BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TẬP ĐOÀN BCVT VIỆT NAM
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
-------
NGUYỄN QUANG HƯNG
XỬ LÝ ANTEN MẢNG THEO KHÔNG GIAN-THỜI GIAN
TRONG THÔNG TIN VÔ TUYẾN DI ĐỘNG
LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT
HÀ NỘI - 2006
-i-
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TẬP ĐOÀN BCVT VIỆT NAM
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
-------
NGUYỄN QUANG HƯNG
XỬ LÝ ANTEN MẢNG THEO KHÔNG GIAN-THỜI GIAN
TRONG THÔNG TIN VÔ TUYẾN DI ĐỘNG
Chuyên Ngành: Mạng và kênh thông tin liên lạc
Mã số:2.07.14
LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. TS. Đặng Đình Lâm
2. TS. Chu Ngọc Anh
HÀ NỘI - 2006
-ii-
Lời Cam Đoan
Tôi xin cam đoan đây là công trình
nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết
quả nêu trong bản luận án là trung thực và
chưa từng được ai công bố ở đâu và trong
bất kỳ công trình nào khác.
Tác giả
Nguyễn Quang Hưng
-iii-
Lời Cảm Ơn!
Tôi xin bày tỏ lời biết ơn sâu sắc tới TS. Đặng Đình Lâm và TS. Chu
Ngọc Anh đã tận tình hướng dẫn trong suốt quá trình làm luận án. Đặc biệt,
sự chỉ bảo tận tình và sự tạo điều kiện thuận lợi trong các hoạt động nghiên
cứu khoa học của TS. Đặng Đình Lâm có ý nghĩa vô cùng to lớn để tôi có thể
hoàn thành được luận án này. Tôi cũng xin cảm ơn PGS. TS. Nguyễn Minh
Dân vì những chỉ dẫn, định hướng quan trọng ngay từ khi xây dựng đề cương
nghiên cứu.
Các kết quả mang tính thực tiễn cao có được là nhờ sự giúp đỡ tạo điều
kiện nghiên cứu tại các phòng thí nghiệm ở Hàn Quốc của TS. Phùng Văn
Vận, TS. Nguyễn Kim Lan, TSKH. Nguyễn Ngọc San. Tôi cũng không thể
không cảm ơn TS. Seung Chan Bang, TS. Byung Han Ryu và các bạn đồng
nghiệp Won Ik Kim, Il Guy Kim tại Phòng thí nghiệm thông tin di động-Viện
nghiên cứu Điện tử Viễn thông Hàn Quốc (ETRI) vì những giúp đỡ quí báu
trong thời gian tôi thực tập tại đây. Xin cảm ơn Won ok Kwon- người bạn
luôn có cảm tình đặc biệt với Việt Nam và vẫn liên tục giữ liên lạc với tôi
trong mấy năm qua qua việc cung cấp tài liệu, trao đổi những thông tin về
những phát triển khoa học công nghệ mới nhất trong lĩnh vực liên quan tại
Viện ETRI.
Cảm ơn TS. Danie van Wyk-Đại học Tổng hợp Nam Phi đã hỗ trợ để tôi
có thể phát triển phần mềm mô phỏng hệ thống W-CDMA từ phiên bản tuân
theo tiêu chuẩn cũ của ông. Bên cạnh đó, sự sẵn sàng trao đổi, giúp đỡ của
GS.TS. Hak Lim Ho- Đại học Tổng hợp Chon-An, Hàn Quốc cũng đã giúp tôi
định hướng một cách rõ ràng hơn trong nghiên cứu.
Cuối cùng, tôi xin cảm ơn bố mẹ, tất cả gia đình, bạn bè, người thân đã
trực tiếp hay gián tiếp giúp đỡ, chia sẻ, động viên tôi rất nhiều để có thể hoàn
thành bản luận án này.
-iv-
Mục Lục
Chữ Viết Tắt .......................................................................................... vii
Mục lục Hình vẽ.....................................................................................ix
Mục lục Bảng biểu................................................................................xii
Mở Đầu....................................................................................................1
Chương 1. Tổng quan vấn đề nghiên cứu .............................................4
1.1.
Sơ lược về quá trình phát triển kỹ thuật xử lý tín hiệu mảng ...... 4
1.1.1.
Sự phát triển của kỹ thuật anten: ...................................................................................4
1.1.2.
Tín hiệu trong miền thời gian, không gian ....................................................................6
1.2.
Xử lý không gian-thời gian trong thông tin di động ...................... 9
1.2.1.
Mô hình hệ thống không gian-thời gian ........................................................................9
1.2.2.
Môi trường thông tin di động ......................................................................................14
1.2.3.
Mô hình và đánh giá kênh không gian-thời gian.........................................................21
1.2.4.
Ưu, nhược điểm của kỹ thuật xử lý không gian-thời gian...........................................23
1.3.
Phân loại anten ................................................................................ 25
1.4.
Đặt vấn đề nghiên cứu..................................................................... 27
Chương 2. Kỹ thuật xử lý đối với anten mảng ..................................... 31
2.1.
Kỹ thuật phân tập............................................................................ 31
2.1.1.
Kết hợp tỉ lệ cực đại ....................................................................................................36
2.1.2.
Tăng ích phân tập ........................................................................................................41
2.1.3.
Tăng ích anten .............................................................................................................42
2.1.4.
Ảnh hưởng của tương quan nhánh ..............................................................................43
2.2.
Kỹ thuật tạo búp sóng ..................................................................... 47
2.2.1.
Chuyển búp sóng .........................................................................................................47
2.2.2.
Tạo búp sóng thích nghi ..............................................................................................50
2.2.3.
Các thuật toán thích nghi.............................................................................................55
-v-
2.3.
Thuật toán tạo búp thích nghi có hỗ trợ của kênh hoa tiêu cho
đường lên DS-CDMA ................................................................................ 59
2.3.1.
Anten thông minh cho DS-CDMA..............................................................................59
2.3.2.
Mô hình tín hiệu ..........................................................................................................61
2.3.3.
Kết hợp theo không gian ở máy thu trạm gốc .............................................................64
2.4.
Tổng kết chương .............................................................................. 67
Chương 3. Hiệu quả về dung lượng của anten thông minh đối với hệ
thống GSM ............................................................................................ 68
3.1.
Đánh giá hiệu quả về dung lượng khi sử dụng anten thông minh
chuyển búp sóng......................................................................................... 68
3.2.
Kết quả tính số ................................................................................. 72
3.2.1.
Hiệu quả về dung lượng với hệ thống AMPS ............................................................72
3.2.2.
Hiệu quả về dung lượng đối với hệ thống GSM ........................................................74
3.2.3.
Đề xuất mẫu tái sử dụng tần số cho mạng GSM ở Việt Nam khi sử dụng anten thông
minh
.....................................................................................................................................76
3.3.
Ảnh hưởng của pha-đinh và che khuất tới việc tái sử dụng tần số
........................................................................................................... 77
3.3.1.
Ảnh hưởng của sự che khuất .......................................................................................82
3.3.2.
Các vùng nhiễu............................................................................................................83
3.3.3.
Đánh giá ảnh hưởng của các nguồn nhiễu đồng kênh trong thực tế............................85
3.4.
Hiệu quả về dung lượng của anten chuyển búp sóng với ảnh
hưởng của che khuất và pha-đinh............................................................ 90
3.5.
Tổng kết chương .............................................................................. 94
Chương 4. Phối hợp kỹ thuật tạo búp và phân tập cho hệ thống WCDMA.................................................................................................... 96
4.1.
Hệ thống W-CDMA......................................................................... 96
4.1.1.
Các đặc tính chủ yếu của W-CDMA...........................................................................97
-vi-
4.1.2.
Kênh vật lý đường lên .................................................................................................98
4.1.3.
Kênh vật lý đường xuống ..........................................................................................100
4.1.4.
Môi trường mô phỏng W-CDMA .............................................................................102
4.2.
Phối hợp kỹ thuật tạo búp sóng và phân tập cho hệ thống W-
CDMA ....................................................................................................... 107
4.2.1.
Chỉ tiêu kỹ thuật tạo búp sóng...................................................................................107
4.2.2.
Chỉ tiêu kỹ thuật phân tập thu ...................................................................................112
4.2.3.
Đề xuất phối hợp kỹ thuật tạo búp và phân tập cho hệ thống W-CDMA .................115
4.3.
Kết quả mô phỏng ......................................................................... 117
4.4.
Đo kiểm hệ thống thử nghiệm anten thông minh cho W-CDMA
119
4.4.1.
Giới thiệu hệ thống thử nghiệm.................................................................................119
4.4.2.
Anten mảng thông minh ............................................................................................120
4.4.3.
Cấu hình hệ thống và điều kiện đo ............................................................................122
4.4.4.
Kết quả đo kiểm trên hệ thống thử nghiệm ...............................................................129
4.5.
Xử lý kết quả đo kiểm và so sánh với kết quả mô phỏng .......... 131
4.6.
Tổng kết chương ............................................................................ 133
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ........................................... 134
Kết luận..................................................................................................... 134
Hướng phát triển tiếp theo: .................................................................... 135
Bài báo, Công trình đã công bố.......................................................... 136
Tài liệu tham khảo .............................................................................. 138
Tiếng Việt.................................................................................................. 138
Tiếng Anh ................................................................................................. 139
-vii-
Chữ Viết Tắt
Tiếng Anh
Tiếng Việt
ABF
Adaptive beam-forming
Tạo búp sóng thích nghi
AMPS
Advanced Mobile Phone System
Hệ thống điện thoại di động AMPS
AWGN
Additive White Gaussian Noise
Tạp Gauss Trắng Cộng
BER
Bit Error Rate
Tỉ lệ Lỗi Bít
BLER
Block Error Rate
Tỉ lệ lỗi khối
BPSK
Binary Phase Shift Keying
Khoá Chuyển Pha Nhị phân
cdf
Cumulative Distribution Function
Hàm Phân bố Tích luỹ
CIR
Carrier-to-Interference Ratio
Tỉ số công suất sóng mang trên
nhiễu
CNR
Carrier-to-Noise Ratio
Tỉ số công suất sóng mang trên tạp
DIV
Diversity
Phân tập
DPCH
Dedicated Physical Channel
Kênh vật lý dành riêng
DPCCH
Dedicated Physical Control Channel
Kênh điều khiển vật lý dành riêng
DPDCH
Dedicated Physical Data Channel
Kênh dữ liệu vật lý dành riêng
DS
Direct Sequence
Chuỗi trải phổ trực tiếp
FDD
Frequency Division Duplex
Song công phân tần
GSM
Global System for Mobile
Hệ thống thông tin di động toàn cầu
Communications
GSM
LMS
Least Mean Square
Trung bình Bình phương Nhỏ nhất
LOS
Line Of Sight
Nhìn thẳng
MIMO
Multiple-Input Multiple-Output
Nhiều đầu vào Nhiều đầu ra
MRC
Maximum Ratio Combiner
Bộ kết hợp Tỉ lệ Cực đại
pdf
probability density function
Hàm mật độ xác suất
RF
Radio Frequency
Cao tần / Tần số vô tuyến
rms
Root Mean Square
Căn Trung bình Bình phương (Căn
quân phương)
SIR
Signal-to-Interference Ratio
Tỉ số tín hiệu trên nhiễu
SIRtarget
Signal-to-Interference Ratio Target
Tỉ số tín hiệu trên nhiễu đích (được
-viii-
đặt trước trong phép đo)
SNR
Signal-to-Noise Ratio
Tỉ số tín hiệu trên tạp
TCP
Trasmission Control Protocol
Giao thức điều khiển truyền
TDD
Time Division Duplex
Song công phân thời
TDMA
Time Division Multiple Access
Đa truy nhập phân thời
TDTD
Time Division Transmit Diversity
Phân tập phát theo thời gian
UE
User Equipment
Thiết bị đầu cuối
UMTS
Universal Mobile
Hệ thống thông tin di động UMTS
Telecommunications System
3G sử dụng W-CDMA
Wideband Code Division Multiple
CDMA băng rộng
W-CDMA
Access
-ix-
Mục lục Hình vẽ
Hình
Hình 1.1. Tín hiệu trong không gian
Hình 1.2. Mô hình hệ thống thông tin với N phần tử phát và M phần tử
Trang
8
11
thu trong môi trường tán xạ.
Hình 1.3. Phân loại kỹ thuật xử lý không gian-thời gian và anten thông
14
minh
Hình 1.4. Phân loại anten thông minh
27
Hình 2.1. Anten mảng phân tập M phần tử
34
Hình 2.2. Hàm phân bố tích luỹ của γs so với γs/Г cho kỹ thuật kết hợp tỉ
40
lệ cực đại.
Hình 2.3. BER so với ‹γ› = MГ khi M thay đổi
42
Hình 2.4. Hai phần tử với các tín hiệu tương quan
45
Hình 2.5. Ảnh hưởng của tương quan nhánh lên phân bố công suất đầu ra
46
ở bộ kết hợp tỉ lệ cực đại phân tập kép.
Hình 2.6. BER so với ‹γ› (dB) của bộ kết hợp tỉ lệ cực đại 2 nhánh có pha-
47
đinh tương quan
Hình 2.7. Anten mảng thích nghi
53
Hình 3.1. Mẫu tái sử dụng tần số trong thông tin di động
69
Hình 3.2. Tăng dung lượng bằng anten chuyển búp sóng cho nhà khai thác
73
AMPS có băng thông 12,5 MHz, hệ số tái sử dụng N=7.
Hình 3.3. Tăng dung lượng bằng anten chuyển búp sóng cho nhà khai thác
74
AMPS có băng thông 12,5 MHz, hệ số tái sử dụng N=4.
Hình 3.4. Tăng dung lượng bằng anten chuyển búp sóng cho nhà khai thác
75
GSM có băng thông 8 MHz, hệ số tái sử dụng N=4.
Hình 3.5. Tăng dung lượng bằng anten chuyển búp sóng cho nhà khai thác
GSM có băng thông 12,5 MHz, hệ số tái sử dụng N=4.
75
-x-
Hình 3.6. Thay đổi CIR khi hệ số tái sử dụng tần số giảm từ 4 xuống 1
76
(__: N=4, -x-: N=3, -o-: N=1)
Hình 3.7. Tăng dung lượng bằng anten chuyển búp sóng cho nhà khai
77
thác GSM có băng thông 8 MHz, hệ số tái sử dụng N=3.
Hình 3.8. Tăng dung lượng bằng anten chuyển búp sóng cho nhà khai thác
77
GSM có băng thông 12,5 MHz, hệ số tái sử dụng N=3.
Hình 3.9. Vùng có nhiễu và không nhiễu (a) không có pha-đinh (b) có
80
pha-đinh và che khuất.
Hình 3.10. Xác suất mất liên lạc khi có pha-đinh và che khuất
82
Hình 3.11. Ranh giới vùng nhiễu với các xác suất nhiễu khác nhau khi có
84
pha-đinh và che khuất
Hình 3.12. Xác suất nhiễu đồng kênh, với i cho trước, theo Zd.
89
Hình 3.13. Chỉ ra một điểm của xác suất rớt cuội gọi với sáu ô đồng kênh
92
cho m=1,6 và 12 búp và σ d =6 và 12 dB.
Hình 3.14. Đồ thị biểu diễn Zd (hình trái) và Ne theo m (hình phải)
92
(với ζ=0,7, n=4,5, Pout=1%, σd=6dB, qd=22 dB)
Hình 3.15. Hàm hiệu suất phổ tương đối theo số búp sóng
94
(với ζ=0,7, n=4,5, Pout=1%, σd=6dB, qd=22 dB)
Hình 4.1. Cấu trúc khung của kênh DPDCH/DPCCH đường lên
99
Hình 4.2. Cấu trúc khung của kênh DPCH đường xuống
102
Hình 4.3. Sơ đồ khối tổng thể đường lên
103
Hình 4.4. Sơ đồ khối tổng thể đường xuống
104
Hình 4.5. Giao diện chính của phần mềm mô phỏng
105
Hình 4.6. Giao diện để thiết lập các tham số mô phỏng
106
Hình 4.7. Kết quả mô phỏng đối với phân tập MD = 4 anten, hệ thống tạo
118
búp MB = 4 anten và hệ thống phối hợp cả phân tập và tạo búp ở môi
trường không nhìn thẳng
Hình 4.8. Cấu hình hệ thống anten thông minh
120
Hình 4.9. Anten mảng
121
-xi-
Hình 4.10. Hệ thống anten thông minh thử nghiệm tại Viện Nghiên cứu
123
ETRI
124
Hình 4.11. Cấu hình hệ thống anten thông minh cho W-CDMA sử dụng
trong đo kiểm
125
Hình 4.12. Cạc kênh của bộ tạo búp sóng thích nghi (hỗ trợ 3 séc-tơ x 8
anten)
128
Hình 4.13. Mẫu búp sóng cố định đường xuống
129
Hình 4.14. Dạng búp sóng đường xuống (chuyển mạch búp sóng) và
đường lên (búp sóng thích nghi)
130
Hình 4.15. Kết quả đo kiểm SNR trên Testbed theo giá trị SIRtarget đặt
trước
130
Hình 4.16. Kết quả đo kiểm BLER cho ABF 8-anten và DIV 2-anten
132
Hình 4.17. Tỉ lệ lỗi bít BER đo được với ABF 8-anten và DIV 2-anten
-xii-
Mục lục Bảng biểu
Bảng
Bảng 4.1. Các chỉ tiêu kỹ thuật chính của W-CDMA
Bảng 4.2. Các tham số đầu vào để đánh giá chỉ tiêu BER
Trang
97
117
-1-
Mở Đầu
Các hệ thống thông tin di động đang phát triển bùng nổ trên thế giới và
cả ở Việt Nam. Trước yêu cầu ngày càng cao của người sử dụng dịch vụ
thông tin di động về chất lượng, dung lượng và tính đa dạng của dịch vụ và
đặc biệt là các dịch vụ truyền dữ liệu tốc độ cao và đa phương tiện, việc
nghiên cứu, ứng dụng các công nghệ và kỹ thuật tiên tiến đáp ứng nhu cầu
này luôn là một đòi hỏi cấp thiết.
Một trong số các kỹ thuật để có thể giúp cải thiện đáng kể chỉ tiêu và
dụng lượng của hệ thống đang được tập trung nghiên cứu trên thế giới trong
thời gian gần đây là kỹ thuật xử lý không gian-thời gian. Kỹ thuật này cho
phép sử dụng tối đa hiệu quả phổ tần cho hệ thống thông tin vô tuyến nói
chung và hệ thống thông tin di động tổ ong nói riêng. Nhờ sử dụng nhiều
phần tử anten, kỹ thuật này cho phép tối ưu hoá quá trình thu hoặc phát tín
hiệu bằng cách xử lý theo cả hai miền không gian và miền thời gian tại máy
thu phát.[16,17,19, 28, 36]
Việc tiếp tục nghiên cứu phát triển kỹ thuật này để tiến tới có được các
sản phẩm hữu dụng có chỉ tiêu chất lượng cao, đồng thời phù hợp với khả
năng xử lý, tính toán của các thiết bị hiện có cũng như ứng dụng nó vào trong
các hệ thống thông tin di động hiện có một cách hiệu quả thực sự là vấn đề
cấp thiết. Việc thực hiện tốt những nghiên cứu này sẽ mang lại hiệu quả rất to
lớn về dung lượng cũng như hiện thực hoá khả năng truyền dữ liệu tốc độ cao
cho các hệ thống thông tin di động như GSM hay CDMA hiện tại cũng như
các hệ thống thông tin di động thế hệ mới.
Mục tiêu của luận án là nghiên cứu kỹ thuật xử lý không-gian thời gian
bằng anten thông minh cho thông tin di động với các trường hợp cụ thể anten
thông minh cho mạng GSM ở Việt Nam và các hệ thống CDMA.
-2-
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án là tập trung giải quyết
những vấn đề sau:
- Nghiên cứu thuật toán tạo búp thích nghi có độ phức tạp tính toán thấp
nhưng tốc độ hội tụ cao để phù hợp với khả năng của thiết bị thực tế.
- Đánh giá hiệu quả của việc sử dụng anten thông minh trong hệ thống GSM
có tính đến các điều kiện cụ thể của hệ thống GSM ở Việt Nam để đề xuất
phương án ứng dụng, triển khai nhằm sử dụng tài nguyên một cách hiệu
quả, có xem xét, đánh giá ảnh hưởng của pha-đinh và che khuất.
- Nghiên cứu kỹ thuật nâng cao chỉ tiêu cho hệ thống anten thông minh cho
W-CDMA, hệ thống thông tin di động thế hệ 3 IMT-2000.
Phương pháp nghiên cứu được thực hiện là nghiên cứu lý thuyết kết hợp
với mô phỏng bằng chương trình máy tính để đánh giá kết quả: Với hệ thống
GSM, có tính đến các tham số và điều kiện đặc thù của mạng lưới hiện đang
triển khai ở Việt Nam; Với đề xuất cho hệ thống W-CDMA, kết quả đo kiểm
thực hiện trên hệ thống thử nghiệm được sử dụng để đánh giá độ tin cậy.
Nội dung luận án bao gồm 4 Chương. Sau phần Mở đầu, Chương 1 trình
bày tổng quan về kỹ thuật xử lý mảng theo không gian-thời gian và đặt vấn đề
nghiên cứu. Chương 2 đi sâu vào phân tích các anten mảng nhiều phần tử
được sử dụng trong thông tin di động với hai kỹ thuật phân tập và tạo búp.
Chương này cũng đã đề xuất sử dụng một thuật toán tạo búp thích nghi kết
hợp cả kênh hoa tiêu và lưu lượng cho hệ thống CDMA trải phổ trực tiếp.
Chương 3 đánh giá hiệu quả của việc sử dụng anten thông minh trong các hệ
thống thông tin di động tổ ong, đề xuất sử dụng cho hệ thống GSM ở Việt
Nam có xem xét đến ảnh hưởng của pha-đinh và che khuất. Trên cơ sở nhận
xét về những hạn chế của hệ thống anten thông minh thử nghiệm cho WCDMA, qua phân tích các đặc tính của kỹ thuật phân tập và tạo búp trong môi
trường pha-đinh và nhiễu đa truy nhập, Chương 4 đã đề xuất sử dụng kỹ
-3-
thuật phối hợp cho chép đạt được ưu điểm của cả hai kỹ thuật phân tập và tạo
búp cho hệ thống W-CDMA. Kết quả đo kiểm được thực hiện trên hệ thống
anten thông minh thử nghiệm cho W-CDMA tại Viện nghiên cứu Điện tử
Viễn thông Hàn Quốc (ETRI) để đánh giá độ tin cậy của phương án đề xuất.
Cuối cùng là phần kết luận và hướng phát triển tập trung vào những kết quả
mới đạt được của luận án.
-4-
Chương 1. Tổng quan vấn đề nghiên cứu
1.1. Sơ lược về quá trình phát triển kỹ thuật xử lý tín hiệu mảng
1.1.1. Sự phát triển của kỹ thuật anten:
Sóng vô tuyến được phát minh ra vào năm 1861 khi Maxell (Đại học
Hoàng Gia Luân đôn) đưa ra lý thuyết sóng điện từ. Hertz (Đại học
Karlsruhe) đã chứng minh sự tồn tại của sóng này bằng thực nghiệm vào năm
1887 bằng sóng đứng (tĩnh). Năm 1890 Branly (Paris) đã xây dựng một “bộ
nhất quán” có thể phát hiện sự có mặt của sóng điện từ bằng một cái chai thuỷ
tinh chứa kim loại. Bộ nhất quán này sau đó được tiếp tục phát triển bởi
Lodge (Anh). Mùa hè 1895, Marconi đã sử dụng máy phát của Hertz, bộ nhất
quán của Lodge và lắp thêm anten để tạo ra một máy phát vô tuyến đầu tiên...
Ứng dụng dân dụng đầu tiên của kỹ thuật vô tuyến là hệ thống điện thoại
vô tuyến 2MHz vào năm 1921 trong ngành Cảnh sát. Những hệ thông được
phát triển tiếp sau đó: FM (Armstrong-1933); Hệ thống thông tin của Bell ở
tần số 150MHz, hệ thống IMTS sử dụng FM của AT&T (1946); Khái niệm
celllular (mạng thông tin di động tổ ong) (Phòng thí nghiệm Bell-1947); Hệ
thống AMPS (1970); Vào những năm 1990s: các hệ thống thông tin đi tổ ong
GSM, IS-136 (TDMA), CDMA IS-95, 3G… ra đời và phát triển một cách
mạnh mẽ [34,36]. Kỹ thuật anten được sử dụng cho các hệ thống thông tin vô
tuyến cũng có sự phát triển như sau:
- 1880- tới những năm1890: Hertz, Marconi, Popov đã thiết kế được các
anten có tần số hoạt động và băng thông tốt hơn .
- Những năm 1900: anten định hướng được sử dụng đã cho phép liên lạc
qua biển Atlantic
- 1905: sử dụng nhiều anten cho phân tập thu.
-5-
- Thập kỷ 1920: Dàn anten Yagi-Uda được phát minh đã đem lại tăng ích và
băng thông tốt hơn.
- Chiến tranh thế giới thứ 2: Dàn anten được sử dụng cho rađa
- Thập kỷ 1970: Ứng dụng xử lý tín hiệu thích nghi ở máy thu vô tuyến để
cải thiện phân tập thu và triệt nhiễu bằng các bộ xử lý tín hiệu số trong
quân sự [29]. Việc sử dụng anten nhiều phần tử ở máy thu trong thông tin
vô tuyến mở ra một chiều mới trong xử lý tín hiệu (chiều không gian), cho
phép cải thiện chỉ tiêu hệ thống. Tuy nhiên, đến trước những năm 1990,
vấn đề được phát triển chủ yếu với anten mảng mới chỉ là kỹ thuật xử lý
riêng theo miền không gian (vd: xác định hướng tới) [16].
- Thập kỷ 1990: Kỹ thuật thu không gian-thời gian (kết hợp cả miền không
gian và thời gian) [29, 38]
+ 1996: Anten nhiều phần tử được sử dụng ở trạm gốc để hỗ trợ nhiều
người dùng trên cùng kênh
+ 1994: Đề xuất kỹ thuật tăng dung lượng kênh vô tuyến bằng cách sử
dụng anten nhiều phần tử ở cả máy phát và máy thu. Ý tưởng này tiếp
tục được phát triển 1995, 1996, 1998 -> bắt đầu một cuộc cách mạng về
lý thuyết truyền thông [25, 28].
- Từ những năm 2000: Kỹ thuật thu-phát không gian-thời gian được tập trung
nghiên cứu và phát triển [19, 20]
Có thể thấy rằng, kỹ thuật xử lý không gian-thời gian với mảng (dàn)
anten nhiều phần tử ở nhiều cấp độ phức tạp khác nhau đã được ứng dụng
trong quân sự từ khá lâu, nhưng do tính chất thay đổi liên tục của môi trường
truyền sóng thông tin di động trong khi khả năng xử lý theo thời gian thực của
máy thu phát còn nhiều hạn chế mà kỹ thuật này mới thực sự được nghiên cứu
ứng dụng trong các hệ thống thông tin di động trong thời gian gần đây [17,
29, 36, 38, 55]. Nhờ sử dụng nhiều phần tử anten kỹ thuật này cho phép tối ưu
-6-
hoá quá trình thu hoặc phát tín hiệu bằng cách dùng cả kỹ thuật xử lý tín hiệu
theo miền không gian và theo miền thời gian tại máy thu phát, nhờ đó cho
phép sử dụng tối đa hiệu quả phổ tần của mạng thông tin tổ ong [19].
1.1.2. Tín hiệu trong miền thời gian, không gian
1.1.2.1. Biểu diễn tín hiệu theo thời gian
Tín hiệu thực s(t) có biến đổi Fourier là S(f). Phép biến đổi Fourier này
thoả mãn biểu thức đối xứng sau:
S(f) = SH(-f)
(1.1)
Nếu nói tín hiệu là thực, nghĩa là ta chỉ xét các tần số dương. Gọi z(t) là
đường bao phức của tín hiệu thực s(t), và Z(f) là biến đổi Fourier của z(t)[16].
Đường bao phức cho tần số fc nào đó (tần số sóng mang) được xác định trong
miền Fourier là:
Z(f-fc) = 2u(f)S(f)
(1.2)
1 f ≥ 0
0 f < 0
trong đó hàm bước đơn vị được định nghĩa là: u ( f ) =
Tín hiệu s(t) là thực và có phổ bằng:
S( f ) =
1
1
Z ( f − f c ) + Z H (− f − f c )
2
2
(1.3)
Tín hiệu thực s(t) có thể viết là:
{
s (t ) = Re z (t )e j 2πf c t
}
(1.4)
Ký hiệu phần thực và phần ảo của z(t) tương ứng là x(t) và y(t),
z(t) = x(t) + jy(t)
(1.5)
Kết hợp với phương trình (1.4) ta có:
s(t) = x(t)cos2πfct - y(t)sin2πfct
(1.6)
1.1.2.2. Biểu diễn tín hiệu theo không gian-thời gian
Tín hiệu có thêm chiều không gian (không gian-thời gian) được biểu diễn
[27, 38]:
-7-
s(t,x,y,z) = s(t,r)
(1.7)
trong đó r biểu diễn 3 biến không gian (x,y,z)
Trong hệ toạ độ cầu:
x = rsinφcosθ, y = rsinφsinθ, z = rcosθ,
r = x2 + y2 + z2 ,
x
2
x +y
z
φ=cos-1 2 2 2
x +y +z
θ=cos-1
(1.8)
2
z
φ
r
y
θ
x
Hình 1.1. Tín hiệu trong không gian
Với hệ có m phần tử anten: tín hiệu theo không gian-thời gian có thể
viết bằng tổng các tính hiệu thành phần như sau:
m
s(t,r)= ∑ s(t , rk )
(1.9)
k =1
1.1.2.3. Các kỹ thuật xử lý tín hiệu
Với những biểu diễn tín hiệu như trình bày ở trên rõ ràng là ngoài kỹ
thuật xử lý tín hiệu theo thời gian kinh điển, tín hiệu có thể được xử lý theo
chiều không gian, hoặc cả không gian và thời gian. [16]
Kỹ thuật xử lý chỉ theo miền không gian được dùng để đánh giá tín hiệu,
ví dụ như các đáp ứng máy thu và tần số theo không gian, hướng tới (phương
pháp hợp lý cực đại - ML (1964), phân loại nhiều tín hiệu - MUSIC (1980),
- Xem thêm -