LỜI CẢM ƠN
Em xin chân thành cảm ơn thầy Phạm Duy Phong đã tạo điều kiện, giúp đỡ,
tận tình hướng dẫn, đưa ra những định hướng nghiên cứu cũng như hướng giải
quyết một số vấn đề cho em trong quá trình thực hiện đồ án “Nghiên cứu một số
thuật toán ước lượng hướng sóng tới trong hệ thống thông tin vô tuyến”.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong khoa Điện tử Viễn thông và các
thầy cô trong trường Đại học Điện lực đã chỉ bảo, hướng dẫn em trong thời gian học
tập tại trường.
Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến bố mẹ, em trai, những
người thân trong gia đình và bạn bè đã cổ vũ, động viên em trong suốt quá trình học
tập cũng như hoàn thành đồ án tốt nghiệp.
Hà Nội, ngày 14 tháng 2 năm 2012
Sinh viên
Vũ Văn Khoa
GVHD: ThS. Phạm Duy Phong SVTH: Vũ Văn Khoa
MỤC LỤC
GVHD: ThS. Phạm Duy Phong SVTH: Vũ Văn Khoa
i
DANH MỤC HÌNH VẼ
GVHD: ThS. Phạm Duy Phong SVTH: Vũ Văn Khoa
ii
DANH MỤC BẢNG BIỂU
GVHD: ThS. Phạm Duy Phong SVTH: Vũ Văn Khoa
iii
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
3G Third Generation Hệ thống mạng di động thế hệ
thứ 3
ADC Analog-to-Digital Converter Bộ chuyển đổi tương tự/số
AoA Angle of Arrival Góc tới của sóng
BF Beamforming Định dạng búp sóng
BLAS Basic Linear Algebra

phương tối thiểu
UCA Uniform Circular Array Mảng đường tròn đều
ULA Uniform Linear Array Mảng đường thẳng tuyến tính
đều
GVHD: ThS. Phạm Duy Phong SVTH: Vũ Văn Khoa
iv
MỞ ĐẦU
Trong thời gian gần đây, hệ thống mạng viễn thông vô tuyến phát triển rất
nhanh nhằm đáp ứng sự bùng nổ nhu cầu các thuê bao, nhất là các thuê bao băng
rộng. Tiêu biểu trong số các hệ thống đó là các mạng di động thế hệ thứ 3 (3G).
Trong thời gian tới, các hệ thống mạng sẽ tiếp tục được phát triển rộng khắp với
tiêu chí nâng cao chất lượng dịch vụ và khả năng hỗ trợ người dùng. Góp phần vào
việc nâng cao chất lượng dịch vụ là các kỹ thuật xử lý tín hiệu, các thiết bị hiện đại,
các công nghệ mới… Dựa vào các công nghệ, kỹ thuật mới, nhiều hệ thống được
phát triển và ứng dụng tốt trên thực tế. Anten thông minh là một trong những hệ
thống thiết bị có đầy đủ các yếu tố trên, nên đang rất được quan tâm.
Thuật toán ước lượng hướng sóng tới là những thuật toán được áp dụng vào
hệ thống anten thông minh, tận dụng hiệu quả các kỹ thuật xử lý tín hiệu. Các thuật
toán này được thực hiện ở máy thu, nhằm mục đích tìm ra hướng truyền tới của
sóng từ xa. Thuật toán này đóng vai trò quan trọng trong các hệ thống mạng hướng
tới phục vụ người dùng với chất lượng dịch vụ cao.
Trên thế giới, rất nhiều công trình nghiên cứu về các thuật toán này được
thực hiện tại các trường đại học, các viện nghiên cứu và được các tổ chức uy tín về
viễn thông quốc tế như IEEE công nhận. Tại Việt Nam, các thuật toán này đã bắt
đầu được nghiên cứu cách đây ít lâu tại các trường đại học hàng đầu như Đại học
Bách Khoa Hà Nội, Đại học Quốc Gia Hà Nội, Học viện Công nghệ Bưu chính
Viễn Thông, vv… Một số các viện nghiên cứu, doanh nghiệp viễn thông cũng đã
quan tâm nghiên cứu và hướng đến triển khai thực tiễn. Như vậy, có thể thấy rằng
các vấn đề nghiên cứu về thuật toán xác định hướng sóng tới là một vấn đề cấp
thiết, có tính khoa học và thực tiễn.

thức mà em đã học được và chắc chắn sẽ giúp em rất nhiều trong quá trình học tập
và công tác sau này.
CHƯƠNG 1
HỆ THỐNG ANTEN THÔNG MINH VÀ
VIỆC ƯỚC LƯỢNG HƯỚNG SÓNG TỚI
1.1. Sự phát triển của hệ thống thông tin vô tuyến và sự ra đời của Anten
thông minh
Thông tin liên lạc là một phần không thể thiếu của xã hội loài người. Cùng
với sự phát triển kinh tế xã hội, các hệ thống thông tin liên lạc luôn được phát triển,
ứng dụng các thành tựu khoa học kỹ thuật mới nhất nhằm đáp ứng nhu cầu ngày
càng cao của đời sống người dân. Thay thế cho cáp kim loại đối xứng, vốn là
phương tiện truyền dẫn thông tin lâu đời nhất, cáp đồng trục, cáp quang ra đời, với
các ưu điểm: có tốc độ truyền dẫn cao, băng thông rộng, đảm bảo chất lượng tín
hiệu … Tuy nhiên, các hệ thống truyền dẫn hữu tuyến trên có nhược điểm là cần
nhiều vốn đầu tư, việc xây dựng, lắp đặt, triển khai không dễ dàng (đôi khi không
thể thực hiện thi công lắp đặt dây cáp được), nhất là không thể cung cấp cho người
dùng dịch vụ khả năng linh hoạt tiếp cận thông tin mọi lúc mọi nơi.
Khắc phục được nhược điểm trên của các hệ thống hữu tuyến, ngày nay, hệ
thống thông tin vô tuyến có thể cho phép người sử dụng liên lạc bằng điện thoại di
động hay truy nhập internet ngay cả khi họ đi lại trên đường phố, ngồi trong ô tô, có
mặt tại những địa điểm không có kết nối hữu tuyến. Chính vì ưu điểm vượt trội này
nên các hệ thống thông tin vô tuyến luôn nhận được sự quan tâm của các nhà
nghiên cứu và các công ty khai thác viễn thông, nhằm phát triển hệ thống thông tin
ngày một tối ưu hơn nhờ vào khả năng tăng tốc độ, bảo đảm chất lượng, sự đa dạng
dịch vụ, và do đó phục vụ người dùng được tốt hơn.
Gần đây, số lượng người sử dụng dịch vụ vô tuyến gia tăng rất nhanh, nhất là
các dịch vụ băng rộng, làm cho dải tần số sử dụng trong thông tin liên lạc vô tuyến
nhanh chóng cạn kiệt; đây là một tài nguyên quý giá cần được duy trì và sử dụng
một cách hợp lý. Vì vậy, các hệ thống cần phải được cải tiến để tận dụng phổ tần số
một cách hiệu quả hơn. Trong những nghiên cứu liên quan đến phát triển hệ thống

Anten có hướng có khả năng tập trung công suất tối ưu hơn so với anten vô
hướng và được sử dụng rất nhiều tại các trạm BTS của các hệ thống thông tin di
động.
Anten có hướng khi lắp đặt có thể được định hướng phát hoặc thu cố định để
có thể hoạt động trong một thời gian dài. Một hệ thống sử dụng anten có hướng
được lắp đặt trong một khu vực sẽ chia khu vực đó thành các sector, mỗi sector
được coi như một cell nhỏ. Do mỗi sector sẽ do một anten đảm nhiệm việc thu phát
tín hiệu, công suất phát của anten được tập trung hơn nên vùng phủ mở rộng hơn so
với anten vô hướng. Ngoài ra, do mỗi sector có thể sử dụng một dải tần số nhỏ
trong dải tần mà cell sử dụng, việc tái sử dụng tần số được thực hiện một cách hoàn
hảo hơn, đồng thời giảm thiểu hiện tượng nhiễu đồng kênh. Trên thực tế, một anten
của một BTS có thể có 2, 3 hoặc 6 sector. Tuy nhiên, do các sector sử dụng các tần
số khác nhau, việc người dùng di chuyển từ sector này sang sector khác cần phải có
thủ tục chuyển giao để đảm bảo tín hiệu được liên tục.
Anten có hướng đã khắc phục được nhiều nhược điểm của anten vô hướng
và nâng cao được hiệu quả sử dụng kênh truyền, song vấn đề về nhiễu vẫn chưa thể
được giải quyết một cách có hiệu quả.
Hình 1.2. Hình dạng vùng phủ của anten có hướng
1.1.3. Anten nhiều phần tử và hệ thống phân tập
Anten nhiều phần tử là nền tảng của hệ thống anten thông minh. Mỗi phần tử
của anten có khả năng thu phát nhất định. Các phần tử của anten có thể nhận được
mức tín hiệu khác nhau nên có thể chọn phần tử có mức tín hiệu cao nhất tại một
thời điểm hoặc kết hợp các phần tử.
Ứng dụng đầu tiên của anten nhiều phần tử là để khắc phục hiện tượng
fading. Các phần tử của anten được sắp xếp theo các dạng khác nhau để tạo thành
hệ thống phân tập có khả năng làm giảm ảnh hưởng của hiện tượng fading.
Do sự cần thiết của việc truyền và nhận tín hiệu với nhiều người dùng trong
điều kiện nhu cầu của người dùng cũng như của các nhà cung cấp dịch vụ là giảm
sự ảnh hưởng của nhiễu đến mức tối thiểu dẫn đến một bước phát triển mới của hệ
thống anten, đó là tích hợp tính thông minh vào hoạt động của các phần tử anten.

thích nghi.
o Hệ thống anten chuyển đổi búp sóng: Hệ thống này gồm có nhiều búp sóng
cố định có độ nhạy cao với các hướng nhất định. Các hệ thống anten này đo
được cường độ tín hiệu, chọn một búp sóng cố định và xác định trước để
chuyển sang phục vụ tín hiệu này khi có thay đổi. Thay vì thay đổi hình dạng
vùng phủ của anten bằng các đặc tính cơ học và vật lý như đối với anten chia
sector, các hệ thống chuyển đổi búp sóng kết hợp các đầu ra của nhiều anten
tạo thành một búp sóng có hướng với khả năng lựa chọn hướng tốt hơn
phương pháp tiếp cận bằng anten một phần tử truyền thống.
o Các hệ thống mảng anten thích nghi: là đại diện cho các anten thông minh
tiên tiến nhất trong giai đoạn hiện nay. Với khả năng áp dụng một số thuật
toán xử lý tín hiệu mới, hệ thống mảng thích nghi có lợi thế lớn trong việc
định vị và theo dõi các tín hiệu khác nhau để linh động hơn trong việc giảm
thiểu nhiễu và tối ưu hóa việc nhận tín hiệu.
c) Định nghĩa 3:
Các anten thông minh là các mảng chứa các phần tử anten có thể thay đổi
dạng búp sóng một cách linh động để tự điều chỉnh theo sự thay đổi của nhiễu và
tạp âm trên kênh truyền và giảm thiểu ảnh hưởng của hiệu ứng fading đa đường lên
tín hiệu người dùng cần quan tâm.
Sự khác biệt giữa anten thông minh (thích nghi) và anten không thông minh
(cố định) là anten đó có dạng búp sóng có khả năng thay đổi thích nghi theo sự thay
đổi của môi trường hay cố định. Điều quan trọng đối với tính năng thu và phát tín
hiệu theo một cách nhạy bén và thích hợp là khả năng xử lý tín hiệu số. Bản thân
một anten thì không thông minh; chính sự kết hợp các phần tử anten tạo thành mảng
và phần mềm xử lý tín hiệu khiến cho anten thông minh trở nên hiệu quả hơn.
Các hệ thống anten thông minh được phân loại dựa trên cách truyền tín hiệu
của chúng. Theo cách phân loại đó, ta có ba loại anten thông minh:
o Các anten chuyển đổi búp sóng: là các anten được lắp đặt tại các trạm gốc
trong một cell. Chúng có chức năng cơ bản là chuyển chế độ giữa anten định
hướng và mảng có búp sóng định trước. Chế độ nào cho hiệu suất tốt nhất

• Tự điều chỉnh được các búp sóng về cả mặt phát và thu sao cho các búp sóng
hướng về phía có tín hiệu người dùng và không hướng về phía có nhiễu.
Từ các đặc điểm trên, có thể nhận thấy rằng kỹ thuật xử lý tín hiệu đóng một
vai trò rất quan trọng trong hoạt động của anten thông minh. Nhờ kỹ thuật xử lý tín
hiệu mà anten có được các tính năng trên, các tính năng mà nhờ đó ta có thể gọi
những anten này là thông minh.
1.2.2. Các loại anten thông minh
Có hai tiêu chí để phân loại các anten thông minh: dựa vào hình dạng anten
và dựa vào hoạt động của anten.
a) Dựa vào hình dạng anten:
Anten thông minh được cấu tạo từ nhiều phần tử anten, mỗi phần tử này lại
là một anten có khả năng thu phát tín hiệu hoàn chỉnh. Các phần tử này được ghép
lại với nhau thành một anten mảng và có liên hệ với nhau qua khối thu phát tín hiệu
vô tuyến. Tùy vào hình dạng mảng mà anten có thể phù hợp với các dạng búp sóng
khác nhau.
Trong hình 1.3 là một số hình dạng mảng anten thông minh. Mỗi dạng mảng
anten có một số đặc tính riêng, do đó có thể ứng dụng cho một số trường hợp nhất
đinh.
• Hình 1.3 (a): mảng đường thẳng đều (ULA – Uniform Linear Array): Các
phần tử anten được xếp thẳng hàng với nhau, khoảng cách giữa các phần tử
bằng nhau. Mảng anten này có thể sử dụng để xác định búp sóng với các góc
phương vị nhất định. Loại mảng anten này có thể được sử dụng ở khu vực
rộng và thoáng, vì cấu trúc đơn giản nhưng vẫn đạt hiệu quả sử dụng.
• Hình 1.3 (b): mảng đường tròn: Các phần tử anten được xếp đều trên một
đường tròn. Dạng mảng này có thể sử dụng với các búp sóng ở mọi góc
phương vị, tuy nhiên không xác định được góc ngẩng. Đây có thể là một sự
bổ sung cho mảng đường thẳng khi không cần xác định góc ngẩng.
• Hình 1.3 (c) và (d): mảng dạng lưới 2 chiều (dạng mặt phẳng) và 3 chiều
(dạng khối): Hai dạng mảng anten này có thể xác định các búp sóng ở mọi
hướng. Do cấu trúc phức tạp, các dạng mảng này thường chỉ áp dụng trong

Hệ thống Anten thông minh có thể ứng dụng vào máy phát hoặc máy thu.
Cấu trúc của bên phát hay bên thu cũng đều gồm có khối anten, khối vô tuyến, khối
định dạng búp sóng và khối xử lý tín hiệu.
a) Máy thu sử dụng anten thông minh:
Khối anten (Antenna Array) của máy thu gồm các phần tử anten được sắp
xếp theo các hình dạng như trong hình 1.3. Số lượng các phần tử anten phải đảm
bảo vừa đủ, không quá ít để có thể đáp ứng được nhu cầu cần thiết, cũng không quá
nhiều để tránh sự phức tạp của hệ thống.
Khối vô tuyến (Radio Unit) bao gồm M chuỗi biến đổi đầu vào tương ứng
với M phần tử anten và các bộ chuyển đổi analog/digital (ADC).
Khối xử lý tín hiệu (Signal Processing Unit) sẽ phân tích tín hiệu thu được để
tính toán các trọng số w
1
, w
2
,…,w
M
được nhân với tín hiệu thu được ở M phần tử
mảng. Các trọng số này sẽ quyết định dạng của búp sóng anten cần thiết ở đường
lên của tín hiệu và được đưa sang khối định dạng búp sóng để giúp xác định tín hiệu
tổng hợp nhận được.
Khối định dạng búp sóng (Beam Forming Network) sẽ kết hợp tín hiệu thu
được từ các nhánh anten và các trọng số tương ứng với từng nhánh vừa được khối
xử lý tín hiệu cung cấp để đưa ra được tín hiệu đầu ra giống với tín hiệu ban đầu ở
bên phát nhất.
Hình 1.6. Máy thu sử dụng anten thông minh
b) Máy phát sử dụng anten thông minh
Đối với máy phát, tín hiệu được khối định dạng búp sóng phân thành nhiều
nhánh để phát đi tại nhiều phần tử anten khác nhau. Ở khối này, tín hiệu của từng
nhánh được nhân với các trọng số lượng tử được gửi đến từ khối xử lý tín hiệu.

cách giữa các phần tử là D. Các tín hiệu được phát đi từ một nguồn ở rất xa khi tới
mảng có thể coi là các mặt sóng. Các mặt sóng này di chuyển với vận tốc c = 3.10
8
m/s. Giả sử có sóng có bước sóng λ và hướng tới như trong hình 1.8. Lấy phần tử
anten đầu tiên làm phần tử tham chiếu, có thể dễ dàng thấy rằng khi phần tử tham
chiếu nhận được tín hiệu, các phần tử còn lại trong mảng chưa nhận được tín hiệu.
Để đến được phần tử thứ n, mặt sóng phải di chuyển thêm một quãng:
( )
θ
sin 1 Dnd
n
−=
(1.1)
Với vận tốc của sóng điện từ là c, thời gian để mặt sóng đi hết quãng đường
đó là:
( )
c
Dn
c
d
t
n
n
θ
sin 1−
==
(1.2)
Trong điều kiện chỉ có một sóng tới mảng anten với góc tới là θ và quãng
đường d
n

2
λ
π
ϕ
=∆
(1.4)
Từ công thức (1.1) và công thức (1.4), ta có thể tính góc tới θ dựa vào công
thức:
( )
Dn
n
.1.2
.
sin
−
∆
=
π
λϕ
θ
(1.5)
Cũng tương tự như trên, do các giá trị Δφ
n
, n, D, λ đều biết trước hoặc có thể
đo được, ta có thể dễ dàng tính được góc tới θ của sóng.
1.4. Kết luận chương 1
Chương 1 của đồ án đã giới thiệu về sự phát triển của hệ thống thông tin vô
tuyến, một số thế hệ anten và cơ sở cho sự ra đời của anten thông minh. Trong
chương 1 cũng nêu khái niệm, một số đặc điểm, cấu trúc và ứng dụng của hệ thống
anten thông minh.

m
giữa các phần tử của mảng gặp nhiều khó
khăn. Tuy nhiên, với tín hiệu là băng hẹp, băng thông của tín hiệu nhỏ hơn
rất nhiều so với nghịch đảo của trễ truyền lan giữa các phần tử trong mảng.
Do đó, biên độ tín hiệu gần như không đổi trong quá trình truyền lan qua
mảng và có thể biểu diễn trễ lan truyền bằng phép dịch pha tín hiệu.
• Các tín hiệu không tương quan với nhau: Các tín hiệu tương quan gây ảnh
hưởng đến kết quả của thuật toán. Nếu có hai tín hiệu tương quan với nhau,
hệ thống có thể nhầm là một tín hiệu. Chính vì vậy, các tín hiệu không được
tương quan với nhau.
• Nhiễu ảnh hưởng lên tín hiệu là nhiễu Gauss: Nhiễu Gauss là loại nhiễu tác
động trực tiếp lên tín hiệu và làm thay đổi tín hiệu. Nhiễu Gauss có thể được
tạo ra bởi nhiều nguồn trong tự nhiên nên là loại nhiễu tổng quát và ngẫu
nhiên nhất. Nhiễu Gauss có phân bố chuẩn, tập trung với mật độ cao tại giá
trị trung bình và trải đều ra hai bên của giá trị trung bình đó. Khi tính ma trận
hiệp phương sai với nhiễu Gauss, ta được kết quả là
I
2
σ
.
Hình 2.1. Phân bố của nhiễu Gauss xung quanh giá trị trung bình t
0
• Số phần tử của mảng lớn hơn so với số tín hiệu: Số lượng phần tử anten cấu
thành nên một mảng anten không thể quá nhiều do giới hạn về kích thước
mảng anten cũng như khả năng lắp đặt thực tế. Ta có thể xem bài toán tìm
góc tới của anten với một mảng có N phần tử gần tương đương với bài toán
giải hệ phương trình có N phương trình: Nếu hệ này có N ẩn, ta có thể giải
được bình thường, nhưng nếu hệ có nhiều hơn N ẩn, ta có thể sẽ không giải
được do có vô số nghiệm. Hai bài toán này không hoàn giống nhau nhưng từ
việc liên hệ so sánh ở trên, ta có thể có được cái nhìn đơn giản và dễ hiểu