Tìm hiểu anten thông minh

Chia sẻ: Đặng Văn Quý | Ngày: | Loại File: DOCX | Số trang:14

Thêm vào BST

Báo xấu

151
lượt xem 21
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Do nhu cầu truyền thông di động không ngừng gia tăng, nhu cầu cần vùng phủ sóng và chất lượng đường truyền tốt hơn, đặt ra bài toán làm sao để sử dụng hiểu quả phổ vô tuyến.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tìm hiểu anten thông minh

ĐẶT VẤN ĐỀ Do nhu cầu truyền thông di động không ngừng gia tăng, nhu cầu cần vùng phủ sóng và chất lượng đường truyền tốt hơn, đặt ra bài toán làm sao để sử dụng hiểu quả phổ vô tuyến. Hệ thống anten thông minh có khả năng sử dụng hiệu quả tần số vô tuyến, do đó mang đến một giải pháp đầy hứa hẹn cho hệ thống không dây hiện nay, đó là đạt được tốc độ đường truyền dữ liệu cao với độ đáng tin cậy cao hơn. Trong thực tế, hệ thống ăng ten thông minh bao gồm một số lĩnh vực quan trọng như mảng thiết kế ăng ten cá nhân, xử lý tín hiệu thuật toán, xử lý không gian - thời gian, mô hình kênh không dây và mã hóa, hiệu suất mạng... Hôm nay, nhóm em xin trình bày sơ lược về ăng-ten thông minh, qua đó làm rõ được khái niệm, phân loại, cấu trúc, ứng dụng, ưu nhược điểm của anten thông minh, cũng như những kỹ thuật được sử dụng trong anten thông minh và ý nghĩa của nó trong thông tin di động. GIỚI THIỆU Khái niệm anten thông minh: Anten thông minh là một hệ thống gồm hai hay nhiều anten (phần tử của dãy) được bố trí phù hợp về mặt hình học và kết nối liên thông về điện để tạo ra một giản đồ phát xạ định hướng mong muốn. Ănten thông minh có khả năng thay đổi đồ thị bức xạ thu hay phát (hay nói cách khác là các búp sóng) một cách linh hoạt sao cho thích hợp với môi trường tín hiệu trong cell di động. Nhiều người đề cập đến hệ thống ăng ten thông minh như một “ăng-ten thông minh”, nhưng trong thực tế ăng-ten tự nó không thông minh. Mà đó là một hệ thống thông minh gồm ăng ten kết hợp với khả năng xử lý tín hiệu kỹ thuật số. Mặc dù anten thông minh có vẻ như một công nghệ mới, nhưng các nguyên lý nền tảng đã được đề cập vào những năm đầu thập niên 70 của thế kỷ 20, qua
hai bài báo về “ứng dụng anten và truyền phát” của IEEE. Và các kỹ thuật tương tự đã được sử dụng trong thế chiến II, trong chiến tranh điện tử như biện pháp đối phó gây nhiễu điện tử. Tuy nhiên, vì sự phát triển mạnh mẽ của các bộ vi xử lý tín hiệu số giá rẻ, cũng như các phần mềm dựa trên các kỹ thuật xử lý tín hiệu tiên tiến (thuật toán), các hệ thống ăng ten thông minh đang dần được thương mại hóa. Tại sao cần anten thông minh? Không giống như các hệ thống thông tin liên lạc hữu tuyến, hệ thống thông tin liên lạc không dây, đặt ra một số thách thức đặc biệt, đó là:  Mật độ phân bố phổ hạn chế trong một giới hạn về công suất.  Môi trường truyền sóng vô tuyến và di chuyển của người sử dụng làm phát sinh pha đinh tín hiệu, phân bố theo thời gian, không gian và tần số.  Tuổi thọ pin hạn chế ở các thiết bị di động đặt ra hạn chế về công suất. Ngoài ra, hệ thống truyền thông không dây di động phải đối mặt với sự can thiệp do tái sử dụng tần số. Nỗ lực nghiên cứu điều tra các công nghệ hiệu quả để giảm thiểu tác động như vậy đã được diễn ra trong hai mươi lăm năm qua. Tuy nhiên, cách thức mà năng lượng tần số vô tuyến được phân bố vào và thu thập từ không gian có ảnh hưởng sâu sắc đối với việc sử dụng hiệu quả phổ tần, chi phí của việc thiết lập mới mạng lưới thông tin liên lạc cá nhân và chất lượng dịch vụ được cung cấp bởi các mạng . Việc áp dụng thương mại hóa kỹ thuật ăng ten thông minh là một lời hứa tuyệt vời để giải quyết các vấn đề suy hao trong môi trường truyền thông không dây.
Hình 1.1: Suy hao trong hệ thống không dây. Sự khác nhau giữa anten thông minh so với anten thường Hình 8: Vùng bức xạ của anten thường và anten thích nghi Theo hình trên ta có thể nhận thấy sự khác biệt giữa vùng bức xạ của hệ thống anten thường và của anten thích nghi. Anten thông minh có những búp sóng (beam) hẹp hơn và có tính định hướng cao hơn so với anten thường.
KHÁI QUÁT NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG Hệ thống ăng ten thông minh được phát triển dựa trên một ý tưởng hoạt động của cơ quan thính giác con người. Một người có khả năng xác định hướng truyền đến của một âm thanh bằng một quá trình 3 giai đoạn sau: -Tai của một người hoạt động như một bộ cảm biến âm thanh và thu tín hiệu. -Bởi vì khoảng cách giữa hai tai, nên mỗi tai nhận một tín hiệu với thời gian trễ khác nhau. -Não người, là bộ xử lý đặc biệt, thực hiện hàng trăm phép tính để phân tích thông tin và tính toán vị trí của âm thanh thu được. Để cung cấp một cái nhìn cụ thể hơn về hoạt động của một hệ thống ăng ten thông minh, hãy tưởng tượng 2 người tiến hành một cuộc trò truyện trong một phòng biệt lập như được minh họa trên hình vẽ. Người nghe có khả năng xác định vị trí của người nói khi anh ta di chuyển trong phòng bởi vì âm thanh của người nói đến mỗi tai (hay bộ cảm biến âm thanh) tại các khoảng thời gian khác nhau. Não người (hay bộ xử lý tín hiệu) tính toán phương hướng của người nói từ các khoảng thời gian hay độ trễ đã nhận được bởi 2 tai, sau đó, bộ não thêm chiều dài của tín hiệu từ mỗi tai để tập trung vào âm thanh của phương hướng được tính toán. Dùng một quá trình tương tự, não người có khả năng phân biệt giữa nhiều tín hiệu có hướng đến khác nhau. Do đó, nếu một người mới tham gia vào cuộc nói chuyện, bộ nảo có thể tăng cường tín hiệu thu từ người nói đáng quan tâm và bỏ ngoài âm thanh nhiễu không mong muốn. Vì thế, người nghe có khả năng phân biệt giọng nói của một người giữa nhiều người đang nói đồng thời, và tập trung vào một cuộc hội thoại tại một thời gian. Bằng cách này, âm thanh nhiễu không mong muốn được giảm bớt. Ngược lại, người nghe có thể đáp trả lại cùng hướng như hướng của người nói bằng việc định hướng miệng (hay bộ phát) của người đó hướng về phía người nói.
Hệ thống Ăng ten điện thông minh làm việc tương tự bằng cách sử dụng 2 ăng ten thay cho 2 tai, một bộ xử lý tín hiệu số thay cho “bộ não” như hình 3. Do đó, dựa trên thời gian trễ của tín hiệu ảnh hưởng trên các yếu tố ăng ten, bộ xử lý tín hiệu số tính toán hướng đến (Direction of arrival: DOA) của tín hiệu quan tâm (Signal of interest: SOI), và điều chỉnh sự kích thích (pha và độ lợi của tín hiệu) để sản sinh ra kiểu bức xạ chỉ tập chung vào SOI trong khi loại bỏ các tín hiệu nhiễu hoặc tín hiệu không quan tâm (SNOI: Signals not of interest). Truyền đạt ý tưởng tương tự cho hệ thống truyền thông di động, trạm cơ sở hoạt động đóng vai trò người nghe, và máy di động đóng vai trò của một vài âm thanh được nghe bởi tai người. Nguyên lý cho một hệ thống ăng ten thông minh được minh họa như hình 4. Bộ xử lý tín hiệu số đặt tại trạm cơ sở làm việc kết hợp với một dàn ăng ten và chịu trách nhiệm điều khiển các thông số hệ thống khác nhau để loại bỏ một vài tín hiệu nhiễu hoặc SNOI trong khi gia tăng SOI. Vì vậy hệ thống tạo mẫu bức xạ một cách thích ứng, đáp ứng tự động đối với môi trường tín hiệu và thay đổi của nó. • Kỹ thuật định dạng búp sóng Beamforming.
Ý tưởng chính của định dạng búp sóng thích nghi. - Bộ xử lý tín hiệu số của anten thông minh xử lý tín hiệu theo 2 tiêu chuẩn….. PHÂN LOẠI ANTEN THÔNG MINH Về cơ bản, anten thông minh gồm 2 loại chính là anten chuyển mạch búp sóng (Switched beam Antena) và anten mảng thích nghi (Adaptive array atennas) a. Anten chuyển mạch búp sóng (Switched beam antennas: SBA) sử dụng mạng anten trong đó các anten thành phần thu phát một cách độc lập, biểu đồ hướng anten sẽ thay đổi chuyển từ anten thành phần này sang anten
thành phần khác để bám theo đối tượng khi thuê bao di chuyển. Tuy nhiên dung lượng hệ thống bị giới hạn vì phụ thuộc vào số lượng anten thành phần trong mạng anten, biểu đồ hướng sóng anten được xác định trước hoặc dưới dạng kết hợp (các sector). Hệ thống này tương đối đơn giản, dễ lắp đặt trong các hệ thống thông tin di động hiện nay. Tuy nhiên hệ thống này vẫn còn một số nhược điểm cần khắc phục như: dung lượng hệ thống phụ thuộc vào số lượng anten thành phần trong mạng anten, không tận dụng được tính chất đa đường để tăng cường tín hiệu…. Hình 4: hệ thống chuyển mạch búp sóng • Cấu tạo: Anten SBA có cấu tạo khá đơn giản. Hệ thống SB có cấu trúc giống với các anten thông thường, ngoài ra nó còn được trang bị thêm những bộ phận mới để phát triển mở rộng hệ thống tế bào, người ta có thể bổ sung bằng cách cộng thêm những địa chỉ thông minh cần thiết trong mạng sau khi đã tính toán kỹ càng.
Hình 1 mô tả một hệ thống SB đơn giản gồm một bộ tạo tia , một chuyển mạch RF( Radio Frequency: Tần số vô tuyến ) và logic điều khiển để lựa chọn tia đặc biệt. • Công dụng : Hệ thống SBA có thể nâng cao vùng phủ của trạm gốc hơn từ 20% đến 200% so với hệ thống phân vùng tế bào cổ điển phụ thuộc vào hoàn cảnh môi trường phần cứng và phần mềm được dùng . Vùng phủ sóng được cộng thêm có thể tiết kiệm nguồn nhân lực , giá cơ sở hạ tầng thực tế và giá trung bình cho người tiêu dùng sẽ thấp hơn . b. Anten giàn thích ứng(AAA : Adaptive Array Antenna) Biểu đồ hướng sóng không xác định, mang tính chất động và các biểu đồ hướng sóng anten đó có thể điều chỉnh theo thời gian thực. Hệ thống này tất nhiên là phức tạp hơn hệ thống anten trên tuy nhiên lại có ưu điểm hơn vì nhờ tính chất động của hệ thống anten nên dung lượng của hệ thống có thể thay đổi một cách linh hoạt, khắc phục những nhược điểm cơ bản của hệ thống trên như lợi dụng tính chất đa đường để tăng cường tín hiệu….
Hình 5: Hệ thống mạng anten tương thích Một giàn thích ứng (AAA) là một hệ thống bao gồm một giàn các chấn tử anten và một bộ xử lý thích ứng thời gian thực cho phép điều khiển búp sóng tự động thông qua các tiêu chuẩn lựa chọn thuật toán . Một giàn anten thích ứng có cấu trúc cơ bản được đưa ra trong hình 2
c. So sánh anten chuyển mạch búp sóng và anten mảng thích nghi. CẤU TRÚC HỆ THỐNG ANTEN THÔNG MINH Hệ thống anten thích nghi thực chất là một hệ thống gồm nhiều anten cấu thành mạng,các anten thành phần đó hoàn toàn giống nhau. Cấu trúc mạng anten rất đa dạng tuỳ theo từng mục đích như: kiểu tuyến tính các đều, dãy tròn đồng đều, dãy không gian phẳng đồng đều. Hình 3: Các loại cấu trúc của anten thông minh Các chấn tử của giàn anten thích ứng có thể được sắp xếp theo các cấu trúc hình học khác nhau , các cầu trúc phổ biến nhất là sắp xếp theo dạng giàn đường thẳng , tròn , hoặc giàn phẳng ( dạng hình chữ nhật ) như trong hình 2.1 .
Giàn đường thẳng là giàn anten bao gồm các chấn tử được xếp dọc theo một đường thẳng ,nếu khoảng cách các chấn tử bằng nhau thì gọi là giàn cách đều tuyến tính (LUSA: Linear Uniform Space Array: Giàn chấn tử cách đều tuyến tính) . Tương tự như thế , giàn hình tròn là giàn anten bao gồm các chấn tử được xếp nằm trong một hình tròn đồng nhất . Và cuối cùng , giàn phẳng là giàn bao gồm một dãy các phần tử anten bề mặt độ lợi thấp , đồng phân cức được phân bố đồng nhất theo không gian và cùng hướng theo một hướng các chấn tử được giàn đều trên một mặt phẳng . Trong khi giàn đường thẳng và giàn tròn chỉ cho búp sóng đơn hướng ( hướng ngang ) , thì giàn phẳng cho búp sóng song hướng ( cả hướng ngang và dọc ). Tuy có cấu trúc hình học khác nhau , nhưng nguyên lý của giàn anten thích ứng là hoàn toàn giống nhau . Bằng các phương pháp toàn học người ta có thể đưa ra được thêm các cấu trúc hình học mới . Cho dù hình dạng và kiến trúc khác nhau nhưng tất cả đều phải đảm bảo các điều kiện sau: • Các anten thành phần phải như nhau về mọi mặt: tính chất vật lí, kích thước, khoảng cách giữa các phần tử…và biểu đồ hướng sóng của mỗi anten. • Không có sự tác động qua lại giữa các anten thành phần.
• Không có sự biến đổi biên độ giữa các anten. • Tín hiệu thu được phải độc lập, có thể rời rạc hoá trên mặt phẳng sóng. CÁC KỸ THUẬT SỬ DỤNG TRONG ANTEN THÔNG MINH Đặc trưng Lợi ích Tăng ích tín hiệu: Các tín hiệu vào Vùng phủ sóng rộng hơn: Tập từ các phần tử anten được kết hợp trung năng lượng được phát đi trong tế với nhau để tối ưu hoá công bào làm tăng bán kính phủ sóng của Loại bỏ nhiễu: Mẫutạo được một Dung lượng Yêu cầu ều khiển thấp suất sẵn có nhằm anten có trạm gốc. tăng: Đi công suất thể phát về phía nguồn nhiễu chính xác mức không của tín hiệu, cùng kênh, nhờ đó cải thiện được tỉ giảm nhiễu, kết hợp với giảm khoảng cách bỏ hiệ d ứ g đa số sẽ có Phân tập u trên nhiễu Thôngcác tín Loại tái sử uụnng tần đường: làm tăng số tín hiệ không gian: của tin tổng hợp từ dàn được sử dụng thể giảm trải trễ của kênh một cách để tối thiểu hoá fađinh và các hiệu hiệu quả, hỗ trợ tốc độ bit cao hơn mà Tingt kiệm công suất: Kết hợp các ứ ế không mong muốn khác của Giảm cần các bộ cân bằng. bộ không chi phí: Chi phí cho tín hiệu vào từ các phần tử để tối khuếch đại công suất thấp hơn, công ưu hóa tăng ích xử lý suất tiêu thu thấp hơn và độ tin cậy cao hơn. các tín hiệu vào từ các phần Mở rộng vùng phủ sóng Ở các vùng mật độ thuê bao thấp, tối ưu phủ sóng là hướng tới mục tiêu là tăng đ ộ rộng vùng phủ và tăng khoảng cách phủ sóng. Khi sử dụng anten thông minh ở các khu vực này cho phép tăng bán kính phủ sóng của trạm nhiều lần so với anten đ ẳng h ướng hay anten sector như mô tả trong Hình 1. Hình 1. Mở rộng vùng phủ sóng sử dụng anten thông minh Giảm nhiễu đường truyền Ở nơi có mật độ thuê bao cao, mục tiêu tối ưu phủ sóng là tăng dung l ượng. Hai k ỹ thuật chính được sử dụng để tăng dung lượng là giảm nhiễu xuyên kênh trên đ ường xuống và khử nhiễu ở đường lên. Trong hệ thống sử dụng anten thông minh, các búp sóng của anten hướng chính xác thuê bao, do vậy công suất phát chỉ phát đúng đ ến hướng cần thiết và tránh phát tín hiệu về phía nguồn can nhiễu. Nhiễu xuyên kênh kiểu đồng kênh chỉ xảy ra nếu các thuê bao này cùng nằm trong một búp sóng khá hẹp
(5o đến 10o). Do đó, nhiễu đồng kênh sẽ giảm được rất nhiều so với trường hợp dùng anten đẳng hướng (3600) hay anten sector (600, 900, 1200) ở kênh đường xuống. Nhiễu xuyên kênh đường lên có thể loại trừ bằng cách hướng búp sóng về đúng hướng thuê bao và bằng không tại các hướng có các thuê bao đồng kênh. Như vậy, giảm nhiễu đồng kênh được thực hiện bằng cách lái búp sóng hoặc chuyển mạch búp sóng. Nhờ việc sử dụng các búp sóng định hướng, nhiễu giữa các trạm phủ sóng dùng cùng tập kênh tần số cũng giảm đáng kể so với trường hợp anten đẳng hướng như mô tả trong Hình 2. Trong trường hợp lý tưởng, số lượng tr ạm phủ sóng cần có thể giảm xuống, tăng hiệu quả sử dụng băng tần và dung lượng. Hình 2. Giảm nhiễu đường xuống và loại trừ nhiễu đường lên dùng anten thông minh Đa truy nhập phân chia theo không gian Hệ thống anten thông minh cũng cho phép một trạm phủ sóng có thể liên lạc với 2 hay nhiều thuê bao sử dụng cùng một tần số khi sử dụng công nghệ đa truy nhập phân chia theo không gian (SDMA – Space Division Multiple Access), do đó cho phép hệ thống sử dụng các tài nguyên mạng hiệu quả hơn. ƯU ĐIỂM VÀ HẠN CHẾ CỦA ANTEN THÔNG MINH - Ưu điểm: • Cải thiện chất lượng tín hiệu của các hệ thống truyền thông vô tuyến bằng cách triệt can nhiễu, loại bỏ hiệu ứng đa đường và thu/ phát đúng hướng mong muốn. • Cải thiện dung lượng hệ thống do tăng khả năng sử dụng lại tần số trong cùng một cell. • Công suất phát thấp cho phép thời gian sử dụng năng lượng lâu hơn, và do đó có thể giảm kích thước và khối lượng của các thiết bị đầu cuối. Hơn nữa, việc phát công suất thấp sẽ làm giảm ảnh hưởng đến các kênh kế cận. • Anten thông minh thích hợp với hầu hết các hệ thống truyền thông vô tuyến hiện nay. - Nhược điểm:
ỨNG DỤNG ANTEN TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG - Ứng dụng trong các khối thu phát vô tuyến thế hệ mới 3G, WiMAX, LTE, WLAN