng sóng anten được xác định trước hoặc dưới
dạng kết hợp (các sector). Hệ thống này tương đối đơn giản, dễ lắp đặt trong
các hệ thống thông tin di động hiện nay. Tuy nhiên hệ thống này vẫn còn một
số nhược điểm cần khắc phục như: dung lượng hệ thống phụ thuộc vào số
lượng anten thành phần trong mạng anten, không tận dụng được tính chất đa
đường để tăng cường tín hiệu….

Hình 4: hệ thống chuyển mạch búp sóng
• Cấu tạo: Anten SBA có cấu tạo khá đơn giản. Hệ thống SB có cấu trúc giống với
các anten thông thường, ngoài ra nó còn được trang bị thêm những bộ phận mới để
phát triển mở rộng hệ thống tế bào, người ta có thể bổ sung bằng cách cộng thêm
những địa chỉ thông minh cần thiết trong mạng sau khi đã tính toán kỹ càng.


Hình 1 mô tả một hệ thống SB đơn giản gồm một bộ tạo tia , một chuyển mạch
RF( Radio Frequency: Tần số vô tuyến ) và logic điều khiển để lựa chọn tia đặc
biệt.
•


Công dụng : Hệ thống SBA có thể nâng cao vùng phủ của trạm gốc hơn từ

20% đến 200% so với hệ thống phân vùng tế bào cổ điển phụ thuộc vào hoàn cảnh
môi trường phần cứng và phần mềm được dùng . Vùng phủ sóng được cộng thêm
có thể tiết kiệm nguồn nhân lực , giá cơ sở hạ tầng thực tế và giá trung bình cho
người tiêu dùng sẽ thấp hơn .
b. Anten giàn thích ứng(AAA : Adaptive Array Antenna)

Biểu đồ hướng sóng không xác định, mang tính chất động và các biểu đồ
hướng sóng anten đó có thể điều chỉnh theo thời gian thực. Hệ thống này tất
nhiên là phức tạp hơn hệ thống anten trên tuy nhiên lại có ưu điểm hơn vì nhờ
tính chất động của hệ thống anten nên dung lượng của hệ thống có thể thay đổi
một cách linh hoạt, khắc phục những nhược điểm cơ bản của hệ thống trên như
lợi dụng tính chất đa đường để tăng cường tín hiệu….


Hình 5: Hệ thống mạng anten tương thích
Một giàn thích ứng (AAA) là một hệ thống bao gồm một giàn các chấn tử anten
và một bộ xử lý thích ứng thời gian thực cho phép điều khiển búp sóng tự động
thông qua các tiêu chuẩn lựa chọn thuật toán . Một giàn anten thích ứng có cấu
trúc cơ bản được đưa ra trong hình 2


c. So sánh anten chuyển mạch búp sóng và anten mảng thích nghi.

CẤU TRÚC HỆ THỐNG ANTEN THÔNG MINH
Hệ thống anten thích nghi thực chất là một hệ thống gồm nhiều anten cấu thành
mạng,các anten thành phần đó hoàn toàn giống nhau. Cấu trúc mạng anten rất đa
dạng tuỳ theo từng mục đích như: kiểu tuyến tính các đều, dãy tròn đồng đều, dãy
không gian phẳng đồng đều.


Hình 3: Các loại cấu trúc của anten thông minh
Các chấn tử của giàn anten thích ứng có thể được sắp xếp theo các cấu trúc hình
học khác nhau , các cầu trúc phổ biến nhất là sắp xếp theo dạng giàn đường thẳng ,
tròn , hoặc giàn phẳng ( dạng hình chữ nhật ) như trong hình 2.1 .


Giàn đường thẳng là giàn anten bao gồm các chấn tử được xếp dọc theo một
đường thẳng ,nếu khoảng cách các chấn tử bằng nhau thì gọi là giàn cách đều
tuyến tính (LUSA: Linear Uniform Space Array: Giàn chấn tử cách đều tuyến
tính) . Tương tự như thế , giàn hình tròn là giàn anten bao gồm các chấn tử được
xếp nằm trong một hình tròn đồng nhất . Và cuối cùng , giàn phẳng là giàn bao
gồm một dãy các phần tử anten bề mặt độ lợi thấp , đồng phân cức được phân bố
đồng nhất theo không gian và cùng hướng theo một hướng các chấn tử được giàn
đều trên một mặt phẳng . Trong khi giàn đường thẳng và giàn tròn chỉ cho búp
sóng đơn hướng ( hướng ngang ) , thì giàn phẳng cho búp sóng song hướng ( cả
hướng ngang và dọc ). Tuy có cấu trúc hình học khác nhau , nhưng nguyên lý của
giàn anten thích ứng là hoàn toàn giống nhau . Bằng các phương pháp toàn học
người ta có thể đưa ra được thêm các cấu trúc hình học mới .
Cho dù hình dạng và kiến trúc khác nhau nhưng tất cả đều phải đảm bảo các điều
kiện sau:
• Các anten thành phần phải như nhau về mọi mặt: tính chất vật lí, kích thước,
khoảng cách giữa các phần tử…và biểu đồ hướng sóng của mỗi anten.
• Không có sự tác động qua lại giữa các anten thành phần.
• Không có sự biến đổi biên độ giữa các anten.
• Tín hiệu thu được phải độc lập, có thể rời rạc hoá trên mặt phẳng sóng.


CÁC KỸ THUẬT SỬ DỤNG TRONG ANTEN THÔNG MINH
Đặc trưng

Lợi ích
Tăng ích tín hiệu: Các tín hiệu vào Vùng phủ sóng rộng hơn: Tập
từ các phần tử anten được kết hợp
với nhau để tối ưu hoá công suất
sẵn có nhằm tạo được một mức độ

trung năng lượng được phát đi trong tế
bào làm tăng bán kính phủ sóng của
trạm gốc. Yêu cầu công suất thấp hơn
giúp cho tuổi thọ của nguồn pin dài

phủ sóng nhất định.

hơn, cũng như kích cỡ thiết bị nhỏ gọn
hơn.

Loại bỏ nhiễu: Mẫu anten có
thể

phát

về

phía

nguồn nhiễu

cùng kênh, nhờ đó cải thiện được tỉ
số tín hiệu trên nhiễu của các tín
hiệu thu được


Dung lượng tăng: Điều khiển
chính xác mức không của tín hiệu,
giảm nhiễu, kết hợp với giảm khoảng
cách tái sử dụng tần số sẽ làm tăng
dung lượng. Nhiều công nghệ thích
nghi hỗ trợ khả năng tái sử dụng tần
số trong cùng một tế bào.

Phân tập không gian: Thông
tin tổng hợp từ dàn được sử dụng để
tối thiểu hoá fađinh và các hiệu ứng
không mong muốn khác của truyền
sóng đa đường

Loại bỏ hiệu ứng đa đường: có
thể giảm trải trễ của kênh một cách
hiệu quả, hỗ trợ tốc độ bit cao hơn mà
không cần các bộ cân bằng.

Tiết kiệm công suất: Kết hợp các tín Giảm chi phí: Chi phí cho bộ
hiệu vào từ các phần tử để tối ưu
khuếch đại công suất thấp hơn, công
hóa tăng ích xử lý
suất tiêu thu thấp hơn và độ tin cậy cao
hơn.
Mở rộng vùng phủ sóng
Ở các vùng mật độ thuê bao thấp, tối ưu phủ sóng là hướng tới mục tiêu là tăng độ rộng
vùng phủ và tăng khoảng cách phủ sóng. Khi sử dụng anten thông minh ở các khu vực
này cho phép tăng bán kính phủ sóng của trạm nhiều lần so với anten đẳng hướng hay

anten sector như mô tả trong Hình 1.


Hình 1. Mở rộng vùng phủ sóng sử dụng anten thông minh
Giảm nhiễu đường truyền
Ở nơi có mật độ thuê bao cao, mục tiêu tối ưu phủ sóng là tăng dung lượng. Hai kỹ thuật
chính được sử dụng để tăng dung lượng là giảm nhiễu xuyên kênh trên đường xuống và
khử nhiễu ở đường lên. Trong hệ thống sử dụng anten thông minh, các búp sóng của
anten hướng chính xác thuê bao, do vậy công suất phát chỉ phát đúng đến hướng cần thiết
và tránh phát tín hiệu về phía nguồn can nhiễu. Nhiễu xuyên kênh kiểu đồng kênh chỉ xảy
ra nếu các thuê bao này cùng nằm trong một búp sóng khá hẹp (5o đến 10o). Do đó, nhiễu
đồng kênh sẽ giảm được rất nhiều so với trường hợp dùng anten đẳng hướng (360 0) hay
anten sector (600, 900, 1200) ở kênh đường xuống.
Nhiễu xuyên kênh đường lên có thể loại trừ bằng cách hướng búp sóng về đúng hướng
thuê bao và bằng không tại các hướng có các thuê bao đồng kênh.
Như vậy, giảm nhiễu đồng kênh được thực hiện bằng cách lái búp sóng hoặc chuyển
mạch búp sóng. Nhờ việc sử dụng các búp sóng định hướng, nhiễu giữa các trạm phủ
sóng dùng cùng tập kênh tần số cũng giảm đáng kể so với trường hợp anten đẳng hướng
như mô tả trong Hình 2. Trong trường hợp lý tưởng, số lượng trạm phủ sóng cần có thể
giảm xuống, tăng hiệu quả sử dụng băng tần và dung lượng.

Hình 2. Giảm nhiễu đường xuống và loại trừ nhiễu đường lên dùng anten thông minh
Đa truy nhập phân chia theo không gian
Hệ thống anten thông minh cũng cho phép một trạm phủ sóng có thể liên lạc với 2 hay
nhiều thuê bao sử dụng cùng một tần số khi sử dụng công nghệ đa truy nhập phân chia
theo không gian (SDMA – Space Division Multiple Access), do đó cho phép hệ thống sử
dụng các tài nguyên mạng hiệu quả hơn.

ƯU ĐIỂM VÀ HẠN CHẾ CỦA ANTEN THÔNG MINH
- Ưu điểm:

•
Cải thiện chất lượng tín hiệu của các hệ thống truyền thông vô tuyến bằng
cách triệt can nhiễu, loại bỏ hiệu ứng đa đường và thu/ 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, và do
đó có thể giảm kích thước và khối lượng của các thiết bị đầu cuối. Hơn nữa, việc
phát công suất thấp sẽ làm giảm ảnh hưởng đến các kênh kế cận.
•
Anten thông minh thích hợp với hầu hết các hệ thống truyền thông vô tuyến
-

hiện nay.
Nhược điểm:

ỨNG DỤNG ANTEN TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG
- Ứng dụng trong các khối thu phát vô tuyến thế hệ mới 3G, WiMAX, LTE,
WLAN