ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN HÀ DUY

ỨNG DỤNG KỸ THUẬT BÚP SÓNG SỬ
DỤNG ANTEN MẢNG CHO HỆ THỐNG
THÔNG TIN TẾ BÀO
Ngành:
Kỹ thuật điện tử - viễn thông
Chuyên ngành: Kỹ thuật vô tuyến điện tử
và thông tin liên lạc
Mã số:
2.07.00

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. Trịnh Anh Vũ

Hà Nội-2008


iii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................i
LỜI CẢM ƠN ..........................................................................................................ii
MỤCLỤC ................................................................................................................iii
DANH MỤC HÌNH VẼ ….......................................................................................v
DANH MỤC BẢNG ….……….………………………………………….........….vi
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ..………….…………………….........……………....vii
MỞ ĐẦU ………….........………………………………………….........……….....1

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT BÚP SÓNG …….........…..……...3
1.1 Giới thiệu………………………...………………………….........…………3
1.2 Tổng quan về kỹ thuật búp sóng ..………………………….............……..5
1.2.1. Kỹ thuật búp sóng……………………………………................…………5
1.2.2. Phân loại các kỹ thuật búp sóng…………………….........…..........……...8
1.3 Ứng dụng của kỹ thuật búp sóng……………...………................………12
1.4 Tổng kết chương ……………………………………....…..........………...15
CHƯƠNG 2. KỸ THUẬT TẠO BÚP SÓNG ……………………...........……...17
2.1 Búp sóng chuyển mạch……………..…………………….…..........……...17
2.2 Búp sóng thích nghi…………………………….…………………………21
2.2.1 Hệ anten mảng tuyến tính…………….………………………………….24
2.2.2 Một bộ tạo búp sóng đơn giản……….…………………………………..27
2.2.3 Tiêu chuẩn tối ưu các trọng số…………………………………………...30
2.2.3.1 Trung bình bình phương phương sai nhỏ nhất (MMSE)……....31
2.2.3.2 Tỷ số tín hiệu trên nhiễu lớn nhất (MSIR)……..................…...34
2.2.3.3 Phương sai nhiễu đầu ra nhỏ nhất (LCMV)……………..….....35
2.2.3.4 Mối liên hệ giữa các tiêu chuẩn ………………..………..……36
2.2.4 Các thuật tốn thích nghi …………………..……………………..…….37
2.2.4.1 Thuật tốn trung bình bình phương tối thiểu (LMS) ………….38
2.2.4.2 Nghịch đảo ma trận liên hiệp lấy mẫu nhỏ nhất (SMI) .………39
2.2.4.3 Thuật tốn bình phương tối thiểu (RLS) ……………………...40


iv

2.3 Tổng kết chương…………………………………………………….…….43
CHƯƠNG 3. ƯỚC LƯỢNG HƯỚNG ĐẾN (DOA)…………………………...44
3.1 Giới thiệu …………………………...…….………………………………44
3.2 Các phương pháp ước lượng DOA truyền thống ……..………….…….46
3.2.1 Phương pháp ước lượng phổ (delay - and - sum) ………..………….…...46

3.2.2 Phương pháp phương sai nhỏ nhất của Capon ………………..….……...49
3.3 Các phương pháp ước lượng DOA dựa trên khơng gian con ………….51
3.3.1 Thuật tốn MUSIC ………………………………………..……………..51
3.3.2 Các thuật toán MUSIC cải tiến ……………..……………………………57
3.3.2.1 Thuật toán Root-MUSIC ………….…….…………….………..57
3.3.2.2 Thuật toán Cyclic-MUSIC ……………..……………….……...58
3.3.3 Thuật toán ESPRIT ...................................................................................60
3.4 Các kỹ thuật giống nhau nhiều nhất (ML: Maximum Likelihood) …...65
3.5 Ước lượng DOA với các tín hiệu có liên quan chặt với nhau .................67
3.5.1 Các kỹ thuật làm mượt không gian ............................................................68
3.5.2 MUSIC đa chiều ........................................................................................70
3.6 Ước lượng số lượng tín hiệu đến ...............................................................71
3.7 Tổng kết chương .........................................................................................73
CHƯƠNG 4. ỨNG DỤNG KỸ THUẬT BÚP SĨNG SỬ DỤNG ANTEN
MẢNG CHO HỆ THỐNG THƠNG TIN TẾ BÀO ............................................75
4.1 Tham số CIR ...............................................................................................76
4.2 Các chương trình mơ phỏng tính tốn CIR .............................................78
4.3 Các kết quả mô phỏng ...............................................................................83
4.4 Tổng kết chương .........................................................................................87
KẾT LUẬN ............................................................................................................88
TÀI LIỆU THAM KHẢO .....................................................................................90
PHỤ LỤC ................................................................................................................92


v

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1-1. Anten đẳng hướng và mơ hình phủ sóng………………………………...4
Hình 1-2. Anten Sector và vùng phủ sóng.................................................................4
Hình 1-3. Vùng phủ sóng của anten sử dụng kỹ thuật búp sóng...............................6

Hình 1-4. Sơ đồ khối của anten mảng M phần tử......................................................7
Hình 1-5. Mơ tả kỹ thuật búp sóng chuyển mạch ………………………………….9
Hình 1-6. Mơ tả kỹ thuật búp sóng thích nghi ……………………………………10
Hình 1-7. Vùng phủ với hệ anten sử dụng kỹ thuật búp sóng chuyển mạch và búp
sóng thích nghi.........................................................................................10
Hình 1-8. Anten thu phát theo kỹ thuật SDMA…………………………………...13
Hình 2-1. Ma trận Butler tạo 8 búp sóng đầu ra......................................................19
Hình 2-2. Dạng búp sóng đầu ra của ma trận tạo búp Butler tại tần số 2.400 Ghz..19
Hình 2-3. Sơ đồ khối một anten mảng sử dụng kỹ thuật búp sóng thích nghi.........22
Hình 2-4. Phần mềm hệ thống anten mảng sử dụng kỹ thuật búp sóng thích nghi..24
Hình 2-5. Hệ anten mảng tuyến tính........................................................................25
Hình 2-6. Mảng hai phần tử đẳng hướng.................................................................28
Hình 2-7. Hệ thống tạo búp sóng tổng qt.............................................................30
Hình 2-8. Bộ tạo búp sóng thích nghi......................................................................31
Hình 2-9. Sơ đồ thực hiện thuật tốn LMS..............................................................39
Hình 2-10. Sơ đồ thực hiện thuật tốn RLS..............................................................42
Hình 3-1. Các tín hiệu đến mảng anten với các góc khác nhau ...............................45
Hình 3-2 Sơ đồ bộ tạo búp sóng cổ điển .................................................................47
Hình 3-3 So sánh chất lượng của phương pháp ước lượng phổ và phương pháp
phương sai nhỏ nhất của Capon ..............................................................50
Hình 3-4. So sánh chất lượng của phương pháp phương sai nhỏ nhất của Capon và
thuật tốn MUSIC ....................................................................................56
Hình 3-5. Mơ hình mảng anten theo thuật tốn ESPRIT ……………………….…61
Hình 3-6. So sánh thuật toán MUSIC truyền thống và thuật tốn MUSIC sử dụng kỹ
thuật làm mượt khơng gian trong việc xác định DOA ............................70


vi

Hình 4-1. Sử dụng kỹ thuật búp sóng tại trạm cơ sở trong hệ thống thơng tin tế bào

..................................................................................................................76
Hình 4-2. Mối quan hệ giữa trạm cơ sở và trạm di động .........................................78
Hình 4-3. Mơ hình xắp xếp các tế bào trong mơ hình mơ phỏng: (a) 19 tế bào sử
dụng cùng tần số, (b) lựa chọn các tế bào khi kích thước cluster là 7, (c)
lựa chọn các tế bào khi kích thước cluster là 3 ........................................79
Hình 4-4. Biểu đồ q trình mơ phỏng ....................................................................80
Hình 4-5. Vị trí các trạm cơ sở của các tế bào sử dụng cùng tần số ........................81
Hình 4-6. Cải thiện tham số CIR …………………………………………………..84
Hình 4-7. Cải thiện tham số CIR trong trường hợp tính đến hiệu ứng sigma ……..85
Hình 4-8. Cải thiện tỷ số CIR khi đồng thời sử dụng kỹ thuật búp sóng tại trạm di
động và trạm cơ sở ……………………………………………………..86

DANH MỤC BẢNG
Bảng 2-1. Đầu ra ma trận Butler...............................................................................19
Bảng 4-1. Chức năng của các chương trình được sử dụng ......................................78


vii

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
2G

Second-Generation wireless telephone technology - mạng điện thoại
di động thế hệ thứ 2

3G

Third-Generation wireless telephone technology - mạng điện thoại di
động thế hệ thứ 3


ABF

Analog BeamForming – Kỹ thuật búp sóng tương tự

ADCs

Analog Digital Converter – Bộ chuyển đổi tương tự sang số

AIC

Akaike Information theoretic Criteria – Tiêu chuẩn lý thuyết thông tin
của Akaike

AWGN

Additive White Gaussian Noise – Tạp âm trắng cộng

BER

Bit Error Rate – Tỉ lệ lỗi bit

BF

Beamformer – Bộ tạo búp sóng

BFN

BeamForming Network – Mạch định dạng búp sóng

BTS


Base Transceiver Station – Trạm thu phát gốc

CDMA

Code Division Multiple Access – Đa truy nhập phân mã

CIR

Carrier to Interference Ratio - Tỷ số giữa cơng suất tín hiệu mong
muốn và tổng cơng suất tín hiệu giao thoa đồng kênh

DAMPS

Digital Advanced Mobile Phone System - Hệ thống điện thoại số

DBF

Digital BeamForming- Kỹ thuật búp sóng số

DFT

Discrete Fourier Transform – Biến đổi Fourier rời rạc

DOA

Direction Of Arrival – Hướng tới

ESPRIT


Estimate of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques Ước lượng tham số tín hiệu thơng qua các kỹ thuật bất biến luân phiên

FDMA

Frequency Division Multiple Access - Đa truy cập phân chia theo mã

FFT

Fast Fourier Transform – Biến đổi Fourier nhanh

GSM

Global System for Mobile Communications – Hệ thống GSM


viii

LCMV

Linearly constrained Minimum variance - Phương sai nhiễu đầu ra
nhỏ nhất

LMS

Least Mean Squares - Trung bình bình phương tối thiểu

MDL

Rissanen Minimum Descriptive Length – Tiêu chuẩn MDL của
Rissanen


ML

Maximum Likehood – Giống nhau lớn nhất

MMSE

Minimum Mean Square Error – Trung bình bình phương sai số nhỏ
nhất

MS

Mobile Staion – Máy di động

MSINR

Maximum Signal to Interference ratio - Tỷ số tín hiệu trên nhiễu lớn
nhất

MUSIC

MUltipe Signal Classification – Phân loại tín hiệu đa đường

MVDR

Minimum Variance Distortionless Response - Đáp ứng không méo
phương sai nhỏ nhất

OFDM


Orthogonal Frequency - Division Multiplexing - đa truy nhập theo tần
số trực giao

RAKE

Máy thu RAKE

RLS

Recursive Least Squares - Thuật tốn bình phương tối thiểu

SDMA

Spatial Division Multipe Access - Đa truy nhập theo không gian

SH

Sequential Hypothesis – giả thuyết theo dãy

SIR

Signal-to-Interference Ratio – Tỉ số tín hiệu trên nhiễu

SINR

Signal-to-Interference plus Noise Ratio - Tỉ số tín hiệu trên nhiễu và
tạp âm

SMI


Direct Sample Covariance Matrix- Ngịch đảo ma trận liên hiệp lấy
mẫu nhỏ nhất

TD-SCDMA Time Division - Synchronous Code Division Multiple Access - Đa
truy nhập theo mã đồng bộ phân kênh theo thời gian


ix

TDMA

Time Division Multiple Access – Đa truy nhập phân thời gian

TSL

Total Least Squares Criterion - Tiêu chuẩn tổng bình phương nhỏ nhất

UMTS

Universal Mobile Telecommunications System – Hệ thống thông tin
di động UMTS


1
Luận văn Thạc sỹ

MỞ ĐẦU
Các hệ thống thông tin di động tế bào ngày phát triển nhằm phục vụ cho các nhu
cầu về dịch vụ ngày một lớn của khách hàng. Do vậy, các kỹ thuật, công nghệ mới
cần được nghiên cứu và triển khai để đáp ứng những nhu cầu đó. Trong thời gian

gần đây, hệ thống anten sử dụng kỹ thuật búp sóng dùng cho các hệ thống thông tin
di động là một trong những công nghệ được quan tâm nghiên cứu rộng rãi và thu
được những kết quả rất khả quan, bao gồm các thuật toán, các thử nghiệm cho đến
các sản phẩm thương mại. Đến nay, các hệ thống anten sử dụng kỹ thuật này khơng
cịn là một khái niệm xa lạ như vài năm trước đây và được xem như một trong
những công nghệ đầy hứa hẹn cho hệ thống thông tin di động 3G và sau 3G nhằm
đáp ứng yêu mở rộng dung lượng, vùng phủ cũng như tăng chất lượng dịch vụ di
động. Ngoài các phương thức đa truy nhập truyền thống như TDMA, FDMA và
CDMA, với việc sử dụng kỹ thuật búp sóng cho hệ thống anten, hệ thống của chúng
ta có thể hỗ trợ một phương thức đa truy nhập mới, đa truy nhập theo không gian
SDMA, cho phép sử dụng tối đa mọi tài nguyên có thể của một hệ thống truy nhập
vô tuyến (thời gian, tần số, mã và khơng gian).
Nhận thấy việc ứng dụng kỹ thuật búp sóng trong các hệ thống anten có thể giải
quyết rất tốt việc cải thiện dung lượng cũng như chất lượng của các hệ thống thông
tin di động, nên em đã chọn đề tài: “ứng dụng kỹ thuật búp sóng sử dụng anten
mảng cho hệ thống thông tin tế bào”. Đề tài được bố cục thành 4 chương, với các
nội dung như sau:
Chương 1: Giới thiệu tổng quan về kỹ thuật búp sóng. Chương này trình bày
khái qt về kỹ thuật búp sóng, phân loại các kỹ thuật búp sóng cũng như các ứng
dụng của kỹ thuật búp sóng.
Chương 2: Kỹ thuật tạo búp sóng. Nghiên cứu các kỹ thuật được sử dụng để tạo
búp sóng sử dụng với mảng anten, bao gồm cả búp sóng chuyển mạch và búp sóng
thích nghi. Kỹ thuật tạo búp sóng chuyển mạch đơn giản hơn nhưng kém hơn về độ
tăng ích cũng như chất lượng… Các thuật tốn tạo búp sóng thích nghi sử dụng các

Nguyễn Hà Duy – K11 Đ2


2
Luận văn Thạc sỹ


trọng số để có thể tạo búp sóng đầu ra theo mong muốn, do vậy tiêu chuẩn để chọn
các trọng số sao cho đầu ra tối ưu cũng được nghiên cứu.
Chương 3: Nghiên cứu các thuật toán ước lượng hướng đến của tín hiệu
(DOA). Đây là một bước rất quan trọng trong các hệ thống anten sử dụng kỹ thuật
búp sóng. Sử dụng các thuật tốn ước lượng hướng đến có thể xác định chính xác
hướng của thuê bao di động tại mọi thời điểm, để từ đó sử dụng các bộ tạo búp sóng
để tạo các búp sóng đầu ra theo đúng hướng mong muốn.
Chương 4: Ứng dụng kỹ thuật búp sóng vào hệ thống thơng tin tế bào. Chương
này trình bày một số kết quả mô phỏng bằng matlab để chỉ ra rằng đối với hệ thống
có sử dụng kỹ thuật búp sóng sẽ cải thiện được chỉ số CIR so với các hệ thống
không sử dụng kỹ thuật búp sóng. Từ đó, có thể tăng dung lượng cũng như chất
lượng của hệ thống.
Cuối cùng là phần kết luận đưa ra một số đánh giá dựa trên quan điểm của học
viên về các kết quả đạt được trong bản luận văn.
Với bố cục nội dung như vậy, luận văn về cơ bản đã nghiên cứu các khía cạnh
liên quan đến cơng nghệ búp sóng trong hệ anten mảng. Việc nghiên cứu công nghệ
này thực sự gặp rất nhiều khó khăn do liên quan tới nhiều tham số của môi trường
vô tuyến, vốn là môi trường hở và có tính ngẫu nhiên, địi hỏi hàm lượng tính tốn
cũng như khối lượng kiến thức cơ bản lớn. Vì vậy, tuy đã rất cố gắng thực hiện
nhưng do hạn chế về thời gian cũng như trình độ, chắc chắn bản luận văn sẽ khơng
tránh khỏi những thiếu sót, học viên rất mong quý thầy cô và các bạn đọc quan tâm,
đóng góp ý kiến để luận văn được hoàn thiện hơn.

Nguyễn Hà Duy – K11 Đ2


3
Luận văn Thạc sỹ


CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT BÚP SĨNG
1.1. Giới thiệu
Kỹ thuật búp sóng là một trong các kỹ thuật được nghiên cứu sử dụng trong hệ
thống anten dùng trong mạng truyền thông không dây. Kỹ thuật này được phát triển
từ các bộ lọc không gian đã được thiết kế trước đó nhằm mục đích lựa chọn đúng
tín hiệu mong muốn trong số các tín hiệu mà nó nhận được. Các hệ thống anten ở
trạm gốc sử dụng kỹ thuật này có thể lựa chọn đúng tín hiệu mong muốn, từ đó xác
định được hướng đến của tín hiệu và chỉ bức xạ một búp sóng hẹp theo đúng hướng
đó (thậm chí khi hướng có bị thay đổi, tức là khi người sử dụng di chuyển, búp sóng
đó cũng bám theo người sử dụng) qua đó có thể giảm nhiễu giao thoa, cũng như tạo
ra một số ưu điểm nổi bật khác mà luận văn sẽ trình bày trong chương này.
Có hai nhân tố cần xem xét đối với đường truyền vơ tuyến là:
• Cơng suất thu
• Mức tín hiệu đối với nhiễu và tạp âm (SNIR-Signal to Noise and
Interference Ratio)
Từ những ngày đầu của truyền thông không dây, các loại anten lưỡng cực đơn
giản, phát xạ và thu cho chất lượng như nhau ở mọi hướng. Các hệ thống anten
đẳng hướng này khơng hề biết vị trí hay phương hướng của người sử dụng nên để
tìm kiếm người dùng, phần tử đơn này phát quảng bá tín hiệu theo mọi hướng,
tương tự như các gợn sóng đẩy ra xa ở trong bể nước khi ta ném một hịn đá vào đó.
Điều này làm cho các tín hiệu bị phân tán, khơng tập trung, do đó các tín hiệu này
truyền tới đúng người dùng chỉ với một lượng nhỏ trong tổng năng lượng mà anten
bức xạ ra trong mơi trường, gây lãng phí và nhiễu cho những người sử dụng khác.
Hình vẽ 1.1 dưới đây miêu tả mơ hình phủ sóng của một anten đa hướng, nhìn
theo hướng ngang và hướng đứng

Nguyễn Hà Duy – K11 Đ2



4
Luận văn Thạc sỹ

Hình 1.1: Anten đẳng hướng và mơ hình phủ sóng
Để khắc phục sự hạn chế này, mức cơng suất của tín hiệu mà anten đẳng hướng
bức xạ ra môi trường được tăng lên. Tuy nhiên, với số lượng người dùng lớn thì
điều này gây trở ngại bởi tín hiệu có thể khơng đến được đúng người dùng do sự
giao thoa. Hơn nữa, anten đẳng hướng cũng không thể phân tách được tín hiệu
nhiễu với tín hiệu người dùng cũng như không thể hạn chế hiệu ứng đa đường, gây
bất lợi về hiệu suất phổ cũng như giới hạn việc tái sử dụng tần số
Khi yêu cầu phải thêm các vị trí máy phát mới, nhiều trạm anten truyền thống đã
phân tách thành các tế bào (cell). Một vùng 360° được chia thành 3 vùng con 120°,
mỗi một anten sector bức xạ tồn bộ cơng suất theo hướng của mình, các anten
sector sẽ giảm lãng phí năng lượng, cũng như giảm giao thoa so với hệ thống anten
đẳng hướng. Tuy nhiên vẫn gây lãng phí năng lượng và giao thoa vì trong một vùng
có nhiều người sử dụng.
Hình vẽ 1.2 dưới đây miêu tả mơ hình phủ sóng của anten sector, nhìn theo
hướng ngang và hướng đứng

Hình 1.2: Anten Sector và vùng phủ sóng

Nguyễn Hà Duy – K11 Đ2


5
Luận văn Thạc sỹ

Những công nghệ sử dụng trong điện thoại di động thường điều khiển công xuất
phát để đảm bảo phía thu nhận được tín hiệu rõ ràng. Nếu như th bao ở xa trạm
phát thì cơng suất được nâng lên để duy trì kết nối. Nhưng đơi khi cơng suất khơng

đủ và cuộc gọi bị rơi. Cịn nếu ở khoảng cách gần, công suất phát được giảm. Chất
lượng của cuộc gọi phụ thuộc rất lớn vào công suất phát.
Để khắc phục những hạn chế của hệ thống anten thông thường, một số kỹ thuật
đã được nghiên cứu, một trong số đó là kỹ thuật búp sóng. Kỹ thuật này cho phép
xác định đúng tín hiệu của người sử dụng từ các tín hiệu mà nó thu được, bao gồm
cả các tín hiệu của những người sử dụng khác.

1.2.Tổng quan về kỹ thuật búp sóng
1.2.1.Kỹ thuật búp sóng
Để hiểu về kỹ thuật búp sóng, ta hãy tưởng tượng về việc định hướng âm thanh
của con người. Con người có hai tai để nghe (thu tín hiệu), mồm để nói (phát tín
hiệu) và bộ não để suy nghĩ - định hướng (xử lý, phân tích tín hiệu).
Hãy tưởng tượng bạn đang đứng ở một cánh đồng và nhắm mắt lại. Một người ở
đằng xa nói với bạn. Để nghe rõ nhất người đó nói gì thì bạn phải quay về phía
người đó. Bạn có thể xác định vị trí của người nói nhờ vào sự khác nhau về trễ của
âm thanh mà hai tai của bạn nghe thấy. Bộ não sẽ phân tích sự khác nhau này và chỉ
cho bạn chính xác hướng của nguồn âm phát ra. Như vậy bạn có thể quay đúng về
hướng để bạn và người nói chuyện cùng có thể nghe rõ nhất. Lời nói của bạn phát ra
đúng với hướng của nguồn âm thanh mà bạn nghe được.
Một trường hợp khác, bạn đang đứng ở trong một hội trường đơng người. Phía
bên kia của hội trường có một người đang cố gắng nói chuyện với bạn bằng cách
gọi to tên của bạn. Bạn có thể nghe được người đó nói gì vì tiếng gọi đủ lớn để bạn
nghe thấy và một điều rất quan trọng là bạn nhận ra tên của mình (đó chính là mã số
của bạn). Não của bạn sẽ giải mã thông tin từ một mớ những tạp âm ồn ào. Bạn
quay về phía tiếng gọi và nói to để trả lời. Bằng cách này, bạn đã cộng thêm tiếng

Nguyễn Hà Duy – K11 Đ2


6

Luận văn Thạc sỹ

ồn vào trong những âm thanh của hội trường và làm cho những cuộc hội thoại của
những người khác rất khó nghe.
Thật tốt cho tất cả mọi người đang nói chuyện trong hội trường nếu bạn có thể
nói chuyện với bạn của mình mà khơng cần phải nói to. Chỉ có thể thực hiện điều
này nếu người bạn của bạn được trang bị thiết bị nghe lén với độ nhạy cao cùng với
micro định hướng. Khi đó bạn chỉ cần thì thầm cũng đủ cho bạn của mình nghe
thấy.

Hình 1.3. Vùng phủ sóng của anten sử dụng kỹ thuật búp sóng
Ý tưởng của kỹ thuật búp sóng là sử dụng giản đồ anten trạm gốc không cố định,
mà biểu đồ bức xạ được biến đổi phù hợp với các điều kiện truyền sóng hiện tại và
có thể tạo ra các búp sóng theo ý muốn trong giản đồ anten. Bằng cách khuyếch đại
độ tăng ích anten theo hướng có thơng tin mong muốn, đồng thời tạo ra giản đồ với
hướng phát xạ nhỏ (thậm chí tới 0) về phía vật gây nhiễu, kỹ thuật búp sóng có thể
giúp tránh được tối đa những nguồn nhiễu không mong muốn, đồng thời tăng khả
năng thu thơng tin hữu ích, từ đó làm cho chất lượng của tuyến kết nối thơng tin có
thể được cải thiện một cách đáng kể, với nhiều lợi điểm khác nhau. Điều này có thể
hình dung như một anten chỉ hướng búp sóng về phía thành phần được liên lạc
Cũng giống như cách phân tích của bộ não về sự khác nhau giữa âm thanh thu
được ở hai tai, những tín hiệu phát ra từ những máy di động đến các anten thành
phần được phân tích giúp xác định hướng của nguồn tín hiệu. Trên thực tế thì các
anten thành phần được phân bố tĩnh. Việc xác định được hướng của nguồn tín hiệu
mong muốn là kết quả của việc tính tốn tín hiệu nhận được từ tất cả các anten
Nguyễn Hà Duy – K11 Đ2


7
Luận văn Thạc sỹ


thành phần, và khơng có phần nào của anten phải quay đổi hướng cả. Cơng việc tính
tốn này đòi hỏi thực hiện theo thời gian thực (realtime) để hệ thống anten này có
thể xác định được hướng của tín hiệu đến, từ đó sử dụng các phép tính giúp tạo một
búp sóng hẹp bám theo nguồn tín hiệu khi nó chuyển động.
Việc hệ thống anten này phát tín hiệu bám theo khi nguồn tín hiệu di chuyển
cũng giống như việc chiếu đèn vào các diễn viên trên sân khấu. Nếu như đèn chiếu
rộng thì rất ít ánh sáng chiếu đúng vào người diễn viên. Bằng một đèn chiếu tập
trung, hầu như toàn bộ ánh sáng chiếu đúng phần cần thiết, những khu vực cịn lại
thì tối qua đó tăng hiệu dụng cơng suất phát sáng, cũng như tránh chiếu ánh sáng
vào những nơi cần bóng tối.
Kỹ thuật búp sóng là kỹ thuật được sử dụng trong hệ thống gồm nhiều anten
thành phần, gọi là anten mảng (antenna array), qua đó hướng búp sóng theo hướng
mong muốn. Cấu trúc anten mảng rất đa dạng tuỳ theo từng mục đích như: kiểu
tuyến tính, vịng trịn, hai chiều, khối... 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.
• Khơng có sự tác động qua lại giữa các anten thành phần.
• Khơng có sự biến đổi biên độ giữa các anten.
• Tín hiệu thu được phải độc lập, có thể rời rạc hố trên mặt phẳng sóng.

Hình 1.4 Sơ đồ khối của anten mảng M phần tử
Nguyễn Hà Duy – K11 Đ2


8
Luận văn Thạc sỹ

Hình 1.4 ở trên chỉ ra sơ đồ khối của một anten mảng, tại đây mỗi tín hiệu thu

được tại các phần tử anten được xử lý, đánh trọng số từng tín hiệu sau đó kết hợp lại
để tạo thành tín hiệu đầu ra theo mong muốn.
Cơng việc tính tốn phức tạp và địi hỏi thời gian đáp ứng nhanh dẫn đến việc
phải gia tăng đáng kể cơng việc xử lý ở tại trạm phát sóng.

1.2.2. Phân loại các kỹ thuật búp sóng
Các kỹ thuật búp sóng được phân vào hai loại chính, đó là:
• Búp sóng chuyển mạch (Switched beam)
• Búp sóng thích nghi (Adaptived beam)
Búp sóng chuyển mạch:
Búp sóng chuyển mạch là một kỹ thuật đơn giản, sử dụng mảng 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. Trong kỹ thuật này, các trọng số được sử dụng trong mảng
anten là cố định. Sự chuyển mạch nhằm chọn chế độ làm việc tốt nhất, thường đánh
giá dưới dạng năng lượng thu vào. Tuy nhiên dung lượng hệ thống bị giới hạn vì
phụ thuộc vào số lượng anten thành phần trong mảng 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…
Về khía cạnh các mẫu bức xạ, búp chuyển mạch là mở rộng của phương pháp vi
tế bào hiện tại hay phương pháp phân vùng tế bào của việc chia một tế bào thơng
thường. Phương pháp này cịn chia các vùng vĩ mô thành nhiều vùng vi mô nhằm
cải thiện dung lượng và phạm vi. Mỗi một vùng vi mô gồm một mẫu búp cố định
được xác định trước với độ nhạy lớn nhất được đặt ở trung tâm của búp còn độ nhạy

Nguyễn Hà Duy – K11 Đ2



9
Luận văn Thạc sỹ

thấp hơn được đặt ở các vị trí khác. Việc thiết kế hệ thống như vậy liên quan đến
các phần tử anten có độ rộng búp góc phương vị hẹp, tăng ích lớn.
Việc chuyển mạch giữa các búp sóng được thực hiện bằng cách thay đổi pha tín
hiệu dẫn đến các phần tử anten hay thu được từ các phần tử anten.

Hình 1.5 Mơ tả kỹ thuật búp sóng chuyển mạch
Búp sóng thích nghi
Trong kỹ thuật búp sóng thích nghi, biểu đồ hướng sóng khơng xác định, mang
tính chất động và các biểu đồ hướng sóng anten đó có thể điều chỉnh theo thời gian
thực. Các trọng số được sử dụng trong kỹ thuật này được biến đổi theo một số thuật
tốn đặc biệt để có đầu ra của bộ tạo búp theo mong muốn. Kỹ thuật này phức tạp
hơn hệ kỹ thuật búp sóng chuyển mạch tuy nhiên lại có ưu điểm hơn vì nhờ tính
chất động của biểu đồ hướng sóng nên dung lượng của hệ thống có thể thay đổi một
cách linh hoạt. Hình vẽ sau minh hoạ biểu đồ hướng sóng của hệ thống anten sử
dụng kỹ thuật búp sóng thích nghi.

Nguyễn Hà Duy – K11 Đ2


10
Luận văn Thạc sỹ

Hình 1.6 Mơ tả kỹ thuật búp sóng thích nghi
Hình 1.7 minh hoạ vùng phủ sóng tương đối giữa hệ thống anten sử dụng kỹ
thuật búp sóng chuyển mạch được phân vùng truyền thống và hệ thống sử dụng kỹ
thuật thích nghi. Cả hai loại hệ thống này đều có độ tăng ích đáng kể so với hệ
thống phân vùng truyền thống. Mức nhiễu thấp ở phía bên trái thể hiện cho một hệ

thống vô tuyến mới với các mức thâm nhập thấp hơn. Mức nhiễu lớn ở phía bên
phải thể hiện cho hệ thống vơ tuyến có nhiều đối tượng sử dụng hoặc một đối tượng
sử dụng nhiều mẫu tái sử dụng tần số lấn nhau hơn. Khi ấy, khả năng loại nhiễu của
hệ thống thích nghi sẽ cho vùng phủ sóng đáng kể hơn so với hệ thống búp sóng
chuyển mạch hay truyền thống

Hình 1.7 Vùng phủ với hệ anten sử dụng kỹ thuật búp sóng chuyển mạch và
búp sóng thích nghi
Nguyễn Hà Duy – K11 Đ2


11
Luận văn Thạc sỹ

Ta cũng có thể phân loại kỹ thuật búp sóng dựa theo việc xử lý tín hiệu tương tự
hay số.
Theo cách này ta sẽ có hai loại kỹ thuật là:
• Kỹ thuật búp sóng tương tự (ABF: Analog Beamforming)
• Kỹ thuật búp sóng số (DBF: Digital Beamforming)
Tín hiệu thu được tại các phần tử anten trong mảng là tín hiệu tương tự, nếu bộ
tạo búp sóng khơng sử dụng các bộ chuyển đổi tín hiệu từ tương tự sang tín hiệu số
(ADCs) thì gọi là kỹ thuật búp sóng tương tự. Tuy nhiên, ngày nay với việc các bộ
xử lý tín hiệu số phát triển rất nhanh, với khả năng xử lý rất cao thì thơng thường
các tín hiệu thu được tại các phần tử anten sẽ được chuyển đổi thành tín hiệu số
trước khi đi vào bộ tạo búp sóng, do vậy có thể gọi đó là kỹ thuật búp sóng số.
Tạo búp sóng số là sự kết hợp giữa kỹ thuật anten và kỹ thuật số. Anten có thể
được xem xét như một thiết bị chuyển tín hiệu trong miền khơng gian - thời gian
sang miền thời gian, để chúng có thể phù hợp với nhiều kỹ thuật xử lý tín hiệu. Một
anten được gọi là tối ưu nếu việc chuyển đổi những tín hiệu đến bề mặt nó khơng
gây méo tín hiệu

Ngun tắc cơ bản của bộ tạo búp sóng số là chuyển tín hiệu tần số vô tuyến thu
được tại các phần tử anten thành hai luồng tín hiệu nhị phân dải tần cơ sở được gọi
là kênh I và Q. Các tín hiệu dải tần cơ sở này biểu diễn biên độ và pha của các tín
hiệu thu được tại các phần tử trong mảng anten. Những luồng tín hiệu số này sẽ
được điều khiển pha và biên độ bằng cách đánh trọng số cho mỗi luồng. Sau đó tất
cả các luồng tín hiệu đó sẽ được cộng với nhau để tạo ra búp sóng mong muốn. Các
tín hiệu tương tự thu được được chuyển đổi sang tín hiệu số một cách chính xác
bằng các bộ thu có sử dụng bộ tạo phách, các bộ thu này phải phù hợp với nhau về
biên độ và pha. Ưu điểm chính thu được ở bộ tạo búp sóng số là tăng độ linh động
mà khơng làm giảm tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR.

Nguyễn Hà Duy – K11 Đ2


12
Luận văn Thạc sỹ

1.3.ứng dụng của kỹ thuật búp sóng
Kỹ thuật búp sóng đóng góp hai lợi ích chính đối với đường truyền vơ tuyến là
tối ưu hố cơng xuất, giảm nhiễu đường truyền. Bởi vì các hệ thống anten có sử
dụng kỹ thuật búp sóng đặc biệt hiệu quả trong việc tăng cơng suất tín hiệu thu
được và giảm cơng suất phát đến ngưỡng nhỏ nhất. Bên cạnh đó, nó được sử đụng
giúp tăng dung lượng đường truyền. Việc giảm đáng kể cơng suất phát ra chính là
giảm sự can nhiễu trong một vùng phủ sóng của trạm phát (làm tăng mức tín hiệu
trên tạp âm - SNIR).
Kỹ thuật búp sóng thêm vào một cách mới để phân biệt những người sử dụng
khác nhau, đó là thơng qua khơng gian hay còn gọi là phương pháp đa truy cập phân
chia theo không gian (SDMA: Space Division Multiple Access).
SDMA nghĩa là phục vụ các cuộc gọi theo các anten định hướng búp sóng hẹp.
Với kỹ thuật này thì khơng gian phủ sóng được sector hố. Khơng gian phủ sóng sẽ

được sẽ được chia ra thành các miền không gian hẹp (ví dụ như tổng khơng gian
phủ sóng là 3600 thì được chia ra thành 3 phần, mỗi phần 1200) hay ta cịn gọi là
sector hố khơng gian. Với kỹ thuật này sẽ giảm được hiện tượng giao thoa tần số,
nhiễu đồng kênh, nhiễu đa đường, cho phép tăng dung lượng hệ thống. SDMA có
thể áp dụng cho bất kỳ hệ thống thông tin di động nào. Hiện nay kỹ thuật này được
sử dụng ngay tại hệ thống anten để có thể xử lí tín hiệu, chọn lọc tín hiệu và điều
khiển búp sóng của chính nó sao cho phù hợp với khoảng cách của thuê bao. Kỹ
thuật SDMA là một kỹ thuật được đưa ra từ lâu nhưng chưa thực sự được sử dụng
trong hệ thống thông tin quảng bá mà chỉ được sử dụng cho mục đích quân sự.

Nguyễn Hà Duy – K11 Đ2


13
Luận văn Thạc sỹ

Hình 1.8: Anten thu phát theo kỹ thuật SDMA
Bằng SDMA, nhiều người sử dụng trong cùng một ô (cell) có thể sử dụng cùng
một kênh thông tin vật lý: cùng sóng mang, cùng khe thời gian và cùng mã trải phổ.
Việc nghiên cứu và áp kỹ thuật búp sóng trong thơng tin vơ tuyến tổ ong bắt đầu từ
những năm đầu thập kỷ 90 và sự chú ý đến cơng nghệ này ngày càng tăng lên vì đa
truy cập phân chia theo không gian được xem như là bước đột biến trên con đường
khai phá nhằm nâng cao dung lượng của hệ thống bị giới hạn bởi phổ tần.
Trong mạng GSM
Kỹ thuật búp sóng trong GSM giúp tối ưu công suất thu phát, giảm nhiễu. Nhưng
cho đến nay việc sử dụng kỹ thuật này trong mạng GSM vẫn cịn rất hạn chế. Đây
khơng phải bởi lý do công nghệ mà bởi công nghệ GSM sử dụng đa truy nhập theo
thời gian (TDMA) 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 ơ (cell) trạm phát. Giống như hai người nói chuyện với nhau trong

một căn phịng vắng khơng có tiếng ồn của những cuộc hội thoại khác. Điều này có
nghĩ là lợi ích của kỹ thuật này trong mạng GSM là rất hạn chế.

Nguyễn Hà Duy – K11 Đ2


14
Luận văn Thạc sỹ

Trong mạng 3G
Bởi Anten thông minh giúp tăng công suất thu và giảm nhiễu nên điều này đặc
biệt có ý nghĩa đối với các mạng di động 3G sử dụng công nghệ CDMA. CDMA
(Code Division Multiple Access) chia phổ tần bằng 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 và phát từ những máy di động khác (với những
mã khác) đối với một máy điện thoại di động chính là nhiễu. Cho nên, càng nhiều
điện thoại trong một vùng phủ sóng của trạm thu phát thì nhiễu càng nhiều. Điều đó
làm giảm số điện thoại di động mà trạm thu phát có thể phục vụ được.
Tất cả các tiêu chuẩn điện thoại 3G (UMTS, cdma2000 và TD-SCDMA...) đều sử
dụng công nghệ CDMA. Đối với những hệ thống CDMA, kỹ thuật búp sóng làm
giảm nhiễu trong một ơ bởi vì các anten sử dụng cơng nghệ này có thể tăng cơng
suất phát để 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. Tăng mức cơng
suất để duy trì một kênh vơ tuyến cũng có nghĩa là giảm khả năng phục vụ các thuê
bao còn lại trong ô cũng như từ các ô liền kề.
Các anten sử dụng kỹ thuật búp sóng giảm sự can nhiễu bằng 2 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 khiển tín hiệu định hướng, anten tránh phát tín hiệu về
phía nguồn can nhiễu.

Các anten sử dụng kỹ thuật búp sóng có giản đồ phương hướng giống như một
bông hoa với những cánh hoa có độ dài khác nhau, mỗi cánh hoa là một búp sóng
phục vụ một thuê bao. Những búp sóng này sẽ bám theo đúng hướng của thuê bao
khi di chuyển.
Kết hợp những lợi ích của kỹ thuật búp sóng, hệ thống CDMA giảm được chi phí
tính tốn cơng suất, tăng dung lượng phục vụ.

Nguyễn Hà Duy – K11 Đ2


15
Luận văn Thạc sỹ

1.4. Tổng kết chương
Việc tăng tính định hướng của búp sóng có thể làm tăng dung lượng (thường được
áp dụng trong thành phố) và mở rộng vùng phủ sóng (áp dụng cho vùng nơng thơn).
Nhờ việc tạo ra các búp sóng hẹp bám theo thuê bao nên kỹ thuật búp sóng giúp
triệt nhiễu tốt hơn do đó đem lại những ưu điểm sau cho hệ thống:
• Dung lượng tăng (hiệu quả phổ tần tăng) nhờ tăng số người sử dụng tích
cực đối với một giá trị BER cho trước.
• Giảm nhiễu đồng kênh để cải thiện chất lượng dịch vụ và tăng hệ số tái
sử dụng tần số.
• Giảm xác suất mất liên lạc. Bằng cách giảm nhiễu, xác suất mất liên lạc
có thể được giảm xuống.
• Tăng hiệu quả truyền dẫn. Do tính định hướng và tăng ích của hệ thống
cao, bán kính trạm gốc có thể được mở rộng và thuê bao có thể chỉ cần phát công
suất thấp hơn cho phép kéo dài thời gian sử dụng pin.
• Thêm được một phương thức truy nhập mới là SDMA, giúp dễ dàng nhận
biết các người sử dụng khác nhau.
Tuy nhiên, việc sử dụng kỹ thuật búp sóng cũng có một số hạn chế đáng kể về chi

phí và độ phức tạp sau:
• Tăng các u cầu về phần cứng cũng như phần mềm khi tăng số lượng
phần tử anten của mảng.
• Trong các trường hợp thực tế, chỉ tiêu của anten mảng có thể gây ra các
ảnh huởng bất lợi bởi các lỗi mơ hình kênh, lỗi định chuẩn (calibration), lệch pha và
tạp âm tương quan giữa các phần tử anten.
Từ những phân tích ở trên, ta thấy rằng có thể loại bỏ bớt được ảnh hưởng của
kênh với thiết kế máy thu tốt hơn. Tuy nhiên, do yêu cầu hạn chế độ phức tạp ở máy
đầu cuối và do đặc tính của đường xuống, giải pháp được sử dụng để cải thiện
Nguyễn Hà Duy – K11 Đ2


16
Luận văn Thạc sỹ

đường xuống sẽ là dùng nhiều anten phát ở trạm gốc, nhờ đó khơng làm tăng độ
phức tạp của máy đầu cuối.
Khi số người dùng ít và kênh bị pha-đinh mạnh (như trường hợp truyền sóng ở
điều kiện khơng nhìn thẳng), hệ thống tạo búp khơng cải thiện được tín hiệu thu do
khơng bổ sung được thơng tin mới nào vào tín hiệu thu được, mà chỉ hạn chế được
nhiễu đa truy nhập. Do đó, hệ thống tạo búp không làm tăng chỉ tiêu nhiều.
Việc sử dụng kỹ thuật búp sóng trong mạng 2G (GSM) khơng mang lại hiệu quả
cao. Đối với mạng di động 3G (CDMA), khi thiết kế, xây dựng cần xem xét khả
năng triển khai kỹ thuật búp sóng để giảm số trạm phát, tăng dung lượng thuê bao
và chất lượng phục vụ, giành ưu thế cạnh tranh ngay từ đầu.

Nguyễn Hà Duy – K11 Đ2


17

Luận văn Thạc sỹ

CHƯƠNG 2
KỸ THUẬT TẠO BÚP SÓNG
2.1. Búp sóng chuyển mạch
Anten chuyển búp sóng gồm nhiều búp sóng kề nhau mà đầu ra của chúng có thể
thay đổi để chiếu tới một hoặc nhiều máy thu nhất định. Do đó, một ơ trong hệ
thống sẽ được chia nhỏ bởi một nhóm các búp sóng liên tục.
Anten mảng bám pha động cũng có thể được coi là một loại anten chuyển búp
sóng, nhưng nó sử dụng thêm thơng tin hướng tới từ người dùng mong muốn để
quay hướng cực đại búp sóng về phía người đó nên có chỉ tiêu tốt hơn anten chuyển
búp sóng thơng thường. Cịn đối với anten thích nghi, cấu trúc búp sóng có thể biến
đổi thích nghi với mơi trường tín hiệu cao tần, định hướng búp sóng tới người sử
dụng mong muốn, đồng thời làm suy giảm tăng ích anten ở hướng gây nhiễu. Tuy
có chỉ tiêu tốt hơn, nhưng anten mảng thích nghi thường phải sử dụng những xử lý
số phức tạp nên có chi phí tốn kém hơn hệ thống chuyển mạch búp sóng.
Hệ thống chuyển mạch búp sóng đơn giản chỉ bao gồm một mạch tạo búp sóng,
một chuyển mạch cao tần có điều khiển logic để chọn búp sóng mong muốn. Mỗi
máy thu phải có một cơ chế lựa chọn búp sóng để có thể chọn được búp sóng mong
muốn dựa vào các vector trọng số đã định. Cơ chế để lựa chọn búp sóng hiệu quả là
khá phức tạp và tuỳ thuộc vào phương pháp truy nhập theo CDMA, TDMA hay
FDMA.
Anten chuyển búp sóng tạo ra một tập hợp cố định các búp sóng tương đối hẹp.
Đầu ra cao tần tới các búp sóng này có thể là tín hiệu cao tần hoặc tín hiệu đã qua
xử lý băng gốc số. Mỗi vùng phủ dẻ quạt (1200) được phục vụ bởi một mảng các
chấn tử phát xạ nối với nhau qua mạch chuyển búp sóng. Trong trường hợp lý
tưởng, các búp sóng được tạo ra là độc lập với nhau. Số búp sóng có thể thay đổi, ví
dụ: sáu búp sóng có độ rộng 200 hay bốn búp sóng có độ rộng 300 cho mỗi vùng phủ
dẻ quạt.
Nguyễn Hà Duy – K11 Đ2