Ứng dụng thuật toán music trong định huớng sểng đến đối với hệ Anten mảng trền

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (24.18 MB, 72 trang )

<span class="text_page_counter">Trang 1</span><div class="page_container" data-page="1">

DAI HOC QUOC GIA HA NOI TRUONG DAI HOC CéNG NGHE

TA THI MAI

UNG DUNG THUAT TOAN MUSIC TRONG

DINH HUONG SéNG DEN DOI VOI HE ANTEN MANG TREN

LUAN VAN THAC SI

HA NOI - 2011

</div><span class="text_page_counter">Trang 2</span><div class="page_container" data-page="2">

Anten thông minh là một công nghệ mới cải thiện đáng kể dung lượng, chất lượng của hệ thông không dây trong môi trường truyền thơng có tỉ số tín hiệu trên tạp âm thấp. Hệ thống anten thông minh phân bố tròn (UCA) kết hợp

với thuật toán MUSIC xác định hướng sóng đến (DOA) một cách chính xác dù các góc tới rất gần nhau hay các góc tới xác định trong khoảng từ 0° đến 3607

thì phô của chúng cũng không bị chồng lấn (điều này khơng có được từ hệ thơng ULA).

Đề tài này tìm hiểu về lý thuyết các hệ thống anten thông minh, các phép toán xử lý đối với anten thông minh, và ứng dụng của thuật toán MUSIC để xác định hướng sóng đến (DOA ) đối với hệ anten phân bố trịn (UCA) mơ phỏng hệ

thơng ULA và UCA bằng phần mềm matlab từ đó rút ra ưu điểm của hệ thông

UCA với tiêu đề là:: “Ứng dụng thuât toán MUSIC định hướng sóng đến đối với hệ anten mảng tròn “,

Với mục đích như trên, nội dung luận văn được chia thành 3 chương:

Chương 1: Tổng quan anten thông minh

— Giới thiệu tông quan hệ thông anten thông minh, mơ hình tốn học của hệ anten thông minh.

- Giơi thiệu một số hệ thống anten thông minh.

Chương 2: Các kĩ thuật xử lý đối với hệ anten théng minh. Trình bày hai kỹ thuật xử lý là:

- Kỹ thuật phân tập — Kỹ thuật tạo búp sóng

Chương 3: Ứng dụng thuât toán MUSIC định hướng sóng đến đối với hệ

anten mang tron

— Giới thiệu thuật toán MUSIC

- Mô phỏng ứng dụng của thuật toán MUSIC đối với hệ thông ULA và

UCA.

</div><span class="text_page_counter">Trang 3</span><div class="page_container" data-page="3">

CHƯƠNG 1. TONG QUAN ANTEN THONG MINH 1.1. Mỡ đầu.

Anten thông minh là một hệ thống gồm nhiều phân tử anten kết hợp với

các thuật toán xử lý tín hiệu đề tối ưu hóa phát xạ và/hoặc thu nhận tự động đáp

ứng với mơi trường tín hiệu. Anten đóng vai trị là bộ phát tới môi trường bên ngoài và ngược lại đến bộ thu từ môi trường bên ngồi. Tín hiệu đến các phần tử anten được tính toán và xử lý giúp anten xác định được hướng của nguôn tin

hiệu đến. Cơng việc tính tốn này đòi hỏi thời gian thực để anten thơng minh có

thể bám theo ngn tín hiệu khi nó dịch chuyên. 1.2. Sơ đồ khối hệ thống anten thông minh [8].

<small>Module Coriverter i </small>

<small>Beamformer </small>

Hỡnh 1-1. Sœ đồ khối tổng quỏt của một anten thụng minh.

Hinh 1-1. Ta thay tín hiệu đến các phần tử anten, được biến đơi từ tín hiệu tương tự sang tín hiệu số, sau đó được nhân với một bộ trọng số rồi tong lại để

được các tín hiệu lối ra. Chính các bộ trọng số này giúp cho anten có thể tập trung bức xạ theo hướng mong muốn. Bằng cách sử dụng các thuật tốn thích nghỉ trong quá trình beamforming (búp sóng thích nghỉ), bộ trọng số này luôn

được cập nhật để anten thông minh có thể bám theo người dùng khi họ di

chuyến.

Biên độ của trọng số quyết định búp sóng chính và búp sóng phụ (side lobe level).

</div><span class="text_page_counter">Trang 4</span><div class="page_container" data-page="4">

Pha của bộ trọng số quyết định hướng của búp sóng chính.

Anten thơng minh là một trong những xu hướng được quan tâm nhiều trong những năm gần đây. Với những ứng dụng trong các hệ thông tin vô tuyến,

nó có thê cải thiện chất lượng tín hiệu, tăng dung lượng, mở rộng phạm vi hoạt động của hệ thông. Với những ứng dụng trong các hệ thông Rađa, định vị, điện

thoại 3G, GSM... anten thông minh cho phép nâng cao khả năng phát hiện mục

tiêu, nâng cao độ chính xác xác định tọa độ và tạo thêm những khả năng mới mà

các hệ thơng bình thường khơng có được.

1.3. So sánh anten thông minh và anten thường [8].

Một anten thông minh bao gồm nhiều phần tử anten. Tín hiệu đến các phân tử này được tính toán và xử lý giúp anten xác định được hướng nguồn tín

hiệu, tập trung bức xạ theo hướng mong muốn và tự điều chỉnh theo sự thay đôi

của môi trường tín hiệu. Cơng việc tính tốn này địi hỏi thực hiện theo thời gian thực để anten thông minh có thể bám theo nguồn tín hiệu khi nó chun động. Với tính chất như vậy anten thơng minh có khả năng giảm thiểu ảnh hưởng đa

đường và can nhiễu.

Hõnh 1-2.Vựng bức xạ của anten thường v anten thụng minh

Từ hình 1-2 ta có thể thay sự khác biệt giữa vùng bức xạ của hệ

thống anten thường và anten thông minh. Anten thơng minh có những búp sóng

hẹp hơn và có tính định hướng cao hơn so với anten thường.

ƯUu điểm của anten thông minh so với anten thường:

</div><span class="text_page_counter">Trang 5</span><div class="page_container" data-page="5">

> Cải thiện chất lượng tín hiệu hệ thống truyền thông vô tuyến bằng cách triệt can nhiễu, loại bỏ hiệu ứng đa đường và thu/ phát đứng

hướng mong muốn.

> Cải thiện dung lượng hệ thống đo khă năng sử dụng lại tần số trong cùng một cell.

> Công suất phát thấp cho phép thời gian sử dụng năng lượng lâu hơn

do đó có thể giảm kích thước và khối lượng của các thiết bị đầu

cuỗi và làm giảm ảnh hưởng đến các kênh lân cận.

> Anten thông minh thích hợp với hầu hết các hệ thống truyền thông vô tuyên hiện nay.

* Mô hình tốn của hệ thơng anten tuyến tính thơng minh.

Hõnh 1-3.Mụ hỡnh đóy anten tuyến tớnh cỏch đều nhau

œ: Góc phương vị

0: Góc ngâng của mặt phăng sóng tới trên dãy anten.

Đê đơn giản hóa việc phân tich day anten, ta giả thiệt:

> Khoảng cách giữa các phần tử anten là đủ nhỏ để khơng có sự thay

đôi nào về biên độ giữa các tín hiệu được nhận tại từng phần tử của

<small>anten. </small>

> Khơng có sự kết nỗi tương hỗ giữa các anten.

> Tất cả những trường sóng tới đều có thể chia thành một lượng các mặt phẳng sóng rời rạc. Như vậy số tín hiệu đến anten là hữu hạn.

</div><span class="text_page_counter">Trang 7</span><div class="page_container" data-page="7">

{z9

Í Máy thu |

Hõnh 1-4. Mụ hỡnh toỏn cỦa anten thụng minh

Đối với một mặt phẳng tới dãy anten từ hướng (9,0), hình 1-4, tín hiệu đến phân tử thứ m phải đi thêm một đoạn:

</div><span class="text_page_counter">Trang 8</span><div class="page_container" data-page="8">

<small>u, (t) — s(t).e 2 — sứ).e 72 mAxees0sm 6 (1.2) </small>

Tín hiệu lơi ra của dãy sau khi nhân với bộ trọng sô [Wo, W\, ....WM.-1] với

M là số phần tử anten trong dãy là:

Z(t) = 3)w„„(0) = s3), e 999959199 = s(t)

f (8,0) (1,3)

Với (6.9) được gọi là hệ số sắp xếp, nó xác định tỉ số giữa tín

hiệu nhận được tại lối ra dãy anten và tín hiệu s(t) đo được tại phần tử tham

khảo. Hệ số sắp xếp là hàm theo hướng sóng đến (DOA). Bằng cách điều chỉnh bộ trọng số, [Wo, Wi, ....WM.¡], ta có thể hướng cho búp sóng chính của hệ số sắp xếp theo hướng mong muốn (6,,ø,).

Ta định nghĩa vector trọng số:

W =[wo Wi...WM+T' (14)

Tín hiệu từ mỗi phần tử anten được nhóm thành một vector đữ liệu :

u= [us() u¡@).... uw+(Ð]! (1.5)

Tín hiệu lối ra z(£) là (1.4) nhân (1.5):

Z(t) =w". u(t) (1.6)

Véiw' la phép bién d6i Hermitian (chuyén vi réi lẫy liên hợp phức).

Hệ số sắp xếp theo hướng (6,,ø,) được viết lại như sau:

1.4. Phan loai Anten thong minh [1]

Tủùy theo mục tiêu, phương thức xử lý tín hiệu và mức độ phức tạp của thuật tốn xử lý tín hiệu của antan thông minh ta có thể chia anten thông minh thành 3

loại chính:

-Anten định dạng búp song băng hẹp

</div><span class="text_page_counter">Trang 9</span><div class="page_container" data-page="9">

- Anten thích nghi băng rộng

Anten định dạng búp sóng băng hẹp thuộc nhóm các hệ anten có xử lý tín hiệu với thuật tốn khơng phức tạp, chủ yếu là dùng các bộ quay pha ở tần số sóng mang (xử lý tín hiệu ở tần số radiô) để tạo sự lệch pha cần thiết giữa các phần tử anten nhằm tạo ra giản đồ hướng hoặc là có búp sóng hẹp hoặc là búp sóng có hình dạng đặc biệt hoặc các búp sóng có thể thay đôi được trong không gian mà không cần xoay giàn anten về mặt cơ học.

Anten thích nghi thuộc nhóm anten có xử lý tín hiệu vẫn ở dạng băng hẹp nhưng sử dụng các phương thức và thuật toán phức tạp hơn nhằm đạt được tốc

độ cao, linh hoạt, đáp ứng mục tiêu đề ra. Mục tiêu của anten thích nghi thường

thực hiện việc điều khiển tự động giản đồ hướng sao cho các hướng không

hướng về các nguồn nhiễu để triệt tiêu hoặc giảm thiểu nhiễu. Anten gồm một

giàn các phần tử, liên kết với một bộ xử lý thích nghỉ thời gian thực. Bộ xử lý

thích nghi sẽ tự động điều chỉnh các trọng số đề đạt dược một bộ trọng số tối ưu theo một tiêu chuẩn nào đó, phù hợp với thuật toán đã lựa chọn.

Anten thích nghi băng rộng là hệ anten có xử lý tín hiệu theo phương thức xử lý thích nghi với băng tần rộng và thuật toán phức tạp, là bước phát triển cao của hệ anten có xử lý tín hiệu nói chung. Bộ xử lý tín hiệu trong anten thường là bộ xử lý không gian -thời gian, khơng chỉ xử lý tín hiệu rời rạc, lấy mẫu trong miền không gian mà cả tín hiệu rời rạc, lẫy mẫu trong miền thời gian. Đây là bước phát triên cao của hệ anten có xử lý tín hiệu.

1.5. Anten định dạng búp sóng băng hẹp [1| 1.5.1, Định dạng búp sóng.

SN

Moy thu

H6nh 1-5. Hé enten trong mat phang xy

</div><span class="text_page_counter">Trang 10</span><div class="page_container" data-page="10">

Trong các ứng dụng thực tế, việc định dạng búp sóng thường là việc tạo ra giản

đồ hướng của hệ anten có búp sóng với độ rộng trong giới hạn cho phép và có thể thay đôi được trong không gian.

Xét hệ anten hình 1 -5 và giả thiết sóng đến nằm trong mặt phẳng xy (0=

7/2) sóng đến chỉ phụ thuộc vào ọ.

Giả sử hệ anten làm việc ở chế độ thu ta cần tạo giản đồ

Hướng búp sóng cực đại theo hướng @ = ơi. Coi các phân tử anten vô hướng

trong mặt khảo sát, ta có giản đồ hướng của hệ anten được xác định: f(0,p)=w”.e(0,o) (1.19)

e(0,p): vectơ hướng.

w: vectơ trọng số là tập các số phức w„ có biện độ bằng 1, còn pha có giá

trị tùy thuộc vào m và góc hướng tương ứng Gi.

IWm| = l; argument(w,,) = Vy = k(m-1)dcosa; (1.21)

Cac trong SO Wm Sé không làm thay đôi biên độ của tín hiệu thu nhưng tạo

ra góc dịch pha của các tín hiệu trên các nhánh trước khi tổng hợp chúng và do đó tạo thành búp sóng có hướng cực đại mong muốn.

Sơ đồ khối của mạng định dạng

</div><span class="text_page_counter">Trang 11</span><div class="page_container" data-page="11">

Dưới đây là gián đồ hướng trong hệ tọa độ cực của anten tuyến tính với M=7 và giản đồ hướng trong hệ tọa độ vng góc với góc cực đại là œ¡ = 90°.

<small>SD fee w oe ct cen decncscccsbetacsecssbenscccehsccecsstebssecstassbsessecssecs - </small>

<small>“OF ceeereeereeee deseeeserece De OCSCOs POO SES OO EES OS COS EES CCOEESTeS beeegereeees ~ </small>

</div><span class="text_page_counter">Trang 12</span><div class="page_container" data-page="12">

Đây là một dạng anten điện tử nhưng thực hiện việc quét một cách gián đoạn hay còn gọi là anten chuyển mạch búp sóng, phụ thuộc tín hiệu điều khiển

đầu vào, nó tạo ra M búp sóng từ M phân tử anten.

Mạng được đặc trưng bởi ma trận TT vuông MxM là ma trận chuyển đơi

tín hiệu dau vao u(t) thanh dau ra y(t).

y(t)=T"u(t) (1.22)

v{(£): là vectơ tín hiệu ra ứng với việc hình thành búp sóng thứ m.

[yi(t) yo(t) ys(t) ... Ym(t) ...ya(t)]

sẽ được xác định tương ứng là cột thứ m của ma trận T. Ma trận T được viêt

dưới dạng.

T=[wW, W2 .... Wm .... Wu]

Cac bip séng sé truc giao néu cac vecto trong s6 tuong tng véi ching 1a

trực giao với nhau. Nếu ma trận T có các cột trực giao thì mạng ân định búp

sóng sẽ có một số tính chất đặc biệt được ứng dụng trong hệ thơng chuyển mạch

búp sóng và hệ thông ấn định búp sóng kết hợp với xử lý thích nghỉ.

1.5.3. Hệ thông chuyển mạch chọn búp song.

Hệ thống chuyển mach búp sóng là hệ thơng sử dụng mạng anten 4n dinh búp sóng kết hợp với chuyên mạch nhằm lựa chọn búp sóng tốt nhất và thu được

tín hiệu xác định.

Mơ hình đơn giản của hệ thông chuyển mạch chọn búp sóng.

</div><span class="text_page_counter">Trang 13</span><div class="page_container" data-page="13">

* Ưu điểm của hệ thông chuyển mạch búp sóng. Hệ thơng đơn giản, giá thành hạ.

* Yêu cầu độ tương thích vừa phải đối với máy thu trạm gốc. * Nhược điểm của hệ thông chuyển mạch búp sóng.

Y Khong khử được các thành phần đa đường có hướng sóng đến gần với sóng mong muốn.

*' Khơng tận dụng được lợi thế của đặc tính đa dạng đường truyền bằng cách kết hợp các thành phần đa đường có tương quan.

Hénh 1-10. Mu hénh cua anten thớch nghi

Anten là mét hé théng bao gdm mét dan anten chan tir (gia thiét là giàn thang) gồm M phần tử và một bộ xử lý thích nghỉ thời gian thực. Bộ xử lý thích nghỉ

tiêp nhận liên tục các thông tin đầu vào của dàn rôi tự động điêu khiên các trọng

</div><span class="text_page_counter">Trang 14</span><div class="page_container" data-page="14">

số bộ định dạng búp sóng nhằm điều khiển liên tục đồ thị phương hướng của dàn sao cho thỏa mãn yêu câu để ra với các chỉ tiêu nhất định .

Các trọng số được điều chỉnh để đạt bộ trọng số tối ưu theo một tiêu chuẩn nào đó, phù hợp với thuật toán đã lựa chọn .

Ta quy ước các tín hiệu thu được trên các phần tử là tín hiệu đường bao

phức ta có véctơ tín hiệu đầu vào của dàn anten được biểu thị như sau:

Trong đó:

u,,(t) 1a tín hiệu thu được trên phân tử thứ m

s(t) 1a tín hiệu đường bao phức nhận từ nhánh thứ nhất.

Áp dụng khái niệm véctơ hướng và ký hiệu tơ hợp góc (6,ø) = ự ta có:

<small>e(w) =[1 ẹ jkdsinØ c0 e JM-DdsnØ cos Ø TT (1.25) </small>

Vậy (1.23) viết lại như sau:

Như vậy véctơ tín hiệu đầu vào u(£) được xác định bởi tín hiệu nhận được

tại phần tử thứ nhất s() và véctơ hướng e(w). Véctơ hướng xác định tại mỗi

hướng của không gian khảo sát tại mỗi tần số nhất định. Tập hợp tất cả các véctơ

hướng núói trên gọi là tập dữ liệu của dàn anten thích nghi. Quá trình xác định tập đữ liệu nói trên cịn được gọi là quá trình lẫy chuẩn cho dàn anten.

Nếu hệ anten làm việc trong môi trường thực tế bao gồm cả tạp nhiễu thì véctơ số liệu đầu vào được bố sung thêm vécto nhiéu n(t) biểu thức (1.26) sẽ trở thành

u()=s(£)e( ) +n(t) (1.27)

Trong đó : n(Œ) =[ni(f) n(t)... nmŒ)... nư(@| (1.28)

Biểu thức (1.26) chỉ phù hợp với tín hiệu băng hẹp vì trong đó các thành phần của véctơ hướng được xác định ứng với một tần số nhất định. Băng thông của tín hiệu có liên quan đến sự khác biệt pha giữa các phần tử nằm trong dải sai số cho phép.

Khảo sát mơ hình tín hiệu cho trường hợp tông quát khi có xảy ra hiệu ứng đa đường (tín hiệu từ nguôn truyền tới điểm thu với nhiều đường khác nhau, gây ra phading đa đường) và có tác động của nhiều đối tượng tham gia vào hệ

</div><span class="text_page_counter">Trang 15</span><div class="page_container" data-page="15">

thống thông tin. Gọi K là số đối tượng có phát tín hiệu tác động vào dàn anten

và ký hiệu tín hiệu của đối tượng thứ ¡ là s;() gồm P đường tới, với biên độ phức lA a ip, BOC toi y jp Va trễ đường truyễn là Tịp, với là chỉ số ký hiệu đường tới.

Vectơ tín hiệu thu được của đối tượng thứ ¡ được biểu diễn:

u(t)= Yay, b„ ( —f, (1.29)

p=l

Khi có tác động đông thời của K đôi tượng và can nhiễu, vectơ tín hiệu

đâu vào sẽ có dạng:

u(t)= 2- 2 2,2, b„ (¢ — T„) (1.30) <sub>il p= </sub>

Với » a,elV, gọi là vectơ đặc trưng không gian của đỗi tuong thir i.

Trong hệ anten xử lý tín hiệu thích nghi thường sử dụng phép định dạng búp sóng của dàn anten sao cho đồ thị phương hướng có cực đại của búp sóng hướng theo phía nguồn tín hiệu có ích, cịn các hướng khơng hoặc hướng cực

tiểu hướng theo nguôn nhiễu để triệt tiêu hoặc giảm nhiễu.

Quá trình triệt nhiễu hoặc giảm nhiễu được thực hiện với sự phân biệt

từng đôi tượng tham gia thông tin trong tập hợp các nguồn nhiễu, dựa trên đặc

tính khơng gian của các tín hiệu hữu ích nên còn được gọi là “lọc không gian”.

Vậy một hệ anten xử lý thích nghi cịn có thêm khâu lọc khơng gian thích nghi. Có hai phương pháp xử lý thích nghĩ: xử lý thích nghi băng hẹp và xử lý thích nghi băng rộng.

v' Xử lý thích nghi băng hẹp chỉ thực hiện việc lẫy mẫu tín hiệu trong miền

không gian.

v Xử lý thích nghi băng rơng thực hiện lẫy mẫu cả trong miền không gian và thời gian.

1.6.2. Các chuẩn tôi ưu trong điều khiến thích nghỉ.

Có 4 tiêu chuẩn được sử dụng để nhận được các bộ trọng số tối ưu:

w Tiêu chuẩn sai số trung bình phương nhỏ nhất (MMSE: minimum mean

square error).

Y Tiéu chuan tỉ số tín hiệu trên tạp nhiễu cực đại (MSINR: maximum signal to interference plus noise ratio).

</div><span class="text_page_counter">Trang 16</span><div class="page_container" data-page="16">

v Tiêu chuẩn phương sai cực tiểu (MV: minimum variance). v Tiêu chuẩn khả năng cực đại (ML : maximum likelihood). 1.7. Anten thích nghỉ băng rộng [1].

Cấu hình hệ ănten thích nghi băng rộng dùng dây trễ:

Nếu cấu trúc dây trễ đủ dài và số khâu đủ rộng thì nó gần tới bộ lọc lý

tưởng, cho phép điều khiển chính xác độ lợi và pha của từng tần số trong dai tan

</div><span class="text_page_counter">Trang 17</span><div class="page_container" data-page="17">

W„ =[Wm War .. W„yg] (132)

Nừu đưa vào kí hiệu

x(t)=[x7 xf .. xxx] (433)

w=[w_ wạ, .. Wy] (1.34)

Thì tín hiệu đầu ra của hệ xử lý thích nghi băng rộng cũng có thể được

biểu diễn theo công thức có dạng của hệ thích nghi băng hẹp, tức là:

yŒ)=w“x() (1.35)

1.7.3. Anten thích nghỉ băng tân con.

Xét sơ đồ sau:

Hõnh 1-12. Bộ xử lý thóch nghi băng tống con

</div><span class="text_page_counter">Trang 18</span><div class="page_container" data-page="18">

Tín hiệu thu được từ mỗi phần tử được đưa qua khối thu để biến đổi thành tín

hiệu băng gốc, rồi đưa đến bộ lấy mẫu sử dụng bộ biến đôi A/D (để đơn giản ta bỏ qua 2 khối này trên sơ đồ).Mỗi tín hiệu thu được trên mỗi phần tử thứ m ở

thời điểm t được phân thành K tín hiệu băng con và được biến đổi sang miền tần số nhờ bộ FFT. Việc xử lý thích nghi sẽ cho một vecto trọng số tôi ưứng với ăng tần con #“. Tín hiệu tham chiếu cũng được biến đổi sang miền tần số băng tần con, sau đó nhân với trọng số tôi ưu, các trọng số được tô hợp tương ứng với từng băng tần con. Các mẫu phức hợp được biến đổi trở lại miền thời gian nhờ

bộ IFFT, cuỗi cùng thực hiện nội suy với hệ số băng gốc K sẽ thu được tín hiệu

ra y().

Ưu điểm:

' Giảm nhỏ khối lượng tính toán và tăng nhanh tốc độ hội tụ.

w Trọng số được cập nhật nhanh vì trọng số phụ thuộc vào mỗi băng tần con, nên việc xử lý lựa chọn tần số cần phải thực hiện song song.

*' Kết quả hội tự nhanh vì khi sử dụng thuật tốn thích nghi LMS, bước tính

tốn khác nhau có thể áp dụng cho mỗi băng tần con.

1.8. Ứng dung của anten thông minh.

1.8.1. Ứng dụng của anten thông minh trong mang GSM [8].

Đã có một số anten thông minh được sản suất cho thị trường di động sử

dụng công nghệ GSM. Chúng giúp tối ưu công suất phát, giảm nhiễu. Cho đến nay việc sử dụng anten thông minh trong mạng GSM vẫn còn hạn chế. Đây không phải bởi lý do công nghệ mà bởi công nghệ GSM sử dụng đa truy nhập theo thời gian (TDMA: Time Division Multiple Access) và quản lý vị trí tần số. Điều này có nghĩa là mỗi kênh vơ tuyến có một khe thời gian và một băng tần. Khơng có sự can nhiễu giữa những người dùng trong một ô (cell) trạm phat. Điều này có nghĩa lợi ích của anten thông minh trong mạng GSM tất hạn chế.

1.8.2. Ứng dụng của anten thơng mình trong mang 3G[8]

Với hệ thỗng GSM, anten thơng minh có ứng dụng không lớn, nhưng khi thông tin đi động phát triển, hệ thống 3G với công nghệ đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA: Code Division Multiple Access) đang được ứng dụng ngày càng rộng rãi thì việc sử dụng anten thông minh mang lại hiệu quá rất lớn. Trong

hệ thông thông tin di động trước đây, loại anten được sử dụng chủ yếu là anten vô hướng hoặc anten sector. Trong anten thông minh, việc ứng dụng thuật toán

DOA (DOA: Direction Of Arrival ) định hướng sóng đếnvà các thuật tốn sử lý

</div><span class="text_page_counter">Trang 19</span><div class="page_container" data-page="19">

tín hiệu thích hợp có thể hướng búp sóng chính xác vào hướng thuê bao, tập

trung công suất phát vào hướng cân thiết, đồng thời khi xác định được hướng

thuê bao và nhiễu ta cũng có thể tránh phát sóng đến các nguồn can nhiễu. Như

vậy, cùng một công suất phát năng lượng bức xạ của anten đến nơi thu sẽ mạnh hơn nhiều lần, việc này có thể giúp tiết kiệm năng lượng nơi nguồn phát hoặc

tăng lượng bức xạ nơi nhận.

Nghiên cứu thực tế về lợi ích của anten thông minh trong mạng đi động so với anten truyền thống cho thấy số Kbit truyền trong một giây tại một trạm

thu/phát (Kbit/s/cell) tăng lên rất nhiều.

Kbit/s/cell Kha nang tang

Số trạm cân có Khả năng giảm

Sử dụng anten thông minh

cách xác định mỗi kênh vô tuyến trong một trạm thu phát và thuê bao bằng một mã số. Thuê bao chỉ được nhận ra bằng mã của mình. Tín hiệu thu phát từ

</div><span class="text_page_counter">Trang 20</span><div class="page_container" data-page="20">

những máy di động khác (với những mã khác) đối với một máy di động chính là

nhiều. Cho nên càng nhiều điện thoại di động trong một vùng phủ sóng của trạm thu phát thì nhiễu càng nhiều. Điều này làm giảm số điện thoại di động mà trạm hu phat co thé phục vụ được. Tất cả các tiêu chuân điện thoại 3G đều sử dụng

công nghệ CDMA. Đối với công nghệ này anten thông minh giúp giảm nhiễutong một ơ vì nó tăng công suất đề duy trì tất cả các kênh vô tuyến từ trạm

phát tới mọi thuê bao. Điều này đặc biệt quan trọng khi nhu cầu tốc độ số liệu

cao ngày càng tăng. Một kênh vô tuyến tốc độ cao cần cần mức công suất cao gấp 10 lần một kênh thoại trong mạng GSM. Tăng mức công suất để duy trì một kênh vơ tuyến cũng có nghĩa là giảm khả năng phục vụ các thuê bao còn lại trong 6 cũng như từ các ô liền kê.

Arnten thông minh giảm sự can nhiễu bằng hai cách:

— Búp sóng của anten hướng chính xác đến thuê bao, do vậy công suất phát chỉ phát đúng đến hướng cần thiết.

— Khả năng điều khiến tín hiệu định hướng, anten thơng minh tránh phát tín

hiệu về phía nguồn can nhiễu.

Lợi ích chính triển khai anten thông minh trong mạng 3G:

v Tăng số lượng thuê bao được thực hiện trong một trạm, tăng doanh thu,

giảm khả năng khoá và rơi cuộc gọi đối với các thuê bao.

v Chất lượng tín hiệu truyền dẫn được cải thiện mà không cần tăng công

suất phát mà lại giảm được can nhiễu.

* Giảm công suất thu phát ở cả hai hướng (thuê bao - trạm phát và ngược

lại), giúp cho pin của điện thoại dùng được lâu hơn. 1.8.3. Anten thông mình trong vệ tỉnh và truyền hình J8].

Việt Nam phóng vệ tính VINASAT-I vào quỹ đạo tháng 4 năm 2008 có ý nghĩa rất lớn trong việc phủ sóng viễn thông, thông tin liên lạc không chỉ các

vùng nông thôn, vùng sâu, vùng xa, biên giới, hải đảo, tới tất cả mọi nơi trên lành thổ Việt Nam mà còn phủ sóng cả khu vực Động Nam Á. Bên cạnh đó khi đưa vào khai thác VINASAT-I sẽ có ý nghĩa xã hội rất lớn, góp phần cải thiện

cơ sở hạ tầng thông tin quốc gia theo hướng hiện đại, nâng cao độ an toàn cho

</div><span class="text_page_counter">Trang 21</span><div class="page_container" data-page="21">

mạng lưới viễn thông, thúc đây và phát triển các dịch vụ viễn thông, công nghệ

thông tin, thương mại, giải trí và các dịch vụ chuyên dùng khác.

Một trong những rắc rối liên quan đến truyền hình và thông tin vệ tỉnh đó

là việc anten thu nhiều lúc không hướng tới đúng vị trí để thu sóng từ vệ tinh

hay trạm phát mạnh nhất. Trong các loại anten sử dụng trước đây, thường khi không đạt được hướng mạnh nhất người ta thường sử dụng phương pháp quay

thủ công băng tay, việc này rất bất tiện và không 6n định do khó cơ định vị trí

anten bởi các yếu tô thời tiết. Có một cách khác để giải quyết vấn đề này là thông qua thuật toán DOA để xác định được hướng vệ tinh hay hướng trạm phát tín hiệu và sau đó dùng thơng số về hướng để điều khiển bộ phận môtơ gắn vào anten giúp anten tự quay đến hướng tối ưu, đây là loai anten thong minh được

cải tiễn giúp người dùng tiện lợi hơn rất nhiều so với việc sử dụng anten thông

thường.

1.8.4. Ủng dụng của anten thơng mình trong việc xác định vị trí [2]

Bằng cách xác định được hướng sóng tới từ anten phát tói ít nhất hai hệ anten thu ta có thể xác định được vị trí của anten phát từ giao điểm của hai

hướng đó. Việc xác định hướng được thực hiện với một số thuật toán như thuật

toán ước lượng phơ. Hình 1-13 mô tả việc xác định nguông phát thông qua việc xác định hướng sóng tới từ nguồn phát tới 3 trạm thu sử dụng anten thông minh và sử dụng phương pháp xác định hướng sóng tới DOA.

</div><span class="text_page_counter">Trang 22</span><div class="page_container" data-page="22">

Theo thong kê, hiện tại nước ta có tới hơn 50.000 tàu thuyền loại vừa và nhỏ

hoạt động ở những vùng biển cách bờ từ 50Km đến 70 Km trở lại với thiết bị

thông tin rất hạn chế. Vì lý do này, mỗi khi có bão lũ xây ra thì khả năng phát và

chống chọi của ngư dân là rất hạn chế. Một yêu cầu đặt ra là phải xác định được vi tri của các tàu thuyền để có thê thực hiện việc cảnh báo cũng như cứu trợ kịp

thời. Trên thực tế, chúng ta hồn tồn có thể sử dụng hệ thông GPS cho ting tau

thuyền để xác định vị trí, tuy nhiên chỉ phí cho thiết bị định vị GPS là khá cao,

không phù hợp với laọi tầu thuyền nhỏ của ngư dân Việt Nam. Một phương pháp đã được đề ra đó là xác định vị trí qua các thơng số hướng sóng tới bằng

cách sử dụng dàn anten đã được đê xuât.

Chúng ta hồn tồn có thể sử dụng hai dàn anten tuyến tính có sử đụng

thuật tốn DOA để xác định được vị trí của tầu thuyén. Tuy nhién, để có thể xác

định được vị trí hồn tồn chính xác nên sử dụng ba anten đê xác định vị trí.

</div><span class="text_page_counter">Trang 23</span><div class="page_container" data-page="23">

CHƯƠNG 2. CAC KY THUAT XU LY DOI VOI ANTEN THONG MINH

2.1. Kỹ thuật phân tập.

Kỹ thuật phân tập là một trong những phương pháp được dùng để hạn chế

ảnh hưởng của fading.Trong hệ thống thông tin di động, kỹ thuật phân tập được

sử dụng để hạn chế ảnh hưởng của fading đa tia, tăng độ tin cậy của việc truyền tin mà không phải gia tăng công suất phát hay băng thụng.

Các phương pháp phân tập thường gặp là phân tập tần số, phân tập thời gian, phân tập không gian (phõn tập anten).

Ảnh hưởng của pha - định đa đường trong các hệ thống vô tuyến có thể được giảm bớt bằng cách sử dụng phân tập theo không gian. Trong môi trường pha - định, công suất sóng mang cần phải phát cao hơn công suất trung bình dé

có thể đạt được một tỉ lệ lỗi bít (BER) mong muốn nào đó. Trong một anten

thơng minh, tín hiệu thu được từ các phần tử khác nhau có thể được lấy trọng số

phù hợp để tạo ra tín hiệu kết hợp biến thiên chậm hơn từ tín hiệu thành phân.

Anen thông minh này sẽ yêu cầu công suất thấp hơn so với trường hop chỉ sử

dụng anten một phần tử, mà vẫn đạt được BER mong muốn.

Đề hệ thông phân tập không gian hoạt động một cách hiệu quả, các tín

hiệu thu được từ các nhánh anten khác nhau phải khơng hoặc ít tương quan với

nhau để nếu tín hiệu ở một phần tử pha - đinh sâu thì vẫn phục hồi được bằng

cách thu nó ở phần tử anten khác. Điều này có thể thực hiện được bằng cách

chọn khoảng cách giữa các phần tử một cách phù hợp. Có 3 cách cơ bản đề kết hợp tín hiệu [3]:

Chọn lọc: Bộ chọn lọc là phương pháp đơn giản nhất trong kỹ thuật phân tập: từ một tập hợp M phân tử anten, nhánh có tỉ số tín hiệu trên nhiễu lớn nhất được chọn ra và kết nỗi trực tiếp với máy thu. Do vậy anten thơng minh có M càng lớn thì khả năng có được tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu càng lớn.

Tỉ lệ cực đại: Phương pháp kết hợp tỉ lệ cực đại tận dụng tốt nhất khả

năng của các nhánh phân tập trong hệ thông. Tất cả M nhánh được nhân trọng số với các tỉ số tín hiệu tức thời trên nhiễu tương ứng. Sau đó tín hiệu từ các nhánh được đồng pha trước khi lẫy tổng tín hiệu sao cho tất cả các nhánh được gộp vào nhau theo pha cho tín hiệu đầu ra có tăng ích phân tập lớn nhất. Tín hiệu tổng

chính là tín hiệu đầu ra thu được của anten thông minh. Phương pháp tỉ lệ cực

đại có nhiều ưu điểm hơn phương pháp chọn lọc nhưng phức tạp hơn; do phải

</div><span class="text_page_counter">Trang 24</span><div class="page_container" data-page="24">

đảm bảo tín hiệu từ các nhánh là hoàn toàn đồng pha và các trọng số phải được

cập nhật chính xác.

Tăng ích đếu: Là một biễn thể của kỹ thuật kết hợp tỉ lệ tỗi đa; trong trường hợp này tất cả các giá trị tăng ích của các nhánh đều bằng nhau và không thay đối trong quá trình hoạt động.

nhằm tiện lợi về mặt toán học để đầu ra kết hợp có thể được viét gon la: w''s.

Trong phần này giả thiết các nhánh là khơng tương quan. Tín hiệu thu được ở mỗi phan tử không phái là hằng số, mà dao động theo hệ số pha-đinh. Tín hiệu pha-đinh phụ thuộc vào tần số tín hiệu vơ tuyến và được chứng minh xấp xỉ

bằng biến đôi Dopple cực đại. Biến đổi Doppler cực đại 7„„tương ứng với tan

số /„ và máy di động di chuyến với tốc độ v là:

fy = 14815 f,v

</div><span class="text_page_counter">Trang 25</span><div class="page_container" data-page="25">

Theo đặc tính của kênh vô tuyến, thời gian nhất quán của kênh vô tuyến xấp xỉ bằng nghịch đảo của hệ số pha-đinh. Môi trường đa đường giữa anten phát và anten thu được coi như một bộ lọc tuyến tính thay đỗi theo thời gian và

mỗi nhánh M được đặc trưng hóa bằng một hàm truyền đạt thông thấp tương

đương 7(ƒ:?), m=1,..,⁄ với biến số (agumen) z biểu diễn những thay đổi theo

thời gian của đáp ứng kênh vô tuyến và biến số / biểu diễn tính chất chọn tần

của kênh. Giả sử pha- đỉnh ở mỗi nhánh phân tập là không chọn tần (pha - đỉnh

phăng), ta có thể biểu diễn ham truyền đạt băng T„(.Ð = g„(0), trong do g(t) là

một đại lượng thông kê Gauss phức trung bình - bằng khơng. Như vậy các tín hiệu thu được ở nhánh phân tập có thê được biểu diễn đưới dạng:

s„0) = %t|r,„ ()e??”“ |= 9®|g„(w0)e?“ (2~D)|

Trong đó là tần số sóng mang danh định, u(t) la duong bao phic cua tín hiệu phát, r„(#) là đường bao phức của tín hiệu thu.

2.1.1. Kết hợp tỉ lệ cực dại(MRC) J3].

Trong kĩ thuật kết hợp tỉ lệ cực đại (MRC: Maximum Ratio Combiner),

tín hiệu ở các nhánh được lẫy trọng số và kết hợp sao cho đạt được CNR (Carrier to Noise Ratio: Tỉ số cơng suất sóng mang trên tạp) tức thời cao nhất có thể với các kỹ thuật kết hợp tuyến tính. Sử dụng phương trình (2-1), đường bao

</div><span class="text_page_counter">Trang 26</span><div class="page_container" data-page="26">

Các tín hiệu này phải được kết hợp với trọng số tỉ lệ thuận với liên hợp

của tín hiệu ở các nhánh và tỉ lệ nghịch với công suất tạp trên các nhánh đó.

Nhánh có CNR cao sẽ được lấy trọng số lớn hơn các nhánh có CNR thấp, tín hiệu đã lẫy trọng số đều căng pha và đồng nhất. CNR đầu ra:

- Cần bộ chuyển pha và bộ khuếch đại tuyến tính đải dộng rộng các tín

hiệu đầu vào.

ứng dụng: Thường dùng để so sánh với các chỉ tiêu của các kỹ thuật kết

hợp tuyến tính khác.

2.1.2. Tang ich phan tap.

Tang ich phan tap M- phan tử được xác định bởi phần cải thiện năng

lượng đường truyền ứng với một chỉ tiêu kĩ thuật nhất định khi sử dụng kĩ thuật phân tập, chỉ tiêu kĩ thuật này thường là ti 1é 16i bit (BER: Bit Error Rate).

2.1.3. Tang ich anten.

Tăng ích anten là tỉ số sóng mang trên tạp âm đầu ra của mảng trên tỉ số

sóng mang trên tạp âm đầu ra của một phần tử đối với các tín hiệu đầu vào có tính định hướng cao.

Sóng tới phẳng đáp ứng ở các phần tử khác nhau chỉ khác nhau bởi hệ số

e”, VỚI œ=k¿dcosở phụ thuộc vào khoảng cách các phần tử, tần số cao tần và

góc của song phăng so với trục của anten mảng.

</div><span class="text_page_counter">Trang 27</span><div class="page_container" data-page="27">

Giả sử tín hiệu vào có dạng +)./2w

Với ự =|I.e'“,e/2“,...,e“-'*Ì__p cơng suất trung bình của mỗi nhánh.

Kĩ thuật chọn lọc chỉ có một nhánh được kích hoạt tại một thời điểm nên

tăng ích anten bằng khơng.

Kĩ thuật kết hợp tỉ lệ cực đại và kết hợp tăng ích đều các trọng số tương ứng sẽ bằng hoặc là một phần của w= V^V >» Po CON suất tạp đầu vào của

mỗi nhánh.

2.1.4. So sảnh 3 phương pháp.

Khảo sát hệ thống trong trường hợp đơn giản gồm 01 anten phát và nhiều

anten thu (Receiver Diversity). Thực hiện chương trình mơ phỏng xác suất lỗi ký tự của kỹ thuật phân tập anten, kênh truyền được thiết lập có nhiễu Gauss và fading

Rayleigh với các phương pháp kết hợp ta thu được đồ thị sau.

H6nh 2.2. SER cua 3 phương phớp khi số

anenl 2v điêu chê QAM

Từ đồ thị ta thấy,Trong 3 phương pháp MRC, EGC và SC, phương pháp kết hợp

MRC cho phép cải thiện xácsuất lỗi tốt nhất.

</div><span class="text_page_counter">Trang 28</span><div class="page_container" data-page="28">

2.2. Kỹ thuật tạo búp sóng.

2.2.1. Chuyển mạch búp sóng [3].

Anten chuyền búp sóng gồm nhiều búp sóng kề nhau mà đầu ra của chúng có thể thay đôi để chiếu tới một hay nhiều máy thu nhất định. Anten mảng bám pha động cũng là anten chuyển mạch búp sóng nhưng nó thơng minh hơn anten

chuyển mạch búp sóng thơng thường là có thêm thơng tin hướng tới tử người

dùng mong muốn để quay hướng cực đại búp sóng về hướng đó.

Hệ thống chuyển mạch búp sóng thơng thường bao gồm một mạch tạo búp sóng, một chuyên mạch cao tần có điều khiển logic để chọn búp sóng. Mỗi máy thu phải lựa chọn búp sóng để có thể chọn được búp sóng mong muốn dựa

vào các vectơ trọng số đã định. Việc lựa chọn búp sóng hiệu quả rất phức tạp và

phụ thuộc vào phương thức truy cập là CDMA, FDMA hay TDMA.

Anten chuyển mạch búp sóng tao ra một tập hợp cố định các búp sóng tương đơi hẹp. Đầu ra cao tần tới các búp sóng này có thê là tín hiệu cao tần

hoặc tín hiệu đã qua xử lý số. Mỗi vùng phủ đẻ quạt (120) được phục vụ bởi

một mảng các chấn tử phát xạ nỗi với nhau qua chuyền mạch búp sóng.

ƯUu điểm của anten chuyển mạch búp sóng : w Đơn giản

Y Chi phi thap

Nhược điểm của anten chuyên mach búp sóng :

* Khơng tránh được nhiễu của các thành phần đa đường đến từ các

hướng gần với tín hiệu mong muốn.

* Khơng có khả năng lợi dụng được ưu điểm của phân tập đa đường bằng cách kết hợp các thành phần đa đường.

* Công suất nhận được từ thuê bao sẽ bị thăng giáng khi thuê bao đi chuyến vòng tròn quang trạm gốc do hiện tượng vỏ sị.

* Tuy có nhiều nhược điểm nhưng anten chuyển mạch búp sóng vẫn được sử dụng phơ biến vì:

</div><span class="text_page_counter">Trang 29</span><div class="page_container" data-page="29">

hiệu thu được. Trong quá trình quay búp sóng, búp sóng chính của mảng có thể

thay đôi hướng một cách liên tục hược theo tong bước nhỏ. Anten thong minh

sử dụng kỹ thuật tạo búp sóng thích nghi có thể loại bỏ nhiễu có hướng tới khác với hướng mong muốn.

Xét sơ đồ tổng quát của anten mảng thích nghỉ:

Goi tin hiéu ra la y(t), s,0) các tín hiệu nhận được từ các phân tử mảng,

ø„(0,ø) là tăng ích anten, nøứ) là nhiễu.

Ta xét s0) là tín hiệu mong muốn cịn (N-]) tín hiệu khác được coi là nguồn gây nhiễu. Trong hệ thống thích nghi trọng số w„ được xác định theo phương pháp lặp đựa trên tín hiệu đầu ra yứ), tín hiệu tham chiếu đứ)- là tín hiệu gần đúng với tín hiệu mong muốn và các trọng số quá khứ. Tín hiệu tham

chiếu được giả thiết giống hệt tín hiệu mon tín hiệu có hướng tới là (0,ø) và

trạng thái phân cực P được tính:g muốn.

Đầu ra của mảng được tính bằng: y(t)=w" x(t) (2-7),

w” : là biên đôi liên hợp phức chuyên vị của vectơ trọng sô w.

</div><span class="text_page_counter">Trang 30</span><div class="page_container" data-page="30">

2.2.2.1. Vectơ đáp ứng của mảng.

Vectơ đáp ứng của mảng đôi với một

<small>- ejSigi(8,9,P) ˆ e 1628209 6 ,P) </small>

Trong đó: é là biên dịch pha tương ứng với trễ pha không gian của mặt sóng

phẳng của tín hiệu theo hướng (0,)

ø„(6,ø,P) là hệ số giản đồ phương hướng anten của phần tử thứ m.

2.2.2.2. Vết không gian - phân của mảng.

Vết không gian — phân cực là đáp ứng tông đối với tín hiệu có N thành phần đa đường và được biểu diễn:

v=Š'a,a(6,,,.P,) @~9)

Trong đó:

a, la biên độ và pha của thành phần thứ n.

0.,ó.,P. là góc tới và trạng thái phân cực của thành phân thứ n. 2.2.2.3. Ma trận vết không gian phân cực.

Đáp ứng của mảng đối với nhiều tín hiệu (trong trường một tín hiệu mong muốn và L tín hiệu nhiễu) có thể được biểu diễn theo ma trận vết không gian — phân cực. Các cột của ma trận là các vết không gian — phân cực của bản thân các

2.2.2.4. Tin hiệu và tạp âm

Các tín hiệu tới (mọi hướng tới và phân cực) có thể được viết là :

sứ) =[s,Œ),s,,....s,„()ŸÏ =[s„(|s,@ÏÏ @-12)

</div><span class="text_page_counter">Trang 31</span><div class="page_container" data-page="31">

Trong đó :

s„()= s,@) là tín hiệu mong muốn

s,() các tín hiệu gây nhiễu

Trong trường hợp các tín hiệu được xem là không tương quan với nhau và

cé dang s,(t)=,/s,u,(@)e trong d6 Js, là biên độ của tín hiệu và ø„@) là tín

hiệu điều chế băng gốc chuẩn. Tạp âm tại M máy thu:

n(t) =[n,(t),n,(t),....n,(t)| (2-13)

Tạp âm tại các nhánh máy thu khác nhau là không tương quan. 2.2.2.5. Trọng số tôi ưu.

Để tối ưu các trọng số ở mỗi phần tử, cần giảm tiểu lỗi trung bình phương

giữa đầu ra của mảng và tín hiệu chuẩn Z0). Việc tối ưu hóa SINR sẽ làm cho các trọng sô lệch đi một đại lượng nhân vô hướng. Xử lý chênh lệch này giỗng như trường hợp các phân tử đẳng hướng, nghiệm của trọng số tối ưu là :

Trong đó :

R,, = x(x" (1) 1a ma tran hiép bién cua tin hiéu

r,=4 (t)x(t) la ma tran trong quan chéo gitta d(t) va x(t)

2.2.3. Các thuật toan thich nghi [3]

Các thuật toán tao búp sóng thích nghỉ thực hiện các phép lặp tiễn tới xấp xỉ các trọng số tôi ưu. Sau đây là một số phép toán cơ bản được ding trong tao búp sóng.

2.2.3.1. Trung bình phương nhỏ nhất.

Thuật toán trung bình phương nhỏ nhất (LMS) sử dụng phương pháp có bước giảm dân và tính tốn vectơ trọng số đệ quy sử dụng phương trình:

w(n) = w[n—1]+ m„e,„sÌn][p[m] (2-15)

Trong đó uụ là hằng hệ số tăng ích và điều khiển tốc độ thích nghỉ

Thuật toán LMS yêu cầu biết trước thơng tin về tín hiệu mong muốn. Điều này có thể thực hiện được trong một thống số bằng cách phát theo một chu

kì chuỗi chuẩn được máy thu biết trước, hoặc sử dụng mã trải phố trong trường

hợp hệ thống CDMA trải phổ trực tiếp. Thuật toán này hội tụ chậm nếu dải

vectơ riêng của R„„ lớn.

Ưu điểm: Luôn luôn hội tụ.

Nhược điểm : Yêu cầu tín hiệu tham khảo.

</div><span class="text_page_counter">Trang 32</span><div class="page_container" data-page="32">

2.2.3.2. Nghịch đảo ma trận lẫy mẫu trực tiếp.

Công thức cập nhật thuật toán là: w,,=R„r„ (2-14) nhưng R, và z„

được đánh giá từ dữ liệu được đánh giá từ dữ liệu được lay mẫu trên một khoảng xác định.

= Š`x()x"(0 (2-16)

Ưu điểm: Luôn hội tụ; tốc độ họi tụ nhanh hon LMS.

Nhược điểm: Yêu cầu tín hiệu tham chiếu, tính tốn phức tạp.

2.2.3.3. Thuật tốn bình phương tôi thiêu đệ quy

Thuật tốn bình phương tơi thiểu đệ quy (RLS) ước lượng R_„ và z„ sử

dụng các tông trọng sô như sau:

RI =7 "(R201 - gh) -D] (2-22)

Ưu điểm: Luôn luôn hội tụ, tốc độ hội tụ nhanh gấp 10 lần so với LMS.

Nhược điểm: Yêu cầu đánh giá ban đầu về R- và tín hiệu tham khảo. 2.2.3.4. Các thuật toán quyết định trực tiếp.

Trong thuật toán quyết định trực tiếp, các trọng số có thể được cập nhật

bằng bất kì thuật tốn nào ở trên, nhưng tín hiệu chuẩn được lẫy ra từ quá trình

thực hiện giải điều chế tín hiệu y(¿), tức là không yêu cầu thông tin chuẩn từ bên

ngồi. Tuy nhiên, thuật tốn này không đảm bảo sự hội tụ vì y() có thể khác

d(t).

2.2.3.5. Thuật toán hằng số theo khối[3].

Thuật toán hằng số theo khối không yêu cầu biết trước thông tin về tín

hiệu mong muốn. Thay vào đó, nó tận dụng các thuộc tính biên độ không đôi hoặc gần như không đôi của hầu hết các khuân dạng điều chế được sử dụng

</div><span class="text_page_counter">Trang 33</span><div class="page_container" data-page="33">

trong thông tin vô tuyến. Bằng cách xem tín hiệu thu được có biên độ khơng đổi,

thuật tốn hăng số theo khối sẽ phục vụ được tín hiệu mong muốn. Biểu thức cập nhật trọng SỐ:

w(n +1) = wẲn)+ m(n}e”(n) (2-23)

Trong đó: z(ø)=|I—|y(n} Jsn}x{n) (2—22

Khi thuật toán hằng số theo khối hội tụ tới nghiệm tối ưu, sự hội tụ của thuật toán này khơng được đảm bảo vì hàm chỉ phí z khơng lỗi và có thể có giá

trị cực tiểu sai. Một vẫn đề tiềm ân khác là có nhiều hơn tín hiệu có cường độ

mạnh, thuật tốn có thể đưa ra quyết định nhằm đối với tín hiệu khơng mong

muốn. Các biến thê hiện tại của thuật toán hằng số theo khối sử dụng các hàm

chi phí khác nhau.

Thuật toán hằng số theo khỗi trung bình tối thiểu là một biến thể của thuật

toán hăng số theo khối sử dụng phép nghịch đảo ma trận trực tiếp. Trọng số có

thể được tính toán như sau:

w=Rir, (2-25)

Với K;' và r„ mô tả 6 (3-18) và (3-19), ngoại trừ việc sử dụng ước lượng

khối khơng đổi của tín hiệu mong muốn là 2đ = Sy

Thuật toán hăng số theo khối có thể phân biệt số tín hiệu bằng số phần tử awnten mảng. Có thê sử dụng trực giao mền hoặc trực giao cứng. Với phép trực giao cứng, anten mảng N phần tử, N vectơ trọng số trực giao được sử đụng. Mỗi

vectơ trọng số được cập nhật độc lập với nhau sử dụng thuật toán hàng số theo

khối như trong (3-23) và (3-25). Tất cả các vectơ trừ vectơ đầu tiên được khởi tạo lại định kì như sau nhằm tránh trường hợp có nhiều hơn một vectơ hội tụ tới

cùng một giá trỊ.

w“ =w“— Sw k= 2,3,..,M (2-26)

Ưu điểm: Khơng u cầu tín hiệu tham khảo

Nhược điểm: Về mặt lý thuyết, có thể không hội tụ.

Kết luận

- _ Kỹ thuật phõn tập anten cải thiện tốt xóc suất lỗi trong điều kiện kờnh truyền

cú fading. Độ lợi thu được của phương phỏp phon tập anten lờn đến hàng chục dB. Đõy là thụng số thể hiện rừ tớnh ưu việt của kỹ thuật phõn tập anten

</div><span class="text_page_counter">Trang 34</span><div class="page_container" data-page="34">

ứng đụng vào cóc hệ thông truyền thụng, đặc biệt là cóc hệ thơng thụng tin di

động vốn đũi hỏi cóc you cầu về nõng cao dung lượng, chất lượng dịch vụ, tiết kiệm năng lượng sử dụng, thu gọn kớch thước thiết bị moy đầu cuối.

Kết quả mụ phỏng đó chứng tỏ phương phỏp MRC cho phộp cải thiện SER tốt hơn nhiều so với cóc phương phỏp EGC và SC, phự hợp với cóc phon tớch lý thuyết cũng như cóc nghiờn cứu khỏc. Tuy nhiờn, độ phức tạp trong

thi cụng phương phỏp MRC cao hơn nhiều so với SC hay EGC. Điều này đũi

hỏi phải cú những đỏnh giỏ chuyờn sõu về hiệu quả kinh tế khi lựa chọn phương phỏp kết hợp đề triển khai thực tế.

Thụng số SER được cải thiện đỏng kể khi tăng số lượng anten. Tuy nhiờn,

cựng với sự gia tăng của số anten thỡ độ gia tăng độ lợi hệ thong cu xu

hướng giảm. Kết quả mụ phỏng cho thay độ gia tăng độ lợi tốt nhất khi tăng từ I lờn 2 anten. Đõy cũng là một ưu điểm đỏng quan tõm cho việc ứng dụng

kỹ thuật phõn tập anten vào thực té, đặc biệt khi triển khai trờn moy dau cudi

của mạng di động. Số anten khụng nhiều sẽ giỳp tiết kiệm chi phớ và độ

phức tạp thi cụng, đỏp ứng được yờu cầu giảm kớch thước mỏy đầu cuỗi mà

vẫn đảm bảo ứng dụng kỹ thuật phõn tập anten vào nõng cao chất lượng dịch vụ.

Từ cóc mẫu Beam pattern nhận thấy, phương phỏp phõn tập anten làm gia tăng đỏng kể năng lượng tớn hiệu thu: biờn độ Beam patern của kỹ thuật phõn tập anten lớn hơn rất nhiều biờn độ Beam pattern của Beamforming.

Điều này làm tăng đóng kể độ lợi của hệ thống. Tuy nhiờn, trong khi

Beamforming điều chỉnh Beam pattern bỏm theo tớn hiệu đến dựa vào việc

điều chỉnh cả biờn độ và pha của trọng số tối ưu thỡ Beam pattern của phon tập anten khụng thay đổi theo hướng tớn hiệu đến do trọng số của phõn tập anten là cóc số thực (khụng điều

chỉnh pha). Rừ ràng, Beamforming tỏ ra ưu việt hơn trong triệt nhiễu đồng

kờnh nhờ khả năng bỏm theo tớn hiệu, phõn bố mẫu Beam pattern của anten

cực đại ở cỏc hướng tớn hiệu đến, và ”null? ở cỏc hướng cú tớn hiệu khụng mong muốn.

Qua cóc nghiờn cứu và lý thuyết cựng kết quả mụ phỏng về kỹ thuật phõn tập anten, cú thể khẳng định đõy là kỹ thuật rất hiệu quả trong việc giảm ảnh

hưởng của fading lờn tớn hiệu, nõng cao độ lợi hệ thống, cải thiện đỏng kể

chất lượng cũng như dung lượng, cũng như cho phộp khai thỏc hiệu quả thành phân khụng gian — khụng làm hao tôn tài nguyờn tần số, thời gian như

</div><span class="text_page_counter">Trang 35</span><div class="page_container" data-page="35">

cóc phương phỏp phon tap khóc. Với coc uu uu điểm đú, cú thể thấy việc ứng dụng mụ hỡnh phõn tập anten vào hệ thơng MIMO là hồn tồn phự

hợp, đặc biệt trong việc nõng

cao dung lượng hệ thông —- một you cau đang rất được quan tõm của cóc cụng nghệ truyền thụng hiện đại.

</div><span class="text_page_counter">Trang 36</span><div class="page_container" data-page="36">

CHƯƠNG 3. ỨNG DỤNG THUẬT TOÁN MUSIC TRONG XÁC ĐỊNH HUONG SONG DEN DOI VOI HE ANTEN MANG TRON.

3.1. Thuat toan MUSIC (MUltiple SIgnal Classifi cation algorithm) [7].

Thuat toan MUSIC là thuật toán dựa trên tập các tín hiệu thu được từ

không gian mà không cần phải quét búp sóng của hệ anten theo các góc trong

không gian. Dựa trên việc khai triển ma trận tự tương quan R„„ = E[uu”] với u là tập tín hiệu thu được từ mỗi phân tử của hệ anten. Không gian của ma trận hiệp

phương sai được chia làm hai không gian con là khơng gian tín hiệu và không gian nhiễu, hai không gian này trực giao với nhau. Các vector tín hiệu nằm trong khơng gian tín hiệu sẽ trực giao với không gian nhiễu. Dựa trên nguyên lý này thuật toán MUSIC được ứng dụng để tím ra DOA bằng cách phân loại nguồn tín hiệu tới từng phần tử anten theo góc độ khơng gian. Thuật toán này cho phép xác định số lượng nguồn phát, cường độ của tín hiệu và công suất nhiễu.

3.2. So sánh thuật toán MUSIC với các thuật toán khác.