hoangnhut2
02-04-2011, 00:31
Trong những năm gần đây, các hệ thống viễn thông không dây (Wireless) đã phát triển cực nhanh, tạo ra một cuộc cách mạng về khoa học kỹ thuật, nhằm đáp ứng nhu cầu, đòi hỏi ngày càng cao của người sử dụng về số lượng cũng như chất lượng trong các lĩnh vực công nghệ và khoa học
Các mạng viễn thông di động đang phát triển đến thế hệ mới, cung cấp cho người sử dụng các dịch vụ tích hợp tốc độ cao. Trong các mạng viễn thông này, giao thoa liên ký tự (ISI: inter-symbol interference) do fading đa đường và giao thoa xuyên kênh (CCI: co-channel interference) do tần số lặp lại là các nguyên nhân chính làm giảm chất lượng của hệ thống.
Trong các hệ thống truyền thông không dây hiện nay, các vấn đề đặt ra cần phải đáp ứng để tối ưu hóa hoạt động của hệ thống truyền thông là:
- Đạt tốc độ dữ liệu cao
- Loại bỏ các hiệu ứng đa đường (mutipath)
- Hoạt động tốt trong môi trường giao thoa mạnh (khả năng triệt nhiễu giao thoa tốt)
- Có khả năng hoạt động với SDMA (Space Division Multiple Access – có nghĩa là đa truy nhập phân chia không gian) nhằm sử dụng hiệu quả phổ radio.
- Truyền thông hiệu quả với các đầu cuối di động
Một trong những giải pháp nhằm đáp ứng được các yêu cầu đặt ra ở trên là khai thác hiệu quả chiều không gian bằng các Anten thông minh. Anten thông minh được xem là phương tiện thực hiện cải thiện đáng kể hiệu quả về phổ (spectral), đáp ứng chất lượng dịch vụ, khả năng đáp ứng cao và đồng thời giảm đáng kể giá thành khi lắp đặt các trạm thu/phát trong hệ thống truyền thông.
Anten thông minh đã được phát triển rất mạnh mẽ và được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống truyền thông chất lượng cao. Một trong những loại anten thông minh tối ưu đã được sử dụng rộng rãi và đạt hiệu quả cao là sử dụng dãy anten tạo vòng sóng thích nghi (ABAA: Adaptive Beamforming Array Antenna) trong các hệ thống không dây chất lượng cao do những đặc tính ưu việt sau đây:
+ Vòm sóng quét liên tục
+ Tạo ra hình dạng thích nghi cho các vòm sóng của anten.
Khai thác chiều của không gian là một công cụ hiệu quả nhằm tối ưu hoạt động của hệ thống truyền thông không dây. Một trong những kỹ thuật được sử dụng nhằm khai thác chiều của không gian là Đa truy cập phân chia theo không gian (SDMA). SDMA là một kỹ thuật mới, giúp cho việc cải thiện về dung lượng và chất lượng của các hệ thống truyền thông không dây. Nó dựa trên việc sử dụng các anten có khả năng lái các vòm sóng, kết hợp các mạng (network) tạo vòm sóng có thể điều khiển được. Đã có rất nhiều tiêu chuẩn do các tổ chức quốc tế quy định cho từng loại anten thông minh.
Tóm lại, việc phát triển anten thông minh và tạo ra các hệ thống anten ngày càng thông minh hơn sẽ quyết định đáng kể đến việc nâng cao chất lượng cũng như nâng cao năng lực cạnh tranh của các hệ thống truyền thông vô tuyến, đáp ứng được các nhu cầu đòi hỏi ngày càng cao của các dịch vụ truyền thông đa phương tiện.
PHẦN 1: LÝ THUYẾT TỔNG QUAN Trang
Chương 1: Tổng quan về SDMA và Anten thông minh 1
1.1. Đa Truy nhập phân chia theo không gian (SDMA) 1
1.2. Anten thông minh (Smart Antennas) 3
1.2.1. Khái niệm 3
1.2.2. Lịch sử phát triển của Anten 3
1.2.2.1. Anten vô hướng (Omnidirectional Antenna) 3
1.2.2.2 Anten định hướng (Directional Antenna) . 4
1.2.3. Các hệ thống Anten . 5
1.2.3.1. Các hệ thống anten hình quạt . 5
1.2.3.2. Các hệ thống phân tán 5
1.2.3.3. Anten thông minh . 7
1.3. Hệ thống anten thông minh (Smart Antenna System) . 7
1.3.1. Định nghĩa 7
1.3.2. Nguyên lý làm việc của Anten thông minh 8
1.3.3. Hệ thống Anten thông minh . 9
1.3.3.2. Phân loại Anten thông minh 11
1.3.3.3. Mô hình toán học Anten thông minh thích nghi 16
1.3.4. Những ưu điểm và ứng dụng chủ yếu hệ thống anten thông minh . 18
1.3.4.1. Ưu điểm 18
1.3.4.2. Phạm vi ứng dụng của Anten thông minh . 19
Chương 2: Thuật toán Beamforming thích nghi 20
2.1. Ưu điểm chính Anten thông minh thích nghi 20
2.1.1. Tăng phạm vi phủ sóng 20
2.1.2. Tăng dung lượng đáp ứng 22
2.1.3. Giảm và loại bỏ giao thoa . 22
2.1.4. Đa truy cập phân chia theo không gian 24
2.2. Dãy Anten thích nghi . 25
2.2.1. Các khái niệm cơ bản 25
2.2.2. Mô hình tín hiệu của dãy Anten . 26
2.2.3. Beamforming thích nghi 27
2.2.4. Các tiêu chuẩn tối ưu hóa hoạt động Beamforming thích nghi . 30
2.2.4.1. Cực tiểu sai số trung bình bình phương (MMSE) . 30
2.2.4.2. Cực đại tỷ số tín hiệu trên giao thoa cộng nhiễu (MSINR) 31
2.2.4.3. Cực đại Likelihood 33
2.2.4.4. Cực tiểu sự biến đổi (MV) 34
2.2.5. Các ưu điểm khi sử dụng các dãy Anten thích nghi 34
Chương 3: Giải thuật thích nghi . 38
3.1. Phân loại . 38
3.2. Các thuật toán thích nghi . 38
3.2.1. Giải thuật trung bình bình phương tối thiểu (LMS) 38
3.2.1.1. Tiêu chuẩn MMSE cho giải thuật LMS 38
3.2.1.2. Giải thuật LMS . 40
3.2.2. Nghịch đảo ma trận mẫu (SMI) . 42
3.2.3. Bình phương tối thiểu đệ quy (RLS) . 43
3.2.4. Một ứng dụng khác của giải thuật LMS . 44
PHẦN 2: MÔ PHỎNG
Chương 4: Mô phỏng giải thuật LMS 47
4.1. Giới thiệu Matlab . 47
4.2. Kết quả mô phỏng 48
4.2.1. Lưu đồ giải thuật LMS . 48
4.2.2. Giao diện của chương trình mô phỏng 49
4.2.3. Anten thích nghi trong trường hợp dãy thẳng 49
4.2.4. Anten thích nghi trong trường hợp dãy phẳng . 53
KẾT LUẬN . 57
Tài liệu tham khảo
Các mạng viễn thông di động đang phát triển đến thế hệ mới, cung cấp cho người sử dụng các dịch vụ tích hợp tốc độ cao. Trong các mạng viễn thông này, giao thoa liên ký tự (ISI: inter-symbol interference) do fading đa đường và giao thoa xuyên kênh (CCI: co-channel interference) do tần số lặp lại là các nguyên nhân chính làm giảm chất lượng của hệ thống.
Trong các hệ thống truyền thông không dây hiện nay, các vấn đề đặt ra cần phải đáp ứng để tối ưu hóa hoạt động của hệ thống truyền thông là:
- Đạt tốc độ dữ liệu cao
- Loại bỏ các hiệu ứng đa đường (mutipath)
- Hoạt động tốt trong môi trường giao thoa mạnh (khả năng triệt nhiễu giao thoa tốt)
- Có khả năng hoạt động với SDMA (Space Division Multiple Access – có nghĩa là đa truy nhập phân chia không gian) nhằm sử dụng hiệu quả phổ radio.
- Truyền thông hiệu quả với các đầu cuối di động
Một trong những giải pháp nhằm đáp ứng được các yêu cầu đặt ra ở trên là khai thác hiệu quả chiều không gian bằng các Anten thông minh. Anten thông minh được xem là phương tiện thực hiện cải thiện đáng kể hiệu quả về phổ (spectral), đáp ứng chất lượng dịch vụ, khả năng đáp ứng cao và đồng thời giảm đáng kể giá thành khi lắp đặt các trạm thu/phát trong hệ thống truyền thông.
Anten thông minh đã được phát triển rất mạnh mẽ và được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống truyền thông chất lượng cao. Một trong những loại anten thông minh tối ưu đã được sử dụng rộng rãi và đạt hiệu quả cao là sử dụng dãy anten tạo vòng sóng thích nghi (ABAA: Adaptive Beamforming Array Antenna) trong các hệ thống không dây chất lượng cao do những đặc tính ưu việt sau đây:
+ Vòm sóng quét liên tục
+ Tạo ra hình dạng thích nghi cho các vòm sóng của anten.
Khai thác chiều của không gian là một công cụ hiệu quả nhằm tối ưu hoạt động của hệ thống truyền thông không dây. Một trong những kỹ thuật được sử dụng nhằm khai thác chiều của không gian là Đa truy cập phân chia theo không gian (SDMA). SDMA là một kỹ thuật mới, giúp cho việc cải thiện về dung lượng và chất lượng của các hệ thống truyền thông không dây. Nó dựa trên việc sử dụng các anten có khả năng lái các vòm sóng, kết hợp các mạng (network) tạo vòm sóng có thể điều khiển được. Đã có rất nhiều tiêu chuẩn do các tổ chức quốc tế quy định cho từng loại anten thông minh.
Tóm lại, việc phát triển anten thông minh và tạo ra các hệ thống anten ngày càng thông minh hơn sẽ quyết định đáng kể đến việc nâng cao chất lượng cũng như nâng cao năng lực cạnh tranh của các hệ thống truyền thông vô tuyến, đáp ứng được các nhu cầu đòi hỏi ngày càng cao của các dịch vụ truyền thông đa phương tiện.
PHẦN 1: LÝ THUYẾT TỔNG QUAN Trang
Chương 1: Tổng quan về SDMA và Anten thông minh 1
1.1. Đa Truy nhập phân chia theo không gian (SDMA) 1
1.2. Anten thông minh (Smart Antennas) 3
1.2.1. Khái niệm 3
1.2.2. Lịch sử phát triển của Anten 3
1.2.2.1. Anten vô hướng (Omnidirectional Antenna) 3
1.2.2.2 Anten định hướng (Directional Antenna) . 4
1.2.3. Các hệ thống Anten . 5
1.2.3.1. Các hệ thống anten hình quạt . 5
1.2.3.2. Các hệ thống phân tán 5
1.2.3.3. Anten thông minh . 7
1.3. Hệ thống anten thông minh (Smart Antenna System) . 7
1.3.1. Định nghĩa 7
1.3.2. Nguyên lý làm việc của Anten thông minh 8
1.3.3. Hệ thống Anten thông minh . 9
1.3.3.2. Phân loại Anten thông minh 11
1.3.3.3. Mô hình toán học Anten thông minh thích nghi 16
1.3.4. Những ưu điểm và ứng dụng chủ yếu hệ thống anten thông minh . 18
1.3.4.1. Ưu điểm 18
1.3.4.2. Phạm vi ứng dụng của Anten thông minh . 19
Chương 2: Thuật toán Beamforming thích nghi 20
2.1. Ưu điểm chính Anten thông minh thích nghi 20
2.1.1. Tăng phạm vi phủ sóng 20
2.1.2. Tăng dung lượng đáp ứng 22
2.1.3. Giảm và loại bỏ giao thoa . 22
2.1.4. Đa truy cập phân chia theo không gian 24
2.2. Dãy Anten thích nghi . 25
2.2.1. Các khái niệm cơ bản 25
2.2.2. Mô hình tín hiệu của dãy Anten . 26
2.2.3. Beamforming thích nghi 27
2.2.4. Các tiêu chuẩn tối ưu hóa hoạt động Beamforming thích nghi . 30
2.2.4.1. Cực tiểu sai số trung bình bình phương (MMSE) . 30
2.2.4.2. Cực đại tỷ số tín hiệu trên giao thoa cộng nhiễu (MSINR) 31
2.2.4.3. Cực đại Likelihood 33
2.2.4.4. Cực tiểu sự biến đổi (MV) 34
2.2.5. Các ưu điểm khi sử dụng các dãy Anten thích nghi 34
Chương 3: Giải thuật thích nghi . 38
3.1. Phân loại . 38
3.2. Các thuật toán thích nghi . 38
3.2.1. Giải thuật trung bình bình phương tối thiểu (LMS) 38
3.2.1.1. Tiêu chuẩn MMSE cho giải thuật LMS 38
3.2.1.2. Giải thuật LMS . 40
3.2.2. Nghịch đảo ma trận mẫu (SMI) . 42
3.2.3. Bình phương tối thiểu đệ quy (RLS) . 43
3.2.4. Một ứng dụng khác của giải thuật LMS . 44
PHẦN 2: MÔ PHỎNG
Chương 4: Mô phỏng giải thuật LMS 47
4.1. Giới thiệu Matlab . 47
4.2. Kết quả mô phỏng 48
4.2.1. Lưu đồ giải thuật LMS . 48
4.2.2. Giao diện của chương trình mô phỏng 49
4.2.3. Anten thích nghi trong trường hợp dãy thẳng 49
4.2.4. Anten thích nghi trong trường hợp dãy phẳng . 53
KẾT LUẬN . 57
Tài liệu tham khảo