Hệ thống anten thông minh

Hệ thống anten thông minh <br /> Nguyễn Thanh Hiếu <br /> <br /> 1.    GIỚI THIỆU CHUNG <br /> Hệ thống anten thông minh là một hệ thống gồm nhiều phần tử anten kết hợp với khả <br /> năng xử lý tín hiệu để tối ưu hoá phát xạ và/hoặc thu nhận tự động đáp ứng với môi <br /> trường tín hiệu. Vậy anten đóng vai trò gì trong hệ thống thông tin? Câu trả lời là anten <br /> đóng vai trò là cổng truyền năng lượng tần số vô tuyến (RF) được ghép với bộ phát tới <br /> môi trường bên ngoài và ngược lại đến bộ thu từ môi trường bên ngoài. Anten là hệ thống <br /> bị  sao nhãng nhất trong các hệ  thống truyền thông cá nhân. Cách thức mà năng lượng <br /> được phát và thu từ không gian xung quanh có ảnh hướng lớn đến hiệu suất sử dụng phổ, <br /> chi phí thiết lập một mạng mới, và chất lượng dịch vụ do mạng cung cấp. <br /> Bài viết này giới thiệu các khái niệm cơ bản về các hệ thống anten thông minh và các đặc <br /> tính vượt trội quan trọng của thiết kế hệ thông anten thông minh so với các phương pháp <br /> vô hướng truyền thống. Những điểm khác biệt để phân biệt giữa các công nghệ khác <br /> nhau cũng được đề cập đến. Các công nghệ này bao gồm các anten phân tập đơn giản đến <br /> các hệ thống dàn anten thích nghi. Đồng thời bài báo cũng đề cập đến vấn đề truyền tín <br /> hiệu trong thông tin vô tuyến và cuối cùng là nêu những ứng dụng của hệ thống anten <br /> thông minh. <br /> 2.   Thuật ngữ về anten thông minh thích nghi <br /> Để hiểu rõ hệ thống anten thông minh làm việc, hãy nhắm mắt và tưởng tượng có  <br /> người đi quanh phòng. Bạn sẽ nhận thấy bạn có thể xác định vị trí của họ mà không nhìn  <br /> thấy họ bởi vì: <br /> •   Bạn nghe thấy tín hiệu của người nói qua hai tai, cảm giác âm thanh <br /> •   Giọng nói đến tai vào các thời điểm khác nhau <br /> •   Não của bạn, một bộ xử lý tín hiệu chuyên nghiệp, thực hiện rất nhiều tính toán và <br /> phối hợp thông tin tính ra vị trí người nói <br /> Não của bạn cũng thêm thông tin về cường độ tín hiệu từ hai tai nên bạn có thể cảm nhận <br /> được âm thanh theo một hướng đã chọn to hơn nhiều so với hướng khác. Các hệ thống <br /> anten thích nghi cũng thực hiện giống như vậy, sử dụng anten thay vì tai. Kết quả là 8, 10 <br /> hay 12 tai có thể được sự dụng để chỉnh và tăng tín hiệu thông tin. Vì anten thực hiện cả <br /> hai chức năng nghe và nói, nên hệ thống anten thích nghi có thể gửi tín hiệu ngược lại <br /> trên cùng hướng đã phát đi. Điều này có nghĩa là hệ thống anten không chỉ nghe được lớn <br /> hơn gấp 8, 10 hay 12 lần mà còn trả lời đáp lại to và trực tiếp hơn. Đi thêm một bước <br /> nữa, nếu có thêm người nói, hệ thống xử lý tín hiệu nội có thể  chỉnh các nhiễu không <br /> mong muốn và sau đó tập trung vào một cuộc nói chuyện tại một thời điểm. Do đó, các <br /> hệ thống dàn thích nghi nâng cao có khả năng tương tự phân biệt giữa các tín hiệu mong <br /> muốn và tín hiệu không mong muốn. <br /> 3.   Anten và các hệ thống anten <br /> Anten <br /> Anten vô tuyến nhân đôi năng lượng điện từ từ một môi trường (không gian) đến môi <br /> trường khác (ví dụ dây, cáp đồng trục, ống dẫn sóng). Thiết kế vật lý có thể thay đổi đáng <br /> kể. <br /> Anten vô hướng <br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 1 <br /> Từ khi xuất hiện truyền thông không dây, có anten đơn cực, phát và nhận như nhau trong <br /> mọi hướng. Để tìm được đối tượng sử dụng, phần tử này phát quảng bá theo mọi hướng <br /> <br /> với giản đồ giống hệt nhau. Môi trường tần số vô tuyến (RF) không biết về đối tượng sử <br /> <br /> dụng, phương pháp này tán xạ các tín hiệu, khi tới được đúng đối tượng sử dụng thì năng <br /> lượng tín hiệu chỉ bằng một phần nhỏ tổng năng lượng đã phát xạ vào môi trường. <br /> Sơ đồ Sơ đồ<br /> vùng phủ sóng vùng phủ sóng<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Anten Anten<br /> Nhìn ngang Nhìn từ trên xuống<br /> <br /> Hình 1. Anten vô hướng và vùng phủ của nó <br /> <br /> Vì hạn chế này, chiến lược thiết kế anten đơn hướng cố gắng vượt qua những <br /> thách thức của môi trường bằng cách đơn giản là nâng cao mức công suất của tín hiệu  <br /> phát quảng bá. Trong một số lượng lớn các đối tượng sử dụng (và nhiễu), nó tạo ra tình  <br /> huống xấu nhất là đối tượng sử dụng bị mất tín hiệu do nhiễu của các đối tượng trong  <br /> cùng tế bào hoặc các tế bào liền kề. <br /> Trong ứng dụng hướng lên (đối tượng sử dụng đến trạm gốc), anten đơn hướng không <br /> cung cấp tăng ích mong muốn cho tín hiệu của đối tượng sử dụng dành riêng. Nói một <br /> cách khác, đối tượng sử dụng át năng lượng tín hiệu cạnh tranh. Tuy vậy, kĩ thuật một <br /> phần tử không thể loại bỏ có lựa chọn các tín hiệu gây nhiễu với các tín hiệu của đố i <br /> <br /> tượng sử dụng được phục vụ và không có khả năng định hướng đa đường không gian hay <br /> khả năng cân bằng. <br /> Các chiến lược đơn hướng trực tiếp và ngược lại ảnh hưởng đến hiệu suấ t phổ, tái sử <br /> dụng tần số. Những hạn chế này thúc đẩy các nhà thiết kế hệ thống và hoạch định mạng  <br /> liên tục có các phát minh và điều chỉnh hiệu quả. Trong những năm gần đây, hạn chế về <br /> chất lượng, dung lượng và vùng phủ sóng của công nghệ anten phát quảng bá trong các <br /> hệ thống không dây đã đưa đến một cuộc cách mạng trong thiết kế nền tảng và vai trò của  <br /> anten trong hệ thống không dây. <br /> Các anten định hướng <br /> Một anten định hướng được xây dựng để có các hướng phát và thu ưu tiên cố  định. Như  <br /> một giải pháp thay thế cho phương pháp bổ sung thêm các vị trí phát mới, rất nhiều tháp <br /> anten thông thường ngày nay phân chia thành các tế  bào hình quạt. Một vùng 3600  <br /> thường được phân chia thành 3 vùng nhỏ 1200, mỗi vùng này được bao phủ bởi phương <br /> pháp quảng bá hẹp. Để cân bằng hơn, các anten quạt cho độ tăng ích cao hơn trong những <br /> vùng hạn chế của góc phương vị khi so sánh với các anten đơn hướng. Điều này thường <br /> được biết đến như là tăng ích phần tử anten và không nên nhầm với tăng ích xử lý trong <br /> các hệ thống anten thông minh. <br /> Khi các anten quạt nhân lên số kênh sử dụng, chúng không tránh khỏi những hạn chế của  <br /> anten đơn hướng tiêu chuẩn như nhiễu đồng kênh, được miêu tả chi tiết ở phần sau. <br /> 2 <br />  Nhìn ngang Nhìn từ trên xuống<br /> <br /> <br /> Hình 2. Anten định hướng và vùng bao phủ của nó <br /> <br /> Các hệ thống anten <br /> Làm thế nào một anten có thể thông minh hơn? Trước tiên, thiết kế vật lý của nó phải <br /> được thay đổi bằng cách thêm nhiều phần tử. Thứ hai, một anten có thể trở thành một hệ <br /> thống anten được thiết kế để dịch tín hiệu trước khi phát tại mỗi phần tử liên tiếp để đảm <br /> <br /> bảo có hiệu quả tổng hợp. Khái niệm phần cứng và mềm cơ  bản được biết đến như <br /> là  <br /> anten mảng dịch pha. Phần sau tóm tắt phát triển theo thứ tự tăng dần về lợi ích và tính <br /> thông minh. <br /> Các hệ thống  phân vùng (quạt) <br /> Các hệ thống anten phân vùng nhận một vùng tế bào truyền thống và phân chia nó thành <br /> các phân vùng mà các phân vùng này được bao phủ bởi các ăng ten định hướng  ở  cùng <br /> một điểm trạm gốc. Về mặt hoạt động, mỗi vùng được xem như một tế bào riêng biệt, <br /> phạm vi lớn hơn trong trường hợp đơn hướng. Các anten phân vùng tăng khả năng tái sử  <br /> dụng kênh tần số như hệ thống tế bào bằng cách giảm các nhiễu đáng kể ở tế bào gốc, và <br /> chúng được sử dụng rộng rãi cho mục đích này. Trên thực tế, dùng 6 phân vùng cho một <br /> tế bào. Khi kết hợp nhiều anten định hướng, trạm gốc có thể bao phủ mọi hướng. <br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Nhìn ngang Nhìn từ trên xuống<br /> <br /> <br /> Hình 3. Anten quạt và vùng phủ của nó <br /> Các hệ thống phân tập <br /> Trong các thế hệ tiếp theo của anten thông minh, hệ thống phân tập tích hợp hai phần tử <br /> anten ở trạm gốc, có một sự phân tách nhỏ về vật lý (phân tập không gian) để cải thiện <br /> khả năng thu. <br /> Phân tập giúp tăng cường cường độ hiệu dụng của tín hiệu thu được bằng cách sử dụng <br /> một trong hai phương pháp sau: <br />    Phân tập chuyển mạch: Giải thiết là có ít nhất một anten tại vị  trí mong muốn ở <br /> một thời điểm cho trước, hệ thống này liên tục chuyển mạch giữa các anten (kết <br /> <br /> <br /> 3 <br />  nối mỗi kênh thu với anten phục vụ tốt nhất) nên luôn luôn sử dụng phần tử có tín <br /> hiệu lớn nhất. Trong khi giảm những ảnh hưởng tiêu cực của fađinh, chúng không  <br /> làm tăng độ tăng ích vì vậy ở mỗi thời điểm chỉ sử dụng một anten. <br />    Kết hợp phân tập: Phương pháp này hiệu chỉnh sai pha giữa hai tín hiệu đa đường <br /> và kết hợp một cách hiệu quả công suất của cả hai tín hiệu để tạo độ tăng ích. Các <br /> hệ thống phân tập khác, như hệ thống kết hợp tỉ số cực đại, kết hợp các tín hiệu ra <br /> của tất cả các anten để cực đại hoá tỉ số năng lượng tín hiệu thu được tổng hợp <br /> trên nhiễu. <br /> Vì các trạm gốc kiểu tế bào vĩ mô thường phát công suất lớn hơn nhiều ở hướng  <br /> xuống (từ trạm gốc tới đối tượng sử dụng) so với thiết bị đầu cuối di động phát trên <br /> hướng ngược lại, nên phần lớn các hệ thống anten phân tập được cải tiến để thực hiện <br /> ở hướng lên (từ đối tượng sử dụng tới trạm gốc). <br /> <br /> Hố đen Anten<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Vùng phủ đơn phần Vùng phủ với phân<br /> tử với fađinh tập chuyển mạch<br /> <br /> Hình 4. Phân tập chuyển mạch và vùng phủ<br /> Anten<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Vùng phủ ­ đơn Vùng phủ ­ phân tập<br /> phần tử kết hợp<br /> <br /> Hình 5. Kết hợp phân tập và vùng phủ <br /> <br /> Anten phân tập hoàn toàn là thao tác chuyển mạch từ  một phần tử  đang làm việc sang  <br /> một phần tử khác. Mặc dù phương pháp này làm giảm đáng kể fađinh đa đường, nhưng ở <br /> mỗi thời điểm nó chỉ  dùng một phần tử  nên không cải thiện tăng ích hướng lên so với  <br /> phương pháp một phần tử. Trong môi trường nhiễu cao, giải pháp đơn giản là khoá tín <br /> hiệu mạnh nhất hoặc trích công suất tín hiệu cực đại từ anten thì không phù hợp và có thể <br /> gây ra việc thu tín hiệu nhiễu thay vì tín hiệu mong muốn. <br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 4 <br /> Nhu cầu phát một số  lượng lớn đối tượng sử  dụng hiệu quả  hơn mà không trộn lẫn  <br /> nhiễu đưa đến những tiến bộ của các hệ thống anten, các hệ thống này tích hợp một cách  <br /> thông minh vận hành đồng thời của các phần tử anten phân tập. <br /> Tính thông minh <br /> Việc sử dụng nhiều anten và xử lý tín hiệu phục vụ các tế bào tỏ ra thông minh hơn. Trên <br /> thực tế, việc phát minh ra các bộ xử lý tín hiệu số (DSP), các bộ xử lý đa năng, cũng như <br /> phần mềm cho các kỹ thuật xử lý tín hiệu (các thuật toán) đã tạo ra các anten thông minh  <br /> cho các hệ thống thông tin tế bào. <br /> Ngày nay, khi các giải pháp sử dụng phổ hiệu quả đang gia tăng, các hệ thống như vậy sẽ <br /> cho vùng phủ sóng rộng hơn cho mỗi vị trí tế  bào, khả  năng loại bỏ  nhiễu tốt hơn, cải  <br /> thiện dung lượng nhiều hơn. <br /> 4.   Thế nào là một hệ thống anten thông minh? <br /> Thực tế, anten không thông minh, mà phải một hệ  thống anten mới thông minh. Cùng  <br /> được đặt ở một trạm gốc, một hệ thống anten thông minh kết hợp một dàn anten với khả <br /> năng xử lý tín hiệu số để  phát và thu với độ  nhạy không gian cao và thích nghi tốt. Nói <br /> cách khác, một hệ thống như vậy có thể tự động thay đổi hướng của giản đồ bức xạ của  <br /> nó để đáp ứng với môi trường tín hiệu. Điều này làm tăng đáng kể  các đặc tính chất <br /> lượng (như dung lượng) của một hệ thống vô tuyến. <br /> Các loại hệ thống anten thông minh <br /> Các thuật ngữ phổ biến thường được nhắc đến nhiều trong lĩnh vực công nghệ hệ thống <br /> anten thông minh bao gồm anten thông minh, dàn dịch pha, SDMA, xử lý không gian, tạo  <br /> chùm số, hệ  thống anten thích nghi. Các hệ  thống anten thông minh thường được phân  <br /> loại thành chùm chuyển mạch và các hệ thống dàn thích nghi. <br /> ­ Chùm chuyển mạch: một số hữu hạn các mẫu xác định trước, cố định hoặc kết <br /> hợp. <br /> ­ Dàn thích nghi: Một số không xác định các mẫu được điều chỉnh theo thời gian <br /> thực. <br /> Anten chùm chuyển mạch <br /> Các hệ thống anten chùm chuyển mạch tạo ra các chùm cố định với độ  nhạy được tăng <br /> lên theo các hướng đặc biệt. Các hệ thống anten này phát hiện cường độ tín hiệu, chọn từ <br /> các chùm cố  định, xác định trước ra một chùm, và chuyển từ  một chùm này sang chùm <br /> khác khi mà đối tượng sử dụng di động trong khắp vùng. <br /> Thay vì định dạng mẫu anten định hướng bằng các đặc tính kim loại và thiết kế  vật lý  <br /> một phần tử đơn, hệ thống chùm tia chuyển mạch kết hợp các đầu ra của các anten để tạo  <br /> ra các chùm quạt (định hướng) với độ  nhạy không gian cao hơn các phương pháp một  <br /> phần tử thông thường. <br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 5 <br />  Hình 6. Vùng phủ của anten chùm <br /> <br /> Anten dàn thích nghi <br /> Công nghệ  anten thích nghi giới thiệu một loại anten thông minh tiên tiến hiện nay. Sử <br /> dụng các thuật toán xử lý tín hiệu mới, hệ thống thích nghi đã tận dụng khả năng của nó <br /> để định vị có hiệu quả và tìm kiếm một cách chủ động các loại tín hiệu khác nhau để tối  <br /> thiểu hoá nhiễu và cực đại hoá tín hiệu định thu. <br /> Cả hai phương pháp đều cố gắng tăng độ tăng ích theo vị trí người sử dụng, tuy nhiên chỉ <br /> hệ thống thích nghi là có độ tăng ích tối  ưu trong khi cùng xác định, tìm và tối thiểu hoá <br /> các tín hiệu nhiễu. <br /> <br /> Người dùng <br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Nhiễu <br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 7. Vùng phủ của anten dàn thích nghi <br /> Mô tả hệ thống <br /> Các anten đơn hướng khác biệt rõ ràng với các anten thông minh ở số lượng anten được sử <br /> dụng. Tuy nhiên, các hệ  thống dàn thích nghi và chùm chuyển mạch cùng chung khá <br /> nhiều đặc tính phần cứng và được phân biệt chủ yếu bởi tính thông minh thích nghi. Để <br /> xử lý thông tin có độ nhạy hướng cao cần phải có một dàn các phần tử anten (thường là  <br /> từ 4 đến 12 phần tử), các tín hiệu vào từ các phần tử đó được kết hợp tạo ra tín hiệu phát <br /> được điều khiển thích nghi. Các phần tử anten có thể được sắp xếp theo đường thẳng, <br /> đường tròn, hay cấu hình mặt phẳng, và thường được lắp đặt ở trạm gốc, mặc dù chúng  <br /> vẫn được sử dụng ở cả máy tính xách tay hay điện thoại di động. <br /> Tại sao chúng lại là anten thông minh? Một anten đơn giản làm việc trong môi trường <br /> tần số vô tuyến (RF) đơn giản. Giải pháp anten thông minh cần khi số lượng người sử <br /> dụng, nhiễu, độ phức tạp của môi trường truyền sóng tăng lên. Sự thông minh nằm ở khả <br /> năng xử lý tín hiệu số. Và nhờ định dạng số mà nó phát huy được thế mạnh về độ chính <br /> xác cũng như linh hoạt trong cách vận hành. Việc bắt đầu và kết thúc đàm thoại cũng <br /> tương tự  như trong thông tin tương tự. Nhưng hệ thống anten thông minh bắt tín hiệu, <br /> chuyển đổi và điều chế  tín hiệu tương tự  và truyền đi dưới dạng tín hiệu số  rồi lại  <br /> đổ i  <br /> ngược trở về thông tin tương tự. <br /> Trong các hệ  thống anten thích nghi, khả  năng xử  lý tín hiệu cơ bản còn được tăng lên  <br /> nhờ áp dụng các thuật toán tiên tiến để điều khiển thao tác khi ở trong những điều kiện  <br /> hoạt động phức tạp. <br /> 5.   Mục đích của hệ thống anten thông minh <br /> Mục đích của hệ thống anten thông minh là tăng chất lượng tín hiệu và tăng dung lượng <br /> hệ thống. Các đặc trưng và lợi ích của anten thông minh được liệt kê trong bảng 1. <br /> Bảng 1: Các đặc trưng và lợi ích của hệ thống anten thông minh <br /> Đặc trưng Lợi ích<br /> Tăng ích tín hiệu: Các tín hiệu vào từ các Vùng phủ sóng rộng hơn: Tập trung năng<br /> <br /> <br /> 6 <br /> phần tử  anten được kết hợp với nhau để  lượng được phát đi trong tế  bào làm tăng <br /> tối  ưu hoá công suất sẵn có nhằm tạo  bán kính phủ  sóng của trạm gốc. Yêu cầu <br /> được một mức độ phủ sóng nhất định. công suất thấp hơn giúp cho tuổi thọ  của  <br /> nguồn pin dài hơn, cũng như  kích cỡ  thiết <br /> bị nhỏ gọn hơn.<br /> Loại bỏ  nhiễu: Mẫu anten có thể  phát  Dung lượng tăng: Điều khiển chính xác <br /> về  phía nguồn nhiễu cùng kênh, nhờ đó  mức không của tín hiệu, giảm nhiễu, kết <br /> cải  thiện  được tỉ  số  tín hiệu trên nhiễu  hợp với giảm khoảng cách tái sử  dụng tần <br /> của các tín hiệu thu được. số  sẽ  làm tăng dung lượng. Nhiều công <br /> nghệ thích nghi hỗ trợ khả năng tái sử dụng  <br /> tần số trong cùng một tế bào.<br /> Phân tập không gian: Thông tin tổng hợp  Loại bỏ  hiệu  ứng đa đường: có thể  giảm <br /> từ   dàn   được   sử   dụng   để   tối   thiểu   hoá  trải trễ của kênh một cách hiệu quả, hỗ trợ<br /> fađinh  và   các   hiệu   ứng   không   mong  tốc độ  bit cao hơn mà không cần các bộ  cân <br /> muốn khác của truyền sóng đa đường bằng.<br /> <br /> Tiết   kiệm   công   suất:  Kết   hợp   các   tín  Giảm chi phí: Chi phí cho bộ  khuếch đại <br /> hiệu  vào từ  các phần tử  để  tối  ưu hoá   công suất thấp hơn, công suất tiêu thụ  ít <br /> tăng ích xử lý trong hướng xuống hơn và độ tin cậy cao hơn. <br /> <br /> <br /> 6.   Truyền sóng: Nhiễu đa đường và nhiễu cùng kênh <br /> Những suy luận về truyền sóng <br /> Chúng ta tưởng tượng là ném một hòn đá xuống một hồ nước. Các vòng sóng phát đi từ <br /> điểm ném hoàn toàn đồng dạng mà chỉ khác về cường độ. Việc phát quảng bá hoàn toàn <br /> đơn hướng này cũng giống như một tín hiệu của người gọi bắt đầu từ thiết bị đầu cuối và  <br /> đi lên. Nó thể hiện một tín hiệu ở khắp mọi nơi mà nó truyền đi. <br /> Với một trạm gốc ở một cự ly nào đó từ sóng gốc. Nếu mẫu không bị nhiễu thì trạm gốc  <br /> không gặp khó khăn trong việc nhận biết các sóng. Nhưng khi các sóng này chạm đến bờ <br /> thì nó phản xạ lại và giao với các sóng gốc ban đầu. Khi kết hợp với nhau chúng có thể bị <br /> yếu đi hay mạnh lên. Đây chính là vấn đề nhiễu đa đường. <br /> Bây giờ, nếu ném nhiều hòn đá vào những vùng khác nhau trong hồ nước, tương đương <br /> như nhiều cuộc gọi khác nhau cùng bắt đầu. Vậy thì trạm gốc ở một vị trí nào đó trong hồ <br /> sẽ làm thế nào để phân biệt được tín hiệu của nguồn nào và từ hướng nào đến. Vấn đề <br /> này được gọi là nhiễu cùng kênh. Đây là suy luận hai chiều, để  phân biệt được những  <br /> người gọi (hay các tín hiệu trong không gian), một trạm gốc phải đủ thông minh để đặt <br /> thông tin mà nó phân tích vào trong bối cảnh không gian. <br /> Đa đường <br /> Khi tín hiệu vô tuyến phát đi bị phản xạ bởi những cấu trúc vật lý, gây ra nhiều đường tín <br /> hiệu giữa trạm gốc và thiết bị đầu cuối sử dụng. <br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 7 <br />  Tín hiệu A hướng trực tiếp<br /> <br /> <br /> Trạm gốc<br /> <br /> <br /> <br /> Hình 8. Hiệu ứng đa đường <br /> Các vấn đề liên quan đến đa đường <br /> Một vấn đề do các tín hiệu phản xạ không mong muốn là pha của các sóng đến trạm thu <br /> không phù hợp với nhau. Hình 9 minh hoạ hai tín hiệu bị lệch pha với nhau tại máy thu. <br /> Tín hiệu mong muốn <br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Thời gian <br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Tín hiệu phản xạ <br /> <br /> <br /> Hình 9. Tín hiệu đa đường 2 pha <br /> Những vấn đề do hiện tượng đa đường gây ra: <br />    Fađinh: Khi sóng của các tín hiệu đa đường bị lệch pha, cường độ tín hiệu sẽ bị <br /> giảm. Hiện tượng này vẫn được biết đến là “fađinh Rayleigh” hay “fađinh nhanh”. <br /> Sự suy giảm là sự thay đổi liên tục, là hiện tượng 3 chiều. Cường độ tín hiệu thu <br /> bị thay đổi thất thường và rất nhanh chóng gây ra suy giảm về chất lượng. <br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 8 <br />  Chu trình Chu trình<br /> không giảm không giảm<br /> Biên độ <br /> tín hiệu <br /> <br /> Ngưỡng <br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Giảm Giảm<br /> Thời gian <br /> <br /> <br /> Hình 10. Hiệu ứng fađinh Rayleigh <br /> <br />    Triệt tiêu pha: Khi sóng của hai tín hiệu đa đường lệch pha nhau 1800 thì chúng sẽ <br /> triệt tiêu nhau, như vậy khó duy trì được cuộc gọi. Nói một cách khác, một cuộc <br /> gọi chỉ có thể duy trì được trong một khoảng thời gian nhất định khi không có tín <br /> hiệu mặc dù với chất lượng rất tồi. Hậu quả là khi tín hiệu kênh điều khiển bị <br /> mất, <br /> vùng phục vụ mà cuộc gọi được thiết lập sẽ không thể thực hiện được. <br /> <br /> Tín hiệu mong muốn <br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Thời gian <br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Tín hiệu phản xạ <br /> Hình 11. Triệt tiêu pha <br />    Trải trễ: Ảnh hưởng của hiện tượng đa đường đến chất lượng tín hiệu đối với giao <br /> <br /> diện không gian số có một chút khác biệt. Các tín hiệu phản xạ của cùng một tín <br /> hiệu có thể đến bộ thu ở những thời điểm khác nhau. Điều này gây ra nhiễu xuyên <br /> <br /> ký tự. Khi điều này xảy ra thì tỉ lệ lỗi bit tăng, thậm chí là chất lượng tín hiệu có <br /> thể bị suy giảm đáng kể. <br /> <br /> Time 1 Time 3<br /> <br /> <br /> Time 2 <br /> <br /> Trạm gốc <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 12. Đa đường gây nên trải trễ <br /> 9 <br />     Nhiễu đồng kênh: Hiện tượng này xuất hiện khi tần số sóng mang cùng đến một <br /> máy thu từ hai máy phát khác nhau, gây ra suy giảm chất lượng tín hiệu. <br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 13. Nhiễu giao thoa đồng kênh trong cùng một mạng tế bào <br /> Như chúng ta biết, cả anten quảng bá và hệ thống anten tập trung đều tán xạ  tín <br /> hiệu trong vùng tương đối rộng. Các tín hiệu này có thể không đến được với đúng người <br /> sử  dụng như ý muốn, chúng lại là nhiễu cho những người sử dụng khác ở  cùng tần số <br /> trong cùng một tế bào hay các tế bào lân cận. <br /> Khi các anten phân vùng nhân số kênh sử dụng lên, chúng không khắc phục được nhược <br /> điểm này của anten quảng bá. Vấn đề quản lý nhiễu đồng kênh trở thành hạn chế đầu tiên <br /> trong việc cực đại hoá dung lượng của hệ thống. Để khắc phục nhiễu cùng kênh, các hệ <br /> thống anten thông minh không chỉ tập trung hướng vào đối tượng sử dụng như ý muốn  <br /> mà trong nhiều trường hợp, những điểm vô giá trị hoặc khoảng nhiễu có chủ  tâm được <br /> hướng về phía các đối tượng không mong muốn.. <br /> <br /> 7.   Kiến trúc của các hệ thống anten thông minh <br /> Các hệ thống anten thông minh làm việc như thế nào? <br /> Các hệ thống dàn thích nghi và chùm chuyển mạch truyền thống cho phép một trạm gốc <br /> đáp ứng yêu cầu về chùm tia mà chúng phát đi cho mỗi đối tượng sử dụng ở xa một cách <br /> hiệu quả nhờ điều khiển phản hồi nội bộ. Nói chung, mỗi lần sẽ tạo ra một búp sóng  <br /> <br /> chính về phía các đối tượng sử dụng riêng biệt và cố gắng loại bỏ nhiễu hay tạp âm ngoài <br /> các búp sóng chính. <br /> Xử lý hướng lên <br /> Ở đây giả thiết là một anten thông minh chỉ được lắp đặt ở trạm gốc mà không lắp đặt ở <br /> khối thuê bao. Các thiết bị đầu cuối vô tuyến từ xa sẽ phát bằng cách dùng anten vô <br /> hướng. Đến trạm gốc, sẽ tách biệt các tín hiệu mong muốn với nhiễu. <br /> Thông thường, tín hiệu thu được từ các phần tử anten phân bố trong không gian sẽ được <br /> nhân với một trọng số, đây chính là sự điều chỉnh biên độ và pha. Các tín hiệu này được <br /> kết hợp để tạo ra mảng đầu ra. Một thuật toán thích nghi điều khiển các trọng số này theo <br /> các mục đích xác định trước. Với một hệ thống chùm tia chuyển mạch, tiêu chí này có thể <br /> là độ khuếch đại tối đa, với một hệ thống dàn thích nghi, có thể còn phải xem xét đến <br /> nhiều yếu tố khác. Việc tính toán động như vậy sẽ cho phép hệ thống có thể thay đổi <br /> được các mẫu bức xạ của nó để tối ưu hoá tín hiệu thu. <br /> <br /> Xử lý hướng xuống <br /> <br /> <br /> 10 <br /> Nhiệm vụ phát có lựa chọn theo không gian là vấn đề cơ bản để phân biệt giữa các hệ <br /> thống chùm tia chuyển mạch và hệ thống dàn thích nghi. Như mô tả dưới đây, các hệ <br /> thống chùm tia chuyển mạch thông tin với các đối tượng sử dụng bằng cách thay đổi giữa <br /> các mẫu định hướng đặt trước, phần lớn dựa trên cường độ tín hiệu. Trong khi đó, hệ <br /> thống dàn thích nghi cố gắng nhận biết môi trường RF tốt hơn và phát có chọn lọc hơn. <br /> Loại xử lý hướng xuống được sử dụng tuỳ theo hệ thống thông tin sử dụng TDD, khi đó <br /> nó sẽ phát và thu cùng tần số (ví dụ PHS và DECT); hay FDD, khi đó nó sẽ dùng tần số <br /> phát và thu riêng biệt . Phần lớn, trong các hệ thống FDD, có thể xem xét các đặc tính <br /> truyền sóng và fading hướng lên và hướng xuống một cách độc lập. Trong khi đó, với các <br /> hệ thống TDD, các kênh hướng lên và hướng xuống có thể coi là tương hỗ. Vì vậy, kênh <br /> hướng lên trong các hệ thống TDD được sử dụng để phát chọn lọc theo không gian. <br /> Trong các hệ thống FDD, kênh hướng lên lại không thể sử dụng trực tiếp và cần phải <br /> xem xét các loại xử lý khác của xử lý hướng xuống. <br /> <br /> Các hệ thống chùm tia chuyển mạch <br /> Về khía cạnh các mẫu bức xạ, chùm tia chuyển mạch là mở rộng của phương pháp vi tế <br /> bào hiện tại hay phương pháp phân vùng tế bào của việc chia một tế bào thông thường. <br /> Phương pháp này còn chia các vùng vĩ mô thành nhiều vùng vi mô nhằm cải thiện dung <br /> lượng và phạm vi. Mỗi một vùng vi mô gồm một mẫu tia cố định được xác định trước với <br /> độ nhạy lớn nhất được đặt ở trung tâm của chùm tia còn độ nhạy thấp hơn được đặt ở các  <br /> <br /> vị trí khác. Việc thiết kế hệ thống như vậy liên quan đến các phần tử anten có độ rộng <br /> chùm tia góc phương vị hẹp, tăng ích lớn. Hệ thống chùm tia chuyển mạch chọn một <br /> trong số các mẫu chùm tia cố định đã xác định trước (dựa trên sự kết hợp trọng số của <br /> các đầu ra anten) có công suất đầu ra lớn nhất trong kênh của đối tượng sử dụng ở xa. Sự <br /> lựa chọn này được định hướng bởi RF hay phần cứng và phần mềm của DSP băng gốc. <br /> Hệ thống chuyển mạch chùm tia của nó theo các hướng khác nhau trong toàn không gian <br /> bằng cách thay đổi pha tín hiệu dẫn đến các phần tử anten hay thu được từ các phần tử  <br /> anten.  Khi đối tượng sử dụng di động đi vào một vùng vĩ mô nhất định, hệ thống này sẽ <br /> chọn vùng vi mô có tín hiệu mạnh nhất. Trong suốt cuộc gọi, hệ thống sẽ giám sát cường <br /> độ tín hiệu và chuyển mạch nó sang các vùng vi mô cố định khác khi cần thiết. <br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Chiến lược Chiến lược<br /> chuyển mạch thích ứng<br /> <br /> Hình 14. Búp sóng chính và búp sóng không mà hệ thống chùm chuyển mạch và hệ thống <br /> dãy thích ứng có thể lựa chọn tín hiệu người sử dụng (đường xanh) và nhiễu đồng kênh <br /> (đường vàng) <br /> Hệ  thống anten thông minh thông tin trực tiếp bằng cách tạo ra các mẫu chùm tia xác  <br /> định. Khi một anten thông minh hướng búp sóng chính của nó với độ  tăng ích tăng cường  <br /> trong hướng của đối tượng sử dụng, tự nhiên nó sẽ tạo ra các búp biên và không (hay các  <br /> vùng tương ứng có độ tăng ích trung bình và tối thiểu so với búp sóng chính). <br /> <br /> <br /> 11 <br /> Sự  khác biệt giữa hai hệ thống này là điều khiển các búp sóng chính và búp không với  <br /> mức độ chính xác và độ linh hoạt biến thiên. <br /> <br /> Phương pháp anten thích nghi <br /> Các hệ  thống anten thích nghi thông tin giữa một đối tượng sử  dụng và trạm gốc theo  <br /> cách khác, có chịu  ảnh hưởng về mặt không gian. Bằng cách điều chính môi trường RF  <br /> khi nó thay đổi, công nghệ anten thích nghi có thể thay đổi các mẫu tín hiệu một cách chủ <br /> động tới gần vô cực để tối ưu hoá chất lượng hệ thống vô tuyến. <br /> Dàn thích nghi sử dụng các thuật toán xử lý tín hiệu phức tạp để phân biệt một cách liên <br /> tục giữa các tín hiệu mong muốn, tín hiệu đa đường và tín hiệu nhiễu cũng như tính toán <br /> hướng đến của chúng. Phương pháp này cập nhật liên tục hướng phát chiến lược của nó <br /> dựa vào việc thay đổi cả vị trí của tín hiệu mong muốn và nhiễu. Khả năng xác định đối <br /> tượng sử dụng với các búp sóng chính và nhiễu với búp không đảm bảo là quỹ dự trữ  <br /> đường truyền luôn luôn cực đại vì không có các vùng vi mô cũng như các mẫu xác định <br /> trước. <br /> Hình 15 minh hoạ vùng phủ sóng tương đối giữa hệ thống chùm tia chuyển mạch được <br /> phân vùng truyền thống và hệ thống anten thích nghi. Cả hai loại hệ thống anten thông  <br /> minh đều có độ tăng ích đáng kể so với hệ thống phân vùng truyền thống. Mức nhiễu  <br /> thấp ở phía bên trái thể hiện cho một hệ thống vô tuyến mới với các mức thâm nhập thấp <br /> hơn. Mức nhiễu lớn ở phía bên phải thể hiện cho hệ thống vô tuyến có nhiều đối tượng sử <br /> dụng hoặc một đối tượng sử  dụng nhiều mẫu tái sử  dụng tần số lấn nhau hơn. Khi  ấy, <br /> khả  năng loại nhiễu của hệ thống thích nghi sẽ  cho vùng phủ  sóng đáng kể  hơn so  <br /> với hệ thống chùm tia chuyển mạch hay truyền thống.<br /> Thích ứng<br /> Thích ứng<br /> <br /> Chùm chuyển mạch<br /> <br /> Chùm chuyển mạch<br /> Ô quy ước<br /> Ô quy ước<br /> Môi trường <br /> Môi   trường  <br /> nhiễu thấp nhiễu cao <br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 15. Vùng phủ với chùm chuyển mạch và anten thích nghi <br /> Những lợi ích và hạn chế của các hệ thống dàn thích nghi và chùm chuyển mạch <br /> ­ Tích hợp: Các hệ thống chùm chuyển mạch được thiết kế để triển khai rộng rãi <br /> trong các hệ thống tế bào với xu hướng là có thể trang bị thêm. Trong khi đó, các hệ <br /> thống dàn thích khi được triển khai theo phương án tích hợp đầy đủ. <br /> ­ Vùng phủ sóng:  Các hệ thống chùm tia chuyển mạch có thể tăng bán kính phủ sóng <br /> của trạm gốc từ 20 đến 200% so với các hệ thống tế bào phân vùng thông thường, <br /> tuỳ điều kiện môi trường cũng như phần mềm và phần cứng sử  dụng. Vùng phủ <br /> sóng tăng lên sẽ tiết kiệm cho nhà khai thác những chi phí cho cơ sở hạ tầng, và giá <br /> thành trung bình cho khách hàng sẽ thấp xuống. Việc chuyển mạch động từ chùm <br /> tia sang chùm tia sẽ tiết kiệm dung lượng vì hệ thống không cần phát tất cả các tín <br /> <br /> <br /> 12 <br />  hiệu theo mọi hướng. Tuy nhiên, các hệ thống dàn thích nghi có thể phủ sóng rộng <br /> hơn, và đồng đều hơn khi có cùng mức công suất như hệ thống chùm chuyển mạch. <br /> ­ Nén nhiễu: Anten chùm chuyển mạch nén nhiễu đến từ các hướng, trừ hướng trung <br /> tâm của chùm chủ động. Đây là giải pháp thích hợp nhất để  giảm thiểu mức độ <br /> nhiễu đồng kênh nhưng lại khó khăn trong việc phân biệt giữa tín hiệu mong muốn  <br /> và tín hiệu nhiễu. Nếu tín hiệu nhiễu tại trung tâm của chùm tia được chọn, và  <br /> người sử dụng ở xa trung tâm chùm tia thì tín hiệu nhiễu có thể tăng hơn rất nhiều  <br /> so với tín hiệu mong muốn. Trong trường hợp này, chất lượng cho người sử dụng  <br /> chịu sự suy giảm mạnh. Công nghệ dãy thích ứng hiện tại giúp loại bỏ nhiễu mạnh  <br /> hơn. Bởi vì nó truyền nguyên dạng của một tổ hợp nên nó tập trung hơn, tạo ra ít  <br /> can nhiễu hơn so với trường hợp chùm chuyển mạch. <br /> ­ Đa truy nhập phân chia theo không gian: Trong số các công nghệ phức tạp mà anten <br /> thông minh sử dụng có đa truy nhập phân chia theo không gian SDMA để định vị, <br /> đánh dấu các thiết bị đầu cuối cố định hay di động, quét một cách thích nghi các tín <br /> hiệu phát về phía người sử dụng để tránh nhiễu. Công nghệ dàn thích nghi đạt được <br /> độ nén nhiễu cao nên việc tái sử dụng tần số có hiệu quả tốt hơn ở các mô hình tái <br /> sử dụng tần số lục giác cố định tiêu chuẩn. Kỹ thuật này có thể cấp phát tần số thích <br /> nghi cho người sử dụng ở bất kỳ vị trí nào. Việc xử lý không gian động tạo ra mỗi <br /> vùng khác nhau cho mỗi người sử dụng và cấp phát tần số/kênh theo thời gian thực. <br /> ­ Xử lý tín hiệu không gian tích hợp phân tích và đo tán xạ của môi trường RF ở mức <br /> cao hơn. Trong khi kỹ thuật quét chùm cho một hướng phát chính xác về phía người <br /> sử  dụng, xử lý không gian cực đại hoá việc sử dụng các anten để  kết hợp các tín  <br /> hiệu trong không gian theo phương pháp một người sử dụng ­ một chùm tia. <br /> Người dùng 1 Người dùng 2<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 16. Xử lý không gian đầy đủ có thể hỗ trợ hai thuê bao trên cùng một kênh <br /> Ai có thể sử dụng công nghệ anten thông minh ? <br /> Công nghệ anten thông minh có thể cải thiện đáng kể chất lượng và chi phí kinh tế. cho <br /> hệ thống vô tuyến. Nó cho phép các nhà khai thác mạng PCS, tế bào và mạch vòng nội <br /> hạt vô tuyến hiện thực hoá việc tăng đáng kể về chất lượng tín hiệu, dung lượng và vùng <br /> phủ sóng. <br /> Các nhà khai thác thường đòi hỏi kết hợp những lợi ích khác nhau này tuỳ  từng thời <br /> điểm. Do vậy, các hệ thống đó thường có độ linh hoạt cao về cấu hình và khả năng nâng  <br /> cấp có hiệu quả nhất về mặt chi phí trong các giải pháp mang tính lâu dài. <br /> Các tiêu chuẩn áp dụng <br /> Các hệ thống anten thông minh có thể áp dụng cho tất cả các chuẩn và giao thức vô tuyến <br /> trong bảng 2, với một vài hiệu chỉnh. <br /> <br /> <br /> <br /> 13 <br /> Bảng 2: Các tiêu chuẩn áp dụng<br /> Phương thức truy nhập Tương tự  ­ Đa truy nhập phân chia theo tần số <br /> (FDMA) (ví dụ: AMPS, TACS, NMT)<br /> Số  ­ Đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA) <br /> (ví dụ: GSM, IS­136), đa truy nhập phân chia theo mã <br /> (CDMA) ( ví dụ: IS­95)<br /> Phương thức song công Song công chia theo tần số  (FDD), song công chia <br /> theo thời gian (TDD) <br /> <br /> Tính trong suốt với mạng<br /> <br /> Tính linh hoạt của công nghệ anten thông minh thích nghi cho phép tạo ra các sản phẩm và <br /> dịch vụ  giá trị  gia tăng, điều này tạo cho các nhà khai thác nhiều  ưu thế  cạnh tranh.  <br /> Anten thông minh thích nghi không bị giới hạn bởi định dạng điều chế đặc biệt hay giao  <br /> thức giao diện không gian nào. Chúng phù hợp với tất cả các kỹ thuật điều chế giao diện  <br /> không gian hiện hành. <br /> Ưu thế bổ sung của xử lý không gian <br /> Việc xử lý không gian đem lại lợi ích cho rất nhiều hệ thống thông tin vô tuyến như các  <br /> hệ thống tế bào có tính di động cao, các hệ thống dải ngắn có tính di động thấp, các ứng  <br /> dụng mạch vòng nội hạt vô tuyến, thông tin vệ tinh, mạng LAN vô tuyến. Nhờ dùng một  <br /> dàn anten, mà có thể  nhân các kênh lên trong không gian, giống như trong tần số và thời <br /> gian. Để tăng dung lượng hệ thống, cần phải phát và thu theo không gian lựa chọn. Nhiều <br /> người đồng ý rằng những lợi ích của xử lý không gian sẽ ảnh hưởng không giới hạn tới  <br /> các mặt trong thiết kế hệ thống vô tuyến. <br /> <br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO <br /> ­   IEC Web tutorials <br /> ­   ITU­R documentations <br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 14 <br />