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

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

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


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

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.

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.

ABF
AMPS
AWGN
BER
BLER
BPSK
cdf
CIR

CNR
DIV
DPCH
DPCCH
DPDCH
DS
FDD
GSM

LMS
LOS
MIMO
MRC
pdf
RF
rms

SIR
SIR
target
Adaptive beam-forming

Tỉ lệ Lỗi Bít
Tỉ lệ lỗi khối
Khoá Chuyển Pha Nhị phân
Hàm Phân bố Tích luỹ
Tỉ số công suất sóng mang trên
nhiễu
Tỉ số công suất sóng mang trên tạp
Phân tập
Kênh vật lý dành riêng
Kênh điều khiển vật lý dành riêng
Kênh dữ liệu vật lý dành riêng
Chuỗi trải phổ trực tiếp
Song công phân tần
Hệ thống thông tin di động toàn cầu
GSM
Trung bình Bình phương Nhỏ nhất
Nhìn thẳng
Nhiều đầu vào Nhiều đầu ra
Bộ kết hợp Tỉ lệ Cực đại
Hàm mật độ xác suất
Cao tần / Tần số vô tuyến
Căn Trung bình Bình phương (Căn
quân phương)
Tỉ số tín hiệu trên nhiễu
Tỉ số tín hiệu trên nhiễu đích (được
-viii- SNR
TCP


Mục lục Hình vẽ

Hình Trang
Hình 1.1. Tín hiệu trong không gian
Hình 1.2. Mô hình hệ thống thông tin với N phần tử phát và M phần tử
thu trong môi trường tán xạ.
Hình 1.3. Phân loại kỹ thuật xử lý không gian-thời gian và anten thông
minh
Hình 1.4. Phân loại anten thông minh
Hình 2.1. Anten mảng phân tập M phần tử
Hình 2.2. Hàm phân bố tích luỹ của γ
s
so với γ
s
/Г cho kỹ thuật kết hợp tỉ
lệ cực đại.
Hình 2.3. BER so với ‹γ› = MГ khi M thay đổi
Hình 2.4. Hai phần tử với các tín hiệu tương quan
Hình 2.5. Ảnh hưởng của tương quan nhánh lên phân bố công suất đầu ra
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-
đinh tương quan
Hình 2.7. Anten mảng thích nghi
Hình 3.1. Mẫu tái sử dụng tần số trong thông tin di động
Hình 3.2. Tăng dung lượng bằng anten chuyển búp sóng cho nhà khai thác
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
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

Hình 3.11. Ranh giới vùng nhiễu với các xác suất nhiễu khác nhau khi có
pha-đinh và che khuất
Hình 3.12. Xác suất nhiễu đồng kênh, với i cho trước, theo Z
d
.
Hình 3.13. Chỉ ra một điểm của xác suất rớt cuội gọi với sáu ô đồng kênh
cho m=1,6 và 12 búp và
d
σ
=6 và 12 dB.
Hình 3.14. Đồ thị biểu diễn Z
d
(hình trái) và N
e
theo m (hình phải)
(với ζ=0,7, n=4,5, P
out
=1%, σ
d
=6dB, q
d
=22 dB)
Hình 3.15. Hàm hiệu suất phổ tương đối theo số búp sóng
(với ζ=0,7, n=4,5, P
out
=1%, σ
d
=6dB, q
d
=22 dB)

106
118
120
121
-xi-

Hình 4.10. Hệ thống anten thông minh thử nghiệm tại Viện Nghiên cứu
ETRI
Hình 4.11. Cấu hình hệ thống anten thông minh cho W-CDMA sử dụng
trong đo kiểm
Hình 4.12. Cạc kênh của bộ tạo búp sóng thích nghi (hỗ trợ 3 séc-tơ x 8
anten)
Hình 4.13. Mẫu búp sóng cố định đường xuống
Hình 4.14. Dạng búp sóng đường xuống (chuyển mạch búp sóng) và
đường lên (búp sóng thích nghi)
Hình 4.15. Kết quả đo kiểm SNR trên Testbed theo giá trị SIR
target
đặt
trước
Hình 4.16. Kết quả đo kiểm BLER cho ABF 8-anten và DIV 2-anten
Hình 4.17. Tỉ lệ lỗi bít BER đo được với ABF 8-anten và DIV 2-anten
123
124
125
128
129
130
130
132


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.

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

c
) = 2u(f)S(f) (1.2)
trong đó hàm bước đơn vị được định nghĩa là:



<
≥
=
0
0
0
1
)(
f
f
fu

Tín hiệu s(t) là thực và có phổ bằng:
)(
2
1
)(
2
1
)(
c
H
c
ffZffZfS −−+−=

222
zyx ++
,
θ=cos
-1








+
22
yx
x
(1.8)
φ=cos
-1








++
222

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),
x
y
z
r
φ
θ
-8-

Đánh giá các tham số tín hiệu bằng kỹ thuật quay bất biến - ESPRIT (1985)),
séc-tơ hoá vùng phủ trạm gốc (chia thành nhiều vùng phủ có hướng tới khác
nhau) [49]. Các mô hình không gian được sử dụng do những nguyên nhân
chính sau:
- Không biết thông tin về tín hiệu phát. Mô hình không gian áp dụng cho rất
nhiều tín hiệu khác nhau và cho phép đánh giá vết không gian mà thậm chí
không cần biết tính chất thời gian của tín hiệu phát chẳng hạn như: chuỗi
huấn luyện đã biết, hằng số theo khối, chuỗi mã đã biết... Khi đánh giá
được vết không gian, có thể đánh giá được tín hiệu phát. Tức là, nhiều tín
hiệu có thể được đánh giá và phân biệt khi được bù tần số ở máy phát và
máy thu, mà không cần giải điều chế và đồng bộ. Nếu kết hợp được một
mô hình không gian với các đặc trưng thời gian thì ta có thể cải thiện được
việc đánh giá kênh và vết không gian nói trên.
- Bằng mô hình không gian, ta có thể tính toán được các tham số vật lý của
đường truyền. Những tham số xác định được qua đường lên (vd: vị trí
người sử dụng) có thể được sử dụng cho đường xuống và các phần khác
của hệ thống. Ví dụ: ở chế độ song công theo tần số - FDD (đường lên và
đường xuống sử dụng tần số khác nhau), vị trí của máy phát là tham số
không phụ thuộc vào tần số, nếu vị trí này được xác định nhờ quan sát ở
đường lên thì đường xuống có thể phát chỉ theo hướng vị trí đó để giảm

đầu vào, đầu ra và kênh của hệ thống. Hệ thống xử lý không gian-thời gian
tổng quát có nhiều phần tử anten được sử dụng tại cả máy phát và máy thu
(mô hình Nhiều đầu vào-Nhiều đầu ra: MIMO). Mô hình này có đặc điểm là
tín hiệu mong muốn có nhiều đầu vào kênh thông tin (các anten phát) cũng
như nhiều đầu ra (các anten thu). Một hệ thống MIMO có thể được xem như
-10-

hệ ghép nhiều kênh con một đầu vào / một đầu ra (SISO), dung lượng kênh
của hệ thống MIMO là tổng hợp dung lượng của các kênh con thành phần.
Dung lượng hệ thống MIMO bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi phân bố tăng ích
đặc trưng của các kênh con SISO.
Xét Mô hình hệ thống thông tin với N anten phát và M anten thu hoạt
động tại một tần số không lựa chọn, môi trường pha-đinh Rayleigh, như trong
Hình 1.2. Hình 1.2. Mô hình hệ thống thông tin với N phần tử phát và M phần tử thu
trong môi trường tán xạ.

Đường bao phức của véc-tơ tín hiệu phát là
T
N
tststst
)](),...,(),([)(

1

2

3
N
Tx
1
2
M
Rx

h
11
h
12
h
1M
h
N1
-11-

Giả thiết công suất của các phần tử phát là bằng nhau bởi vì máy phát
không bị ảnh hưởng bởi các tính năng biến đổi của kênh vô tuyến và các phần
tử anten được xem là giống hệt nhau; Công suất trung bình tại đầu ra của mỗi
phần tử là P
r

1>=H<
2
mn
, trong đó dấu ngoặc đơn là toán tử kỳ vọng theo thời
gian, tỉ lệ nghịch với tốc độ pha-đinh.
Ma trận H được giả thiết là được đo tại máy thu. Do đó, trong hầu hết
trường hợp, máy phát không thể biết trước được ma trận kênh, trừ khi kênh vô
tuyến có tính chất thuận nghịch - các đặc tính ở đường xuống và đường lên là
tương tự nhau như trong trường hợp hệ thống song công theo thời gian
(TDD), tần số đường lên và đường xuống là giống nhau.
Hệ thống MIMO tổng quát thường vẫn chưa được sử dụng trong thực tế,
mà người ta thường xét một số cấu hình khác sử dụng một anten tại máy di
động và nhiều anten tại trạm gốc. Các mô hình này có thể được sử dụng cho
trường hợp một người dùng hoặc nhiều người dùng. Trạm gốc có thể sử dụng
kỹ thuật tạo búp hoặc phân tập. Tại máy phát, dữ liệu người dùng có thể được
mã hoá sử dụng kỹ thuật mã hoá không gian-thời gian, trước khi điều chế và
-12-được phát qua anten M
T
. Khi xem xét máy phát tại đầu cuối di động, số luồng
dữ liệu bằng 1, trong đó số luồng dữ liệu được mã hoá và được ghép vào
anten phát và K là số người sử dụng tại trạm gốc.
Máy thu của người sử dụng thứ k sẽ phải khôi phục được tín hiệu gốc từ
một hỗn hợp gồm: tín hiệu mong muốn, tạp AWGN và nhiễu đa truy nhập.
Giải pháp sử dụng anten nhiều phần tử tại cả máy thu và máy phát cho phép
khôi phục dữ liệu phát tốt hơn. Hiện tại, các vấn đề nghiên cứu về xử lý ở
máy thu hầu hết được tập trung vào các thuật toán tối ưu hoặc trong miền thời
gian hoặc trong miền mã.