Luận án tiến sỹ kỹ thuật Xử lý ANTEN mảng theo không gian - thời gian trong thông tin vô tuyến di động

Chia sẻ: Tan Lang | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:156

Thêm vào BST

Báo xấu

404
lượt xem 274
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

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...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án tiến sỹ kỹ thuật Xử lý ANTEN mảng theo không gian - thời gian trong thông tin vô tuyến di động

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 W- CDMA.................................................................................................... 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 W-CDMA Wideband Code Division Multiple CDMA băng rộng Access
-ix- Mục lục Hình vẽ Hình Trang Hình 1.1. Tín hiệu trong không gian 8 Hình 1.2. Mô hình hệ thống thông tin với N phần tử phát và M phần tử 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 75 GSM có băng thông 12,5 MHz, hệ số tái sử dụng N=4.
-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 Trang Bảng 4.1. Các chỉ tiêu kỹ thuật chính của W-CDMA 97 Bảng 4.2. Các tham số đầu vào để đánh giá chỉ tiêu BER 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 W- CDMA, 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 trong đó hàm bước đơn vị được định nghĩa là: u ( f ) =  0 f < 0 Tín hiệu s(t) là thực và có phổ bằng: 1 1 S( f ) = Z ( f − f c ) + Z H (− f − f c ) (1.3) 2 2 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  θ=cos-1    2  (1.8) x +y  2  z  φ=cos-1  2 2 2 x +y +z     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),