Luận án Nghiên cứu và xây dựng mô hình sử dụng kết hợp kỹ thuật anten thông minh vào hệ thống thông tin di động

Nội dung tài liệu: Luận án Nghiên cứu và xây dựng mô hình sử dụng kết hợp kỹ thuật anten thông minh vào hệ thống thông tin di động

1. LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả trong luận án là trung thực và chưa từng được công bố ở đâu và trong bất cứ công trình nào khác. Tác giả 1
2. LỜI CẢM ƠN Trước tiên tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới hai Thầy hướng dẫn là GS.TSKH Phan Anh và PGS.TS Trịnh Anh Vũ, đã hướng dẫn và giúp đỡ tôi về hướng nghiên cứu và phương pháp làm việc khoa học trong suốt quá trình làm luận án. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến các Giáo sư Huỳnh Hữu Tuệ, Paul Fortier, Dominic Grenier của Ðại Học Laval, Canada giúp đỡ tôi về chuyên môn trong suốt hai năm nghiên cứu tại Ðại Học Laval, Canada. Nhân dịp này tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đối với tập thể cán bộ Phòng Ðào tạo, Khoa Ðiện tử-Viễn thông, Bộ môn Thông tin Vô tuyến và Trung tâm Nghiên cứu Ðiện tử-Viễn thông của Trường Ðại Học Công Nghệ (ÐHQGHN) đã tạo điều kiện và động viên tôi trong thời gian làm luận án. Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn gia đình: Bố, Mẹ, Chị Tâm, Chị Diệp, đã luôn hỗ trợ, động viên và chia sẻ với tôi. Luận án này xin dành cho họ. 2
3. MỤC LỤC Trang phụ bìa Lời cam đoan i Mục lục iii Danh mục các chữ viết tắt vi Danh mục các bảng viii Danh mục các hình vẽ đồ thị ix MỞ ĐẦU 1 Chương 1. MỘT SỐ KỸ THUẬT CHO HỆ THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ MỚI 9 1.1 Quy hoạch tần số và dung lượng hệ thống 9 1.2 Bóng che Lognormal 10 1.3 Kỹ thuật OFDM 13 1.4 Kỹ thuật MIMO 18 1.4.1 Giới thiệu hệ thống MIMO 18 1.4.2 Mô hình hệ thống MIMO 19 1.4.3 Dung năng của hệ thống MIMO 22 1.4.4 Dung năng một kênh MIMO 2x2 27 1.5 Kỹ thuật SDMA 28 1.6 Anten thông minh cho OFDM 29 1.7 Kết luận 30 Chương 2. TẠO BÚP SÓNG TRONG HỆ ANTEN THÔNG MINH 31 2.1 Các sơ đồ xử lý phần tử búp sóng 31 2.1.1 Sơ đồ tạo búp sóng truyền thống 33 2.1.2 Sơ đồ tạo búp không 34 2.1.3 Sơ đồ tạo búp tối ưu 34 2.1.3.1 Tối ưu không ràng buộc về hướng các nguồn nhiễu 34 2.1.3.2 Tối ưu ràng buộc 35 2.1.4 Sơ đồ tạo búp tối ưu dùng tín hiệu đối chiếu 35 2.2 Các sơ đồ xử lý không gian búp sóng 36 2.2.1 Xử lý không gian búp sóng tối ưu 38 2.2.2 Sơ đồ loại bỏ búp phụ 38 2.2.3 Sơ đồ loại bỏ nhiễu sau tạo búp (PIC) 39 2.2.3.1 Sơ đồ loại bỏ nhiễu sau tạo búp với tạo búp nhiễu truyền thống 40 (CIB) 2.2.3.2 Sơ đồ loại bỏ nhiễu sau tạo búp với tạo búp nhiễu trực giao 40 (OIB) 2.2.3.3 Sơ đồ loại bỏ nhiễu sau tạo búp với tạo búp nhiễu cải tiến (IIB) 41 3
4. 2.3 So sánh các sơ đồ loại bỏ nhiễu sau tạo búp với các sơ đồ xử lý phần tử búp sóng 41 2.4 Anten thích nghi 42 2.4.1 Bộ lọc thích nghi băng hẹp 43 2.4.2 Thuật toán chọn đường theo hướng dốc nhất 44 2.4.3 Thuật toán trung bình bình phương tối thiểu 44 2.4.4 Bộ lọc thích nghi băng rộng 46 2.5 Dàn anten đề nghị 47 2.6 Phương pháp quay búp thích nghi 49 2.7 Kết luận 50 Chương 3. XÁC ĐỊNH HƯỚNG SÓNG ĐẾN DÙNG DÀN ANTEN KHÔNG TÂM PHA 3.1 Phương pháp MLE 52 3.2 Phương pháp MUSIC 54 3.3 Một số mô phỏng để minh họa hoạt động và đánh giá chất lượng của phương pháp MUSIC dùng dàn anten tuyến tính L phần tử 55 3.4 Phương pháp ESPRIT 59 3.5 Anten không tâm pha 61 3.5.1 Các khái niệm 61 3.5.2 Mối quan hệ giữa phân bố dài và đặc tính pha 62 3.5.3 Điều kiện cho anten có một tâm pha 62 3.5.4. Mở rộng điều kiện của anten có tâm pha cho một dàn anten 63 3.5.5 Phân tích dàn anten không tâm pha với đặc tính pha phi tuyến 63 3.6 Kết hợp dùng dàn anten không tâm pha và thuật toán MUSIC 65 3.7 Một số mô phỏng để đánh giá chất lượng của dàn anten không tâm pha dùng phương pháp MUSIC 69 3.8 Kết luận 73 Chương 4. ANTEN THÔNG MINH DÙNG CHO HỆ THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ MỚI 74 4.1 Anten thông minh ở trạm gốc 74 4.1.1Anten ở trạm gốc truyền thống 74 4.1.2 Anten thông minh ở trạm gốc 75 4.1.2.1 Anten thu và phát 75 4.1.2.2 Hệ anten tìm hướng của trạm gốc 78 4.1.2.3 Các tham số hệ thống 78 4.2 Anten thông minh của người dùng 79 4.3 Các hệ thống cụ thể và mô phỏng 79 4.3.1 Hệ thống hiện dùng cải tiến hỗ trợ OFDM (hệ thống 1) 79 4.3.2 Hệ thống hiện dùng cải tiến hỗ trợ OFDM và tạo búp sóng thích 80 nghi theo hướng người dùng (hệ thống 2) 4
5. 4.3.2.1 Các tính toán dung lượng cho đường lên hệ thống 2 80 4.3.2.2 Các tính toán dung lượng cho đường xuống hệ thống 2 90 4.3.3 Hệ thống hiện dùng cải tiến hỗ trợ OFDM và MIMO 2x2 (hệ 95 thống 3) 4.3.4 Hệ thống hiện dùng cải tiến hỗ trợ OFDM và MIMO 2x2 kết hợp 95 tạo búp sóng thích nghi (hệ thống 4) 4.4 Kết luận 97 KẾT LỤẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 99 DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 100 TÀI LIỆU THAM KHẢO 101 5
6. DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT AF Adaptive Filtering Lọc thích nghi AF Array Factor Hệ số dàn anten BLAST Bell Laboratories Layered Space Sản phẩm MIMO của Time phòng thí nghiêm Bell, Mĩ BPSK Binary Phase Shift Keying Khóa dịch pha nhị phân BTS Base Transceiver Station Trạm gốc CCI Co-channel Interference Nhiễu đồng kênh CDMA Code Division Multiple Access Đa truy cập theo mã CIB Conventional Interference Bộ tạo búp loại bỏ nhiễu Beamformer truyền thống CP Cyclic Prefix Tiền tố lặp DOA Direction of Arrival Hướng sóng đến DS-CDMA Direct Sequence CDMA Trải phổ chuỗi trực tiếp ESPRIT Estimation of Signal Parameters Ước lượng các tham số via Rotational Invariance của tín hiệu bằng kỹ thuật Technique xoay bất biến FFT Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh GMSK Gaussian Minimum Shift Keying Khóa dịch pha tối thiểu Gauss GSM Global System for Mobile Mạng di động GSM Communications ICI Intercarrier Interference Nhiễu giữa các sóng mang IFFT Inverse Fast Fourier Transform Biến đổi ngược Fourier nhanh IIB Improved Interference Bộ tạo búp nhiễu cải tiến Beamformer ISI Intersymbol Interference Nhiễu xuyên ký tự LMS Least Mean Square Trung bình bình phương tối thiểu LTE Long Term Evolution Sự tiến hóa dài hạn MAI Multple Access Interference Nhiễu đa truy cập MIMO Multiple Input Multiple Output Nhiều đầu vào nhiều đầu ra MLE Maximum Likelihood Estimation Ước lượng theo hợp lệ cực đại MS Mobile Station Trạm di động MUSIC Multiple Signal Classification Phân loại nhiều tín hiệu 6
7. MVDR Minimum Variance Đáp ứng không méo Distortionless Response phương sai tối thiểu OFDM Orthogonal Frequency Division Ghép theo tần số trực giao Multiplexing OFDMA Orthogonal Frequency Division Đa truy cập theo tần số Multiple Access trực giao OIB Orthogonal Interference Bộ tạo búp nhiễu trực giao Beamformer PAPR Peak to Average Power Ratio Tỷ số công suất đỉnh trên trung bình PIC Postbeamformer Interference Bộ triệt nhiễu sau tạo búp Canceller sóng QPSK Quadrature Phase Shift Keying Khóa dịch pha cầu phương (4 trạng thái) SDMA Space Division Multiple Access Đa truy cập theo không gian SISO Single Input Single Output Một đầu vào một đầu ra SNR Signal to Noise Ratio Tỷ số tín trên tạp TDMA Time Division Multiple Access Đa truy cập theo thời gian W-CDMA Wideband-Code Division Đa truy cập theo mã- băng Multiple Access rộng WiMAX Worldwide Interoperability for Truy cập vi ba tương thích Microwave Access toàn cầu WLAN Wireless Local Area Network Mạng cục bộ vô tuyến 7
8. DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Hệ số suy giảm với các môi trường khác nhau 12 Bảng 4.1 Xác suất vị trí trung bình, trường hợp 1 87 Bảng 4.2 Xác suất vị trí trung bình, trường hợp 2 87 Bảng 4.3 Dung lượng đường lên hệ thống OFDM/SDMA dùng các loại anten khác nhau 90 Bảng 4.4 Dung lượng đường xuống hệ thống OFDM/SDMA dùng các loại anten khác nhau 94 8
9. DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Mẫu tái sử dụng tần số 3x3x1 với một tế bào trung tâm và lớp tế bào đầu tiên xung quanh nó 10 Hình 1.2 Sơ đồ khối hệ thống truyền dẫn OFDM 14 Hình 1.3 Băng thông của hệ thống OFDM 16 Hình 1.4 Sơ đồ khối một hệ MIMO 19 Hình 1.5 Sơ đồ kênh MIMO tương đương 1 24 Hình 1.6 Sơ đồ kênh MIMO tương đương 2 24 Hình 2.1 Hệ anten dàn 32 Hình 2.2 Sơ đồ xử lý không gian búp sóng 37 Hình 2.3 Anten thích nghi 42 Hình 2.4 Sơ đồ bộ lọc thích nghi băng rộng theo kiểu đường dây dẫn chậm phân đoạn 46 Hình 2.5 Dàn anten mảng pha điều khiển búp sóng 48 Hình 3.1 Phổ MUSIC với 6 nguồn tại các hướng 0o, 7o, 10o, 20o, 25o và 30o. 56 Hình 3.2 Độ lệch chuẩn hướng đến của nguồn thứ nhất theo sự thay đổi hướng đến của nguồn thứ hai. 58 Hình 3.3 Độ lệch chuẩn hướng đến của nguồn thứ nhất theo sự biến đổi của mức SNR 59 Hình 3.4 Đặc tính pha của anten không tâm pha với dd12 5 , 3 65 Hình 3.5 Đặc tính pha của phần tử thứ nhất  A () trong hệ tọa độ cực 66 Hình 3.6 Đặc tính pha của phần tử thứ hai B () trong hệ tọa độ cực 67 Hình 3.7 Phổ đối với nguồn tại 0.2, 1 và 2 radians trong mặt phẳng phương vị. Đường liền nét là với dàn anten tuyến tính và đường đứt nét là với dàn anten không tâm pha. Góc quay của anten không tâm pha là 0.1 và 0.5 radians. 70 Hình 3.8 Phổ của 3 nguồn tại 0.2, 1 và 2 radians trong mặt phẳng phương vị. Đường liền nét là với dàn anten tuyến tính và đường đứt nét là với dàn anten không tâm pha. Góc quay của anten không tâm pha là 0.5 và 0.8 radians. 71 Hình 4.1 Cấu trúc dàn anten BTS truyền thống 75 Hình 4.2 Cấu trúc dàn anten BTS mới 75 9
10. Hình 4.3 Cấu trúc thu phát song công dùng circulator 76 Hình 4.4 Sơ đồ khối anten thu của trạm gốc 77 Hình 4.5 Sơ đồ khối anten phát của người dùng 79 Hình 4.6 Sơ đồ khối phần thu trạm gốc dùng anten mảng pha L phần tử kết hợp với hệ thống OFDM/SDM 82 Hình 4.7 Xác suất vượt ngưỡng đường lên Hệ 2, trường hợp 1, N=2, 8, 16, 32, δ=30. 89 Hình 4.8 Xác suất vượt ngưỡng đường lên Hệ 2, trường hợp 2, N=2, 8, 16, 32, δ=30. 88 Hình 4.9 Xác suất vượt ngưỡng đường xuống Hệ 2, 99 trường hợp 1, N=2, 8, 16, 32, δ=30. Hình 4.10 Xác suất vượt ngưỡng đường xuống Hệ 2, trường hợp 2, N=2, 8, 16, 32, δ=30. 93 Hình 4.11Cấu trúc đường lên hệ MIMO 2x2-Adaptive-OFDM 96 10