ANTENNA 07706451 lehieu DHDT3B
Anten – Antenna
Anten là thiết bị thực hiện việc chuyển đổi năng lượng giữa sóng được dẫn hướng (ví dụ trong
cáp đồng trục) và sóng trong môi trường không gian tự do, hoặc ngược lại. Anten có thể được sử
dụng để phát hoặc thu tín hiệu vô tuyến. Trong tiêu chuẩn này, nếu không có quy định cụ thể,
thuật ngữ anten được dùng để chỉ anten phát
Antenna là môt bộ chuyên đôi dong điên di chuyên ở tân số cao thanh song điên từ, hoăc ngược lai
̣ ̉ ̉ ̀ ̣ ̉ ̀ ̀ ́ ̣ ̣ ̣
chuyên song điên từ thanh dong điên xoay chiêu. Antenna có thể được dung để bức xạ năng lượng ra
̉ ́ ̣ ̀ ̀ ̣ ̀ ̀
không gian, hoăc nhân năng lượng từ không gian.
̣ ̣
Kiểu Anten
Với anten half-wave dipole thì chiều dài từ đầu cuối đến đầu cuối sẽ bằng nửa bước sóng ở tần
số đó. Anten omni-directional cung cấp độ lợi bằng nhau theo mọi hướng trên một mặt phẳng,
thường là mặt phẳng ngang.
Anten dipole thường là omni-directional. Anten Omni-directional thường được sử dụng khi triển
khai mạng WLAN bởi vì chúng cung cấp vùng bao phủ theo mọi hướng. Anten Yagi-Uda được xây
dựng bằng cách hình thành một chuỗi (array) tuyến tính các anten dipole song song nhau.
Anten Yagi là loại anten định hướng rất phổ biến bởi vì chúng khá dễ chế tạo. Các anten định
hướng như yagi thường cung cấp vùng bao phủ ở những vùng khó với tới hay ở những nơi cần
vùng bao phủ lớn hơn vùng bao phủ của anten omni-directional.
Một loại anten định hướng khác là anten Patch được hình thành bằng cách đặt 2 vật dẫn
(conductor) song song nhau và một miếng đệm (substrate) ở giữa chúng. Vật dẫn phía trên là một
miếng nối (patch) và có thể được in trên bảng mạch điện. Anten Patch thường rất hữu ích bởi vì
chúng có hình dáng mỏng. Ngoài ra còn có nhiều loại anten khác như broadside anten (có main beam
song song với mặt phẳng của anten); fire anten (main beam nằm trong mặt phẳng của anten); và
pencil beam anten (cung cấp 1 tín hiệu duy nhất, rất hẹp (narrow) và độ lợi cao cho anten.
*tại sao angten lai có thể băt nhiều song cung luc?
̣ ́ ́ ́
1 Anten có thể cùng 1 lúc bắt được nhiều sóng vì :
Các tín hiệu sóng mà anten nhận được sẽ truyền đến bộ phân tích sóng .Nơi đây chủ yếu là gồm
1
ANTENNA 07706451 lehieu DHDT3B
các mạch cộng hưởng L-C .Mỗi cặp L-C chỉ cho 1 tần số sóng xác định qua nó mạnh nhất ,các tần
sóng khác thì không cho qua ( thựcc tế thì cũng qua được nhưng rất yếu ). Ví dụ dễ thấy nhất là cái
Radio .Khi bạn đang dò đài thực chất là bạn đang điều chình tụ điện C .Việc thay để điện dung C
dẫn đến việc thay đổi tần số cộng hưởng của máy .Khi bạn được đài mong muốn thì tần số đài đó
là tần sóng cộng hưởng của Radio mà nó cho phép qua để vào bộ phận biến đổi cao tần thành âm
tần tạo âm thanh đến tai bạn .
I. Tổng quan về Anten và các hệ thống Anten truyền thống
Có nhiều loại an ten đã được nghiên cứu áp dụng trong suốt quá trình phát triển của các thế hệ
thông tin di động, trước khi tìm hiểu về các hệ thống an ten phức tạp, chúng ta hãy cùng điểm qua
hai loại an ten cơ bản được dùng khá phổ biến, đó là an ten đẳng hướng (omnidirectional
antenna) và an ten định hướng (directional antenna).
Hình 1. Anten đẳng hướng và đặc tuyến phủ sóng
An ten đẳng hướng là loại an ten đơn giản dùng để phát và thu sóng đồng đều đối với tất cả các
hướng (Hình 1). Loại an ten này thích hợp cho việc tìm kiếm một máy điện thoại di động (mobile
station - MS) khi không biết chính xác máy này nằm ở vị trí nào, tuy nhiên nó làm phân tán năng
lượng và cường độ tín hiệu đến được MS chỉ bằng một phần nhỏ của tổng năng lượng tín hiệu
phát ra. Để khắc phục nhược điểm này người ta phải nâng công suất phát, nhưng điều này lại làm
tăng sự xuyên lẫn giữa các kênh (còn gọi là xuyên nhiễu). Nói chung an ten đẳng hướng có nhiều
hạn chế về độ tăng ích, hiệu năng sử dụng phổ tần và khả năng tái sử dụng các kênh tần số.
An ten định hướng cũng là loại an ten đơn giản, nhưng khác với an ten đẳng hướng nó được thiết
kế để phát và thu tín hiệu tập trung về một hướng nhất định (Hình 2). Trong các hệ thống thông tin
di động, đặc tuyến phủ sóng của an ten định hướng thường hình quạt với góc mở là 1200.
So với anten đẳng hướng, an ten định hướng có độ tăng ích và hiệu năng tín hiệu cao hơn nhờ sự
tập trung tín hiệu. Tuy nhiên nó vẫn không thể khắc phục được một nhược điểm lớn của an ten
đẳng hướng, đó là vấn đề xuyên lẫn giữa các kênh.
Hình 2. Anten định hướng và đặc tuyến phủ sóng
Để khắc phục nhược điểm của các loại an ten đơn giản nêu trên người ta đã cố gắng kết hợp
nhiều an ten với nhau để tạo thành một hệ thống an ten. Các an ten trong cùng hệ thống phải làm
việc đồng bộ với nhau nhằm nâng cao độ tăng ích cũng như mở rộng vùng phủ sóng. Phần tiếp sau
đây sẽ tóm lược các hệ thống an ten đã được nghiên cứu phát triển cho các hệ thống thông tin di
động.
Hệ thống an ten hình quạt (sectored systems)
2
ANTENNA 07706451 lehieu DHDT3B
Hệ thống an ten hình quạt kết hợp các an ten định hướng đặt ở trạm gốc (base station-BS) để chia
các ô (cell) truyền thống thành từng phần hình quạt (sector). Một cell thường được chia thành 3
hoặc 6 sector, các sector hoạt động như các cell độc lập. Hệ thống an ten hình quạt cho phép tăng
khả năng tái sử dụng các kênh tần số và giảm bớt xuyên nhiễu trong các hệ thống thông tin di động
(Hình 3).
Hình 3. Hệ thống anten hình quạt và đặc tuyến phủ sóng
Hệ thống an ten phân tán (diversity systems)
Hệ thống an ten phân tán kết hợp các an ten đặt các vị trí khác nhau ở trạm gốc nhằm hạn chế hiệu
ứng đa đường (fading). Để đơn giản ở đây ta chỉ xét hệ thống an ten phân tán gồm hai an ten.
• Hệ thống này cải thiện độ lớn của tín hiệu thu được bằng cách sử dụng một trong hai phương
pháp sau:
Hình 4. Sự cải thiện hiệu ứng fađing của anten phân tán chuyển mạch
An ten phân tán chuyển mạch - Sử dụng bộ chuyển mạch tự động để chọn kết nối kênh tín hiệu
với an ten nào ở vị trí thu được tín hiệu tốt nhất. Hệ thống này có khả năng cải thiện được hiệu
ứng fading (Hình 4), tuy nhiên nó không thể nâng cao độ tăng ích do tại mỗi thời điểm chỉ có một
an ten làm việc.
An ten phân tán phối hợp - Thực hiện việc nhận tín hiệu từ cả hai an ten, sửa sự lệch pha nhằm
phối hợp hai tín hiệu để đưa ra tín hiệu tốt nhất. Hệ thống này không những cải thiện được hiện
tượng fading mà còn tăng được độ tăng ích của an ten (Hình 5).
Hình 5. Sự cải thiện độ tăng ích của anten phân tán phối hợp
3
ANTENNA 07706451 lehieu DHDT3B
Bởi vì cường độ tín hiệu phát ra của trạm gốc (hướng xuống) thường lớn hơn nhiều cường độ tín
hiệu phát ra bởi mobile (hướng lên) nên hệ thống an ten phân tán thường được dùng ở các trạm
gốc để cải thiện tín hiệu thu được từ mobile.
Hệ thống an ten phân tán mặc dù có cải thiện được hiệu ứng fading nhưng vẫn chưa đáp ứng
được đòi hỏi phải giảm xuyên lẫn gữa các kênh, nâng cao độ nhạy, tăng khả năng tái sử dụng kênh
tần số cũng như tăng dung lượng của hệ thống. Các yêu cầu này dẫn đến việc đòi hỏi nghiên cứu
phát triển các hệ thống an ten thông minh hơn cho các hệ thống thông tin di động thế hệ mới. Phần
tiếp sau sẽ trình bày tổng quan về các loại an ten thông minh đang được nghiên cứu phát triển hiện
nay.
An ten thông minh là một hệ thống gồm một ma trận các an ten phối hợp với nhau bằng công
nghệ số nhằm tối ưu hoá việc phát và thu tín hiệu. Các an ten này có khả năng tự động điều chỉnh
hướng đặc tuyến phủ sóng của mình sao cho phù hợp nhất với môi trường tín hiệu. An ten thông
minh không những làm tăng chất lượng tín hiệu mà còn làm tăng dung lượng hệ thống thông qua
việc tăng khả năng tái sử dụng kênh tần số. Một số đặc điểm và lợi ích nổi bật của an ten thông
minh được liệt kê trong bảng 1 sau đây.
Bảng 1. Đặc điểm và lợi ích của an ten thông minh
Đặc điểm Lợi ích
Vùng phủ sóng rộng hơn: Tập trung năng lượng được phát đi
Tăng ích tín hiệu: Các tín hiệu vào
trong tế bào làm tăng bán kính phủ sóng của trạm gốc. Yêu cầu
từ các phần tử anten được kết hợp
công suất thấp hơn giúp cho tuổi thọ của nguồn pin dài hơn,
với nhau để tối ưu hoá công suất
cũng như kích cỡ thiết bị nhỏ gọn hơn.
sẵn có nhằm tạo được một mức
độ phủ sóng nhất định
*Mở rộng được vùng phủ sóng - Việc tập trung năng lượng
*Độ tăng ích cao - Tín hiệu vào từ
truyền sóng vào trong cell cho phép mở rộng vùng phủ sóng
nhiều an ten được phối hợp để
của trạm gốc. Mặt khác tăng ích trạm gốc lớn cho phép giảm
nâng cao độ tăng ích từ đó tối ưu
công suất phát yêu cầu của MS, từ đó tăng thời gian sử dụng
hoá công suất phát yêu cầu đối với
của pin và cho phép giảm nhỏ kích thước cũng như trọng
một vùng phủ sóng nhất định.
lượng mobile.
Loại bỏ nhiễu: Mẫu anten có thể
phát về phía nguồn nhiễu cùng Dung lượng tăng: Điều khiển chính xác mức không của tín
kênh, nhờ đó cải thiện được tỉ số hiệu, giảm nhiễu, kết hợp với giảm khoảng cách tái sử dụng
tín hiệu trên nhiễu của các tín hiệu tần số sẽ làm tăng dung lượng. Nhiều công nghệ thích nghi hỗ
thu được trợ khả năng tái sử dụng tần số trong cùng một tế bào.
*Chống xuyên lẫn - Tỷ số tín
hiệu/xuyên nhiễu (C/I) được nâng *Tăng dung lượng - Việc tăng tỷ số C/I cho phép giảm nhỏ
cao nhờ giảm được số nguồn khoảng cách tái sử dụng, từ đó tăng thêm dung lượng của hệ
nhiễu tác động lên beam định thống.
hướng.
Phân tập không gian: Thông tin Loại bỏ hiệu ứng đa đường: có thể giảm trải trễ của kênh
tổng hợp từ dàn được sử dụng để một cách hiệu quả, hỗ trợ tốc độ bit cao hơn mà không cần các
tối thiểu hoá fa đinh và các hiệu bộ cân bằng.
ứng không mong muốn khác của
4
ANTENNA 07706451 lehieu DHDT3B
truyền sóng đa đường
*Sự phân tập không gian - Các tín
hiệu từ ma trận an ten được phối *Nâng cao khả năng chống hiệu ứng đa đường - Có thể giảm
hợp nhằm giảm thiểu hiệu ứng được tác động của việc trễ trong kênh, cho phép nâng cao tốc
fading và các ảnh hưởng khác của độ (bit rate) mà không cần dùng đến bộ cân bằng.
hiệu ứng đa đường.
Tiết kiệm công suất: Kết hợp các
tín hiệu vào từ các phần tử để tối
Giảm chi phí: Chi phí cho bộ khuếch đại công suất thấp hơn,
ưu hoá tăng ích xử lý trong hướng
công suất tiêu thụ ít hơn và độ tin cậy cao hơn.
xuống
*Giảm chi phí hệ thống - Giảm chi phí cho các bộ khuyếch
*Tối ưu hoá công suất phát -Kết
đại, giảm mức tiêu thụ điện năng và nâng cao độ tin cậy của
hợp tín hiệu vào của nhiều an ten
hệ thống.
nhằm tối ưu hoá độ tăng ích
đường xuống.
Có thể áp dụng cho hầu hết các hệ thống thông tin di động sử
Thích ứng với hầu hết các chuẩn
dụng các chuẩn truy nhập FDMA, TDMA CDMA hay các
thông tin vô tuyến
chuẩn song công FDD, TDD.
Có tính trong suốt đối với mạng
Cho phép tạo ra các sản phẩm và dịch vụ chất lượng cao và
lưới - Không bị giới hạn bởi một
đưa lại cho các nhà cung cấp dịch vụ một khả năng cạnh tranh
phương thức điều chế hay giao
mạnh.
thức vô tuyến cụ thể nào.
6. Truyền sóng: Nhiễu đa đường và nhiễu cùng kênh
Những suy luận về truyền sóng
Chúng ta tưởng tượng là ném một hòn đá xuống một hồ nước. Các vòng sóng phát đi từ điểm ném
hoàn toàn đồng dạng mà chỉ khác về cường độ. Việc phát quảng bá hoàn toàn đơn hướng này cũng
giống như một tín hiệu của người gọi bắt đầu từ thiết bị đầu cuối và đi lên. Nó thể hiện một tín
hiệu ở khắp mọi nơi mà nó truyền đi.
Với một trạm gốc ở một cự ly nào đó từ sóng gốc. Nếu mẫu không bị nhiễu thì trạm gốc không
gặp khó khăn trong việc nhận biết các sóng. Nhưng khi các sóng này chạm đến bờ thì nó phản xạ
lại và giao với các sóng gốc ban đầu. Khi kết hợp với nhau chúng có thể bị yếu đi hay mạnh lên.
Đây chính là vấn đề nhiễu đa đường.
Bây giờ, nếu ném nhiều hòn đá vào những vùng khác nhau trong hồ nước, tương đương như nhiều
cuộc gọi khác nhau cùng bắt đầu. Vậy thì trạm gốc ở một vị trí nào đó trong hồ sẽ làm thế nào để
phân biệt được tín hiệu của nguồn nào và từ hướng nào đến. Vấn đề này được gọi là nhiễu cùng
kênh. Đây là suy luận hai chiều, để phân biệt được những người gọi (hay các tín hiệu trong không
gian), một trạm gốc phải đủ thông minh để đặt thông tin mà nó phân tích vào trong bối cảnh không
gian. Đa đường Khi tín hiệu vô tuyến phát đi bị phản xạ bởi những cấu trúc vật lý, gây ra nhiều
đường tín hiệu giữa trạm gốc và thiết bị đầu cuối sử dụng
5
ANTENNA 07706451 lehieu DHDT3B
Hình 8. Hiệu ứng đa đường
Các vấn đề liên quan đến đa đường
Một vấn đề do các tín hiệu phản xạ không mong muốn là pha của các sóng đến trạm thu không
phù hợp với nhau. Hình 9 minh hoạ hai tín hiệu bị lệch pha với nhau tại máy thu.
Hình 9. Tín hiệu đa đường 2 pha
Những vấn đề do hiện tượng đa đường gây ra:
Fađinh: Khi sóng của các tín hiệu đa đường bị lệch pha, cường độ tín hiệu sẽ bị giảm. Hiện
tượng này vẫn được biết đến là “fađinh Rayleigh” hay “fađinh nhanh”. Sự suy giảm là sự thay đổi
liên tục, là hiện tượng 3 chiều. Cường độ tín hiệu thu bị thay đổi thất thường và rất nhanh chóng
gây ra suy giảm về chất lượng.
Hình 10. Hiệu ứng fađinh Rayleigh
Triệt tiêu pha: Khi sóng của hai tín hiệu đa đường lệch pha nhau 1800 thì chúng sẽ triệt tiêu nhau,
như vậy khó duy trì được cuộc gọi. Nói một cách khác, một cuộc gọi chỉ có thể duy trì được trong
một khoảng thời gian nhất định khi không có tín hiệu mặc dù với chất lượng rất tồi. Hậu quả là
khi tín hiệu kênh điều khiển bị mất, vùng phục vụ mà cuộc gọi được thiết lập sẽ không thể thực
hiện được.
6
ANTENNA 07706451 lehieu DHDT3B
Hình 11. Triệt tiêu pha
Trải trễ: Ảnh hưởng của hiện tượng đa đường đến chất lượng tín hiệu đối với giao diện không
gian số có một chút khác biệt. Các tín hiệu phản xạ của cùng một tín hiệu có thể đến bộ thu ở
những thời điểm khác nhau. Điều này gây ra nhiễu xuyên ký tự. Khi điều này xảy ra thì tỉ lệ lỗi bit
tăng, thậm chí là chất lượng tín hiệu có thể bị suy giảm đáng kể.
Hình 12. Đa đường gây nên trải trễ
Nhiễu đồng kênh: Hiện tượng này xuất hiện khi tần số sóng mang cùng đến một máy thu từ hai
máy phát khác nhau, gây ra suy giảm chất lượng tín hiệu.
Hình 13. Nhiễu giao thoa đồng kênh trong cùng một mạng tế bào
Như chúng ta biết, cả anten quảng bá và hệ thống anten tập trung đều tán xạ tín hiệu trong vùng
tương đối rộng. Các tín hiệu này có thể không đến được với đúng người sử dụng như ý muốn,
chúng lại là nhiễu cho những người sử dụng khác ở cùng tần số trong cùng một tế bào hay các tế
bào lân cận.
Khi các anten phân vùng nhân số kênh sử dụng lên, chúng không khắc phục được nhược điểm này
của anten quảng bá. Vấn đề quản lý nhiễu đồng kênh trở thành hạn chế đầu tiên trong việc cực
7
ANTENNA 07706451 lehieu DHDT3B
đại hoá dung lượng của hệ thống. Để khắc phục nhiễu cùng kênh, các hệ thống anten thông minh
không chỉ tập trung hướng vào đối tượng sử dụng như ý muốn mà trong nhiều trường hợp, những
điểm vô giá trị hoặc khoảng nhiễu có chủ tâm được hướng về phía các đối tượng không mong
muốn..
Kiến trúc của các hệ thống anten thông minh
Các hệ thống anten thông minh làm việc như thế nào?
Các hệ thống dàn thích nghi và chùm chuyển mạch truyền thống cho phép một trạm gốc đáp ứng
yêu cầu về chùm tia mà chúng phát đi cho mỗi đối tượng sử dụng ở xa một cách hiệu quả nhờ
điều khiển phản hồi nội bộ. Nói chung, mỗi lần sẽ tạo ra một búp sóng chính về phía các đối
tượng sử dụng riêng biệt và cố gắng loại bỏ nhiễu hay tạp âm ngoài các búp sóng chính.
Xử lý hướng lên
Ở đây giả thiết là một anten thông minh chỉ được lắp đặt ở trạm gốc mà không lắp đặt ở khối
thuê bao. Các thiết bị đầu cuối vô tuyến từ xa sẽ phát bằng cách dùng anten vô hướng. Đến trạm
gốc, sẽ tách biệt các tín hiệu mong muốn với nhiễu. Thông thường, tín hiệu thu được từ các phần
tử anten phân bố trong không gian sẽ được nhân với một trọng số, đây chính là sự điều chỉnh biên
độ và pha. Các tín hiệu này được kết hợp để tạo ra mảng đầu ra. Một thuật toán thích nghi điều
khiển các trọng số này theo các mục đích xác định trước. Với một hệ thống chùm tia chuyển mạch,
tiêu chí này có thể là độ khuếch đại tối đa, với một hệ thống dàn thích nghi, có thể còn phải xem
xét đến nhiều yếu tố khác. Việc tính toán động như vậy sẽ cho phép hệ thống có thể thay đổi
được các mẫu bức xạ của nó để tối ưu hoá tín hiệu thu.
Xử lý hướng xuống
Nhiệm vụ phát có lựa chọn theo không gian là vấn đề cơ bản để phân biệt giữa các hệ thống chùm
tia chuyển mạch và hệ thống dàn thích nghi. Như mô tả dưới đây, các hệ thống chùm tia chuyển
mạch thông tin với các đối tượng sử dụng bằng cách thay đổi giữa các mẫu định hướng đặt trước,
phần lớn dựa trên cường độ tín hiệu. Trong khi đó, hệ thống dàn thích nghi cố gắng nhận biết môi
trường RF tốt hơn và phát có chọn lọc hơn. Loại xử lý hướng xuống được sử dụng tuỳ theo hệ
thống thông tin sử dụng TDD, khi đó nó sẽ phát và thu cùng tần số (ví dụ PHS và DECT); hay FDD,
khi đó nó sẽ dùng tần số phát và thu riêng biệt . Phần lớn, trong các hệ thống FDD, có thể xem xét
các đặc tính truyền sóng và fading hướng lên và hướng xuống một cách độc lập. Trong khi đó, với
các hệ thống TDD, các kênh hướng lên và hướng xuống có thể coi là tương hỗ. Vì vậy, kênh
hướng lên trong các hệ thống TDD được sử dụng để phát chọn lọc theo không gian. Trong các hệ
thống FDD, kênh hướng lên lại không thể sử dụng trực tiếp và cần phải xem xét các loại xử lý
khác của xử lý hướng xuống.
Các hệ thống chùm tia chuyển mạch
Về khía cạnh các mẫu bức xạ, chùm tia chuyển mạch là mở rộng của phương pháp vi tế bào hiện
tại hay phương pháp phân vùng tế bào của việc chia một tế bào thông thường. Phương pháp này
còn chia các vùng vĩ mô thành nhiều vùng vi mô nhằm cải thiện dung lượng và phạm vi. Mỗi một
vùng vi mô gồm một mẫu tia cố định được xác định trước với độ nhạy lớn nhất được đặt ở trung
tâm của chùm tia còn độ nhạy thấp hơn được đặt ở các vị trí khác. Việc thiết kế hệ thống như
vậy liên quan đến các phần tử anten có độ rộng chùm tia góc phương vị hẹp, tăng ích lớn. Hệ
thống chùm tia chuyển mạch chọn một trong số các mẫu chùm tia cố định đã xác định trước (dựa
trên sự kết hợp trọng số của các đầu ra anten) có công suất đầu ra lớn nhất trong kênh của đối
tượng sử dụng ở xa. Sự lựa chọn này được định hướng bởi RF hay phần cứng và phần mềm của
DSP băng gốc.
Hệ thống chuyển mạch chùm tia của nó theo các hướng khác nhau trong toàn không gian bằng cách
thay đổi pha tín hiệu dẫn đến các phần tử anten hay thu được từ các phần tử anten. Khi đối tượng
sử dụng di động đi vào một vùng vĩ mô nhất định, hệ thống này sẽ chọn vùng vi mô có tín hiệu
8
ANTENNA 07706451 lehieu DHDT3B
mạnh nhất. Trong suốt cuộc gọi, hệ thống sẽ giám sát cường độ tín hiệu và chuyển mạch nó sang
các vùng vi mô cố định khác khi cần thiết.
Hình 14. Búp sóng chính và búp sóng không mà hệ thống chùm chuyển mạch và hệ thống dãy thích
ứng có thể lựa chọn tín hiệu người sử dụng (đường xanh) và nhiễu đồng kênh (đường vàng)
Có nhiều loại an ten thông minh đã và đang được nghiên cứu phát triển, tuy nhiên bài báo này
chỉ đề cập đến hai loại an ten thông minh chính, đó là Hệ thống an ten chuyển beam, gọi tắt là An
ten chuyển beam và Hệ thống an ten ma trận thích nghi, gọi tắt là An ten thích nghi. Adaptive
Hệ thống anten thông minh thông tin trực tiếp bằng cách tạo ra các mẫu chùm tia xác định. Khi một
anten thông minh hướng búp sóng chính của nó với độ tăng ích tăng cường trong hướng của đối
tượng sử dụng, tự nhiên nó sẽ tạo ra các búp biên và không (hay các vùng tương ứng có độ tăng ích
trung bình và tối thiểu so với búp sóng chính) . Sự khác biệt giữa hai hệ thống này là điều khiển
các búp sóng chính và búp không với mức độ chính xác và độ linh hoạt biến thiên
An ten chuyển búp (beam) bao gồm một số các beam cố định được định dạng để tăng độ nhạy ở
một hướng xác định. Hệ thống này đo cường độ tín hiệu để chọn một beam thích hợp nhất tại
thời điểm nhận tín hiệu để phục vụ và nó sẽ chuyển từ beam này sang beam khác khi máy mobile
di chuyển vị trí trong setor. Thay vì định dạng các búp sóng bằng cách thay đổi cấu trúc vật lý các
chấn tử như kiểu an ten định hướng, an ten chuyển beam kết hợp đầu ra của nhiều an ten một cách
đặc biệt nhằm đạt được sự sector hoá chùm beam một cách tinh vi và linh hoạt hơn nhiều (Hình6).
Hình 6. Đặc tuyến phủ sóng của anten chuyển beam
An ten thích nghi(Adaptive) là loại an ten thông minh nhất cho đến nay. Bằng cách sử dụng
nhiều thuật toán xử lý tín hiệu mới, nó có khả năng vượt trội hơn hẳn trong việc định vị, theo dõi
và xử lý các loại tín hiệu nhằm giảm thiểu độ xuyên lẫn cũng như tăng tối đa cường độ tín hiệu
cần nhận (Hình 7). Mặc dù cả an ten chuyển beam và an ten thích nghi đều cố gắng tăng độ tăng
ích, tuy nhiên chỉ có an ten thích nghi là có thể cho một độ tăng ích tối ưu cùng với việc định vị,
theo dõi và giảm thiểu xuyên lẫn.
9
ANTENNA 07706451 lehieu DHDT3B
Hình 7. Đặc tuyến phủ sóng của anten thích nghi
Yếu tố chính làm cho các hệ thống an ten thông minh trở thành hiện thực chính là nhờ công nghệ
kỹ thuật số. Chúng ta đều biết so với tín hiệu tương tự thì tín hiệu số được truyền từ đầu phát
đến đầu thu với một độ chính xác cực kỳ cao và độ suy giảm rất nhỏ. Tín hiệu âm thanh dạng
tương tự đã được các an ten thông minh thu lại, điều chế chuyển sang dạng tín hiệu số để truyền
đi và điều chế lại thành dạng tương tự ở đầu nhận. Trong hệ thống an ten thích nghi khả năng này
còn được hỗ trợ thêm bởi các kỹ thuật xử lý tinh xảo nhằm điều khiển sự phối hợp các an ten một
cách rất tinh vi phù hợp với điều kiện hoạt động. Điều này làm cho an ten thích nghi hoạt động
hiệu quả hơn hẳn các loại an ten thông minh khác.
Cấu trúc các hệ thống an ten thông minh
• Nguyên lý làm việc của các an ten thông minh là tự động điều chỉnh nhằm hướng beam cực
đại về phía người dùng mong muốn đồng thời cố gắng loại bỏ các xuyên lẫn và nhiễu từ bên
ngoài búp sóng chính. ở đường lên cả an ten chuyển beam và an ten thích nghi đều đo đạc cường
độ các tín hiệu nhận được từ ma trận an ten và thực hiện các điều chỉnh phức tạp về biên độ cũng
như pha các tín hiệu. Điều này cho phép chúng thay đổi đặc tuyến làm việc để tối ưu hoá tín hiệu
nhận được.
Sự khác nhau cơ bản của an ten chuyển beam và an ten thích nghi thể hiện ở việc truyền tín hiệu ở
đường xuống. An ten chuyển beam dựa vào cường độ tín hiệu để lựa chọn beam thích hợp nhằm
cải thiện liên lạc với người dùng cuối, ngược lại, An ten thích nghi cố gắng tìm hiểu sâu hơn
môi trường cao tần (RF) và thực hiện việc điều chỉnh liên tục đặc tuyến phát xạ của an ten để
truyền tín hiệu một cách hiệu quả hơn. Sau đây chúng ta sẽ tìm hiểu kỹ hơn về từng loại an ten
thông minh này.
An ten chuyển beam(Switched-beam)
Về mặt đặc tuyến bức xạ An ten chuyển beam chính là sự mở rộng của phương pháp sector hoá
nhằm chia nhỏ các ô. An ten chuyển beam chia các macrosector thành các microsector nhằm cải
thiện phạm vi phủ sóng và dung lượng. Mỗi microsector chứa một beam cố định với độ nhạy được
tập trung tối đa tại vùng trung tâm của beam và tối thiểu ở các vùng khác. Tuỳ theo số beam trong
an ten mà độ rộng mỗi beam có thể là 300, 200 hoặc thậm chí nhỏ hơn. Thiết kế này đòi hỏi các
chấn tử phải có độ tăng ích cao và chùm beam hẹp.
Tại mỗi thời điểm làm việc, An ten chuyển beam chọn trong số các beam cố định một beam có
cường độ tín hiệu lớn nhất cho người dùng mong muốn. Việc lựa chọn này được điều khiển bởi
các tín hiệu cao tần (RF) hoặc bởi các thiết bị phần cứng và phần mềm xử lý số. Khi một người
dùng đi vào một macrosector, An ten chuyển beam sẽ chọn microsector có tín hiệu lớn nhất để
phục vụ người dùng đó. Trong suốt cuộc gọi hệ thống sẽ kiểm tra cường độ tín hiệu và thực hiện
việc chuyển sang beam khác khi cần thiết.
An ten thích nghi (Adaptive)
Nếu An ten chuyển beam dựa vào cường độ tín hiệu tại mỗi thời điểm để chọn một beam thích
hợp thì An ten thích nghi lại dùng các dữ liệu môi trường vô tuyến (RF) để tối ưu hoá kết nối với
người dùng. Đặc tuyến phát xạ của An ten thích nghi được điều chỉnh liên tục theo sự thay đổi của
môi trường vô tuyến nhằm đảm bảo cho hoạt động của hệ thống là tối ưu.
10
ANTENNA 07706451 lehieu DHDT3B
An ten thích nghi sử dụng kỹ thuật xử lý số để phân biệt tín hiệu mong muốn, tín hiệu do hiệu ứng
đa đường và nguồn xuyên nhiễu, đồng thời tính toán xác định hướng xuất phát của các thành phần
này. Nó liên tục điều chỉnh đặc tuyến làm việc dựa vào sự thay đổi vị trí cũng như cường độ của
cả tín hiệu lẫn xuyên nhiễu. Sự thay đổi liên tục như thế đảm bảo búp sóng lúc nào cũng hướng
về phía tốt nhất, điều này làm cho An ten thích nghi vượt trội hơn hẳn An ten chuyển beam về mặt
chất lượng hoạt động (sự thay đổi beam trong An ten chuyển beam là không liên tục). Hình 8 miêu
tả một ví dụ so sánh dạng búp sóng mà An ten chuyển beam và An ten thích nghi có thể chọn trong
cùng một điều kiện giống nhau.
Hình 8. So sánh dạng búp sóng mà anten chuyển beam (trái) và anten thích nghi (phải) có thể chọn
trong điều kiện tín hiệu người dùng và xuyên nhiễu giống hệt nhau
Hình 9. Đặc tuyến phủ sóng của các loại anten trong các môi trường khác nhau
Hình 9 trình bày về mối liên hệ giữa vùng phủ sóng của An ten định hướng truyền thống, An ten
chuyển beam và An ten thích nghi. Cả hai loại an ten thông minh đều cho độ tăng ích cao hơn nhiều
so với an ten định hướng. Tuy nhiên trong môi trường có sự xuyên lẫn cao (môi trường có mật độ
người dùng lớn và có sự tái sử dụng tần số cao) thì An ten thích nghi vượt trội hơn hẳn hai loại kia
về độ tăng ích và vùng phủ sóng.
So sánh An ten chuyển beam và An ten thích nghi
Sự tích hợp - An ten chuyển beam được thiết kế và sử dụng rộng rãi trong thông tin di động tổ
ong như là một thiết bị công nghệ thông minh được thêm vào để cải thiện khả năng hoạt động của
hệ thống. Trong khi đó An ten thích nghi dù có nhiều ưu điểm vượt trội hơn hẳn An ten chuyển
beam nhưng đòi hỏi phải được triển khai như là một hệ thống tích hợp mới hoàn toàn.
Vùng phủ sóng - Tùy theo môi trường vô tuyến và các phần cứng/phần mềm sử dụng mà công
nghệ chuyển beam có thể tăng phạm vi hoạt động của trạm gốc lên từ 20 đến 200% so với công
nghệ sector hoá thông thường. Việc tăng vùng phủ sóng cũng có nghĩa là giảm chi phí cho nhà cung
cấp dịch vụ và do đó giảm giá dịch vụ cho khách hàng. Ngoài ra công nghệ chuyển beam cũng cho
phép cải thiện dung lượng của hệ thống nhờ việc nó không gửi tín hiệu đi tất cả các hướng. An
ten thích nghi có thể phủ sóng một vùng rộng hơn và nâng cao dung lượng hơn nhiều so với An ten
chuyển beam, tuy nhiên nó đòi hỏi công nghệ rất phức tạp và do vậy chi phí đầu tư cao hơn nhiều.
Ngăn chặn xuyên lẫn - An ten chuyển beam có thể ngăn chặn các xuyên nhiễu của các tín hiệu
xuất phát từ các hướng ngoài chùm beam hoạt động. Tuy nhiên do đặc tuyến beam là cố định nên
11
ANTENNA 07706451 lehieu DHDT3B
chùm beam không thể tập trung chính xác đến hướng xuất phát của tín hiệu, điều này làm cho tỷ
số C/I thấp hơn so với An ten thích nghi. An ten chuyển beam cũng thường chỉ được dùng để nhận
tín hiệu (hướng lên) do nó không thể xác định chính xác vị trí của máy mobile, vì nếu dùng để
truyền tín hiệu (hướng xuống) thì nó có thể làm đứt liên lạc nếu chọn nhầm beam. Ngoài ra, cũng
do đặc điểm các beam là cố định mà độ nhạy của An ten chuyển beam có thể bị thay đổi khi MS
thay đổi vị trí. An ten chuyển beam sẽ làm việc tốt nhất trong môi trường có độ xuyên nhiễu thấp,
nhưng trong trường hợp mà nguồn xuyên nhiễu lại nằm ở trung tâm của chùm beam được chọn
trong khi tín hiệu mong muốn lại nằm phía rìa của beam thì chất lượng tín hiệu sẽ rất xấu. So với
An ten chuyển beam thì An ten thích nghi nhờ sự điều chỉnh liên tục chùm beam nên cho phép loại
bỏ xuyên nhiễu và cung cấp chất lượng tín hiệu tốt hơn nhiều.
Hình 10. Mô hình xử lý không gian đầy đủ cho phép 2 người dùng đồng thời cùng một kênh truyền
thuộc cùng một cell
Đa truy nhập phân chia theo không gian (SDMA) - Một trong những ứng dụng phức tạp nhất của an
ten thông minh là SDMA, đây là phương thức sử dụng kỹ thuật xử lý tinh xảo để định vị và theo
dõi mobile, điều chỉnh chùm bức xạ truyền tín hiệu về phía người dùng mong muốn và tránh xa
nguồn xuyên nhiễu. Công nghệ này đưa lại các ưu điểm vượt trội về khả năng loại bỏ xuyên
nhiễu và tăng khả năng tái sử dụng tần số. Về bản chất công nghệ này cho phép điều chỉnh ưu tiên
việc cung cấp các tần số cho những nơi có mật độ người dùng cao nhất. Nó liên tục tạo ra các
sector khác nhau một cách rất linh động cho mỗi người dùng và phân bổ các kênh tần cho mỗi
sector theo yêu cầu tại thời điểm đó. Điều này cho phép nâng cao khả năng tái sử dụng kênh tần
số, thậm chí có thể tái sử dung kênh tần trong cùng một cell (Hình 10).
Việc xử lý không gian đòi hỏi phải tích hợp việc đo đạc và phân tích môi trường vô tuyến ở mức
độ cao, do vậy An ten thích nghi thích hợp hơn An ten chuyển beam nhiều trong việc thực hiện
công việc này.
Kết luận
Công nghệ an ten thông minh có thể cải thiện một cách đáng kể về hoạt động cũng như tính kinh
tế của các hệ thống thông tin di động ở những nơi có mật độ người sử dụng cao. Nó cho phép các
nhà cung cấp dịch vụ khả năng nâng cao chất lượng tín hiệu, dung lượng mạng cũng như vùng phủ
sóng. Tuỳ theo hoàn cảnh cụ thể mà các nhà cung cấp dịch vụ thường có các yêu cầu khác nhau
trong việc phối hợp các lợi điểm này tại các thời điểm khác nhau. Do đó an ten thông minh chính là
giải pháp kinh tế và linh hoạt nhất cho phép họ định cấu hình cũng như nâng cấp cho hệ thống khi
cần.
Nhu cầu tăng dung lượng và cải thiện chất lượng dịch vụ hệ thống là một vấn đề cấp thiết cho
hầu hết các nhà cung cấp dịch vụ thông tin di động toàn cầu. An ten thông minh là một trong những
giải pháp khả thi nhất cho vấn đề này. Hiện tại an ten thông minh đã và đang được nghiên cứu
triển khai trên hầu khắp thế giới. Hầu hết các nhà cung cấp dịch vụ di động lớn trên thế giới đều
đã triển khai áp dụng các phiên bản khác nhau của an ten thông minh cho các hệ thống của mình.
An ten thông minh cũng đang được nghiên cứu áp dụng vào các hệ thống thông tin di động thế hệ
thứ 3. ích lợi của an ten thông minh là điều không ai có thể nghi ngờ, tuy nhiên việc nghiên cứu để
12
ANTENNA 07706451 lehieu DHDT3B
chế tạo các an ten thông minh tinh xảo với giá thành hợp lý là vấn đề mà các nhà nghiên cứu sản
xuất cũng như các nhà quản lý hệ thống trên thế giới đang đặc biệt quan tâm./.
NHỮNG ƯU ĐIỂM CHỦ YẾU CỦA ANTEN THÔNG MINH:
• 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
13
ANTENNA 07706451 lehieu DHDT3B
ANTEN THÔNG MINH (SMART ANTENNAS)
Một anten thông minh (Smart Antennas) bao gồm nhiều phần tử anten. Tín hiệu đến các phần tử
này được tính toán và xử lý giúp anten xác định được hướng của nguồn tín hiệu, tập trung bức xạ
theo hướng mong muốn và tự điều chỉnh theo sự thay đổi của môi trường tín hiệu. Công việc tính
toán này đòi hỏi thực hiện theo thời gian thực (realtime) để Anten thông minh có thể bám theo
nguồn tín hiệu khi nó chuyển động. Vì vậy, Anten thông minh còn được gọi bằng một tên khác là
“Anten thích nghi” (Adaptive Antennas).
Với tính chất như vậy, Anten thông minh có khả năng
giảm thiểu ảnh hưởng của hiện tượng đa đường và
can nhiễu.
Hình 1.1: Vùng bức xạ của Anten thường và Anten
thông minh
Anten thông minh có những búp sóng (beam) hẹp hơn
và có tính định hướng cao hơn so với anten thường
Vì sao Anten thông minh có thể đạt được tính
“thông minh” như vậy?
Thực ra, trong hệ thống Anten thông minh, bản thân các phần tử Anten không thông minh, mà sự
thông minh được tạo ra do quá trình xử lý số tín hiệu các tín hiệu đến các phần tử Anten. Quá trình
kết hợp tín hiệu và sau đó tập trung bức xạ theo một hướng đặc biệt được gọi là Beamforming.
Tín hiệu đến các phần tử Anten, sau đó được nhân với một bộ trọng số rồi tổng lại để được tín
hiệu ngõ ra. Chính bộ trọng số này giúp Anten có thể tập trung bức xạ theo hướng mong muốn.
Bằng cách sử dụng các giải thuật thích nghi trong quá trình beamforming, bộ trọng số này luôn
được cập nhật để Anten thông minh có thể bám theo user khi họ di chuyển.
Biên độ của trọng số quyết định độ rộng búp sóng chính và Side lobe level
Pha của bộ trọng số quyết định hướng của búp sóng chính.
Hình 1.2: Sơ đồ tổng quát của Anten thông minh
(RF Module bao gồm các bộ khuếch đại nhiễu thấp, bộ đổi tần và bộ lọc analog…)
1. Công nghệ anten thông minh
14
ANTENNA 07706451 lehieu DHDT3B
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. Đối với dãy anten điều khiển pha, pha của các dòng điện ở mỗi phần tử anten sẽ được điều
khiển để thu được giản đồ phủ sóng của dãy, thường là tập trung búp sóng lớn nhất hoặc nhỏ
nhất theo các hướng mong muốn. Điều khiển pha dòng điện của các phần tử trong dãy là phương
thức để điều chỉnh hướng búp sóng.
Một hệ thống anten thông minh bao gồm một dãy anten, với phần cứng vô tuyến và khối điều
khiển để thay đổi giản đồ phủ sóng theo điều kiện môi trường vô tuyến nhằm tăng cường hiệu
năng của một hệ thống thông tin.
Mở rộng vùng phủ song:Ở các vùng mật độ thuê bao thấp, tối ưu phủ sóng là hướng tới mục
tiêu là tăng độ 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 đẳng hướng 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 lượng. Hai kỹ thuật chính
được sử dụng để tăng dung lượng là giảm nhiễu xuyên kênh trên đường 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 đến 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 trạm phủ sóng cần có thể giảm xuống, tăng hiệu quả sử
dụng băng tần và dung lượng.
15
ANTENNA 07706451 lehieu DHDT3B
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.
Hình 3. Đa truy nhập phân chia theo không gian
2. Một số biện pháp giảm ảnh hưởng của môi trường đô thị khi triển khai mạng thông tin
vô tuyến băng rộng dùng công nghệ anten thông minh
Môi trường đô thị có đặc điểm là mật độ nhà cao, đường phố hẹp, nhiều khu nhà cao tầng. Hơn
nữa kiến trúc, cấu trúc và vật liệu xây dựng phức tạp như đa dạng về hình học, dùng nhiều loại
vật liệu từ bê tông, gỗ, kính, thép, vật liệu tổng hợp… Hơn nữa, mật độ thuê bao cao và có phân
bố tương đối đồng đều theo các hướng. Những yếu tố trên ảnh hưởng tới kênh truyền vô tuyến
cũng như hiệu quả phủ sóng của anten thông minh.
Hiệu ứng “canyon”
Hiệu ứng “canyon” do phản xạ sóng vô tuyến ở các đường hẹp. Sóng vô tuyến từ khối phát trên
các đường hẹp sẽ phản xạ nhiều lần vào các tòa nhà hai bên đường trước khi tới khối thu. Đường
phố đóng vai trò như ống dẫn sóng từ khối phát tới khối thu. Điều này làm ảnh hưởng tới độ chính
xác khi xác định vị trí thuê bao, và vì vậy dẫn tới lệch định hướng búp sóng của anten thông minh.
Hiệu quả của anten thông minh bị suy giảm. So với trường hợp dùng một anten, sử dụng dãy anten
gồm 8 chấn tử có thể làm tăng độ tăng ích lên 4-6 dBi hoặc thấp hơn một chút. Trường hợp hoàn
toàn lệch định hướng, tăng ích của dãy anten có thể thấp hơn sử dụng một anten duy nhất.
16
ANTENNA 07706451 lehieu DHDT3B
Hình 4. Hiệu ứng “canyon” trong khu đô thị có đường hẹp, mật độ nhà cao
Để tăng hiệu quả anten thông minh cần phải sử dụng các mô hình dự đoán và thuật toán điều
khiển có tính toán đến hiệu ứng “canyon”. Ví dụ như khi phát hiện tín hiệu có thăng giáng lớn và
chậm thì cần mở rộng búp sóng để tăng độ chính xác của búp sóng định hướng hoặc sử dụng anten
thu phát nhiều đường (MIMO - Multiple Input, Multiple Output) thay vì dùng công nghệ định hướng
búp sóng thích nghi (BF – Beamforming)
Hiệu ứng tán xạ
Khi anten đặt ở khu vực có nhiều nhà cao tầng và ở vị trí thấp so với một số tòa nhà xung quanh,
xảy ra hiện tượng tán xạ sóng. Các tia sóng bị tán xạ ở các rìa nhọn của tòa nhà và bị biến đổi pha
khi tới khối thu. Nếu tia tán xạ có tỷ trọng lớn trong tín hiệu thu được, sẽ gây ra lệch định hướng
hoàn toàn và dẫn tới giảm nghiêm trọng tăng ích anten theo hướng đó.
Hình 5. Hiệu ứng tán xạ ở rìa nhọn các nhà cao tầng
Hiện tượng tán xạ có thể giảm bớt hoặc loại trừ bằng cách đặt anten của trạm phủ sóng ở vị
trí cao hơn so với các tòa nhà xung quanh, ví dụ cần đặt anten cao hơn 8-10 m so với các tòa nhà
trong vòng bán kính 300m đến 500m. Khi đặt anten ở vị trí cao cũng sẽ giảm được ảnh hưởng tia
phản xạ và giảm được thăng giáng tín hiệu sâu.
Hiệu ứng đường hầm (tunnel)
Ở một số thành phố như Hà Nội hay các thành phố Đài Loan, Hồng Kông, các nhà trong khu
thương mại thường được thiết kế hẹp và dài, liền kề với nhau. Khi thuê bao ở trong nhà, tia
truyền thẳng bị suy giảm lớn do phải truyền xuyên qua nhiều lớp tường. Các tia phản xạ từ các
nhà xung quanh cũng bị suy giảm do phải đi xuyên qua nhiều lớp tường tính từ lớp tường thứ nhất.
Phủ sóng trong nhà ở khu vực này rất khó khăn và suy hao tín hiệu sâu trong nhà rất lớn và biên độ
biến đổi tùy thuộc từng nhà. Cường độ trường trong nhà có thể thấp hơn ngoài đường từ 20-40
dBi.
17
ANTENNA 07706451 lehieu DHDT3B
Hình 6. Hiệu ứng đường hầm và phủ sóng nhiều lớp
Để tăng cường khả năng phủ sóng trong nhà, một phương pháp hiệu quả là dùng các trạm nhỏ
(micro/pico-cell) với anten có búp sóng định hướng phù hợp với truyền sóng dọc theo “đường hầm”
hình hộp. Các trạm nhỏ sẽ tạo thành lớp phủ sóng thứ hai nằm dưới các trạm lớn (macro cell) và
chuyển tiếp sóng của các trạm lớn. Tuy nhiên, cần tối ưu thuật toán chuyển giao giữa hai lớp cũng
như phối hợp các khối điều khiển thu phát sao cho vừa tăng cường phủ sóng lại giảm thiểu được
nhiễu xuyên kênh.
Hiệu ứng nhà cao tầng
Các nhà cao tầng có hai đặc điểm ảnh hưởng tới phủ sóng. Thứ nhất, ở các phòng gần cửa sổ,
sóng từ các trạm hướng tới đều lớn do đó cường độ trường lớn nhưng tỷ số tín hiệu trên nhiễu
thấp. Thứ hai, ở các khu vực thang máy và hành lang cường độ trường thấp, đặc biệt là các tầng
thấp. Để giảm nhiễu trong trường hợp thứ nhất, cần thuật toán phối hợp giữa các trạm phủ
sóng sao cho các búp sóng định hướng không bị chồng lấn lên nhau. Điều này có thể thực hiện
thông qua kênh phản hồi ở đường lên từ phía thuê bao. Ngoài ra, cần phải đặt các trạm nhỏ
(inbuilding) để nâng cao chất lượng phủ sóng trong nhà. Các trạm này dùng anten đẳng hướng
hoặc định hướng tùy theo yêu cầu vùng phủ. Vấn đề phối hợp các trạm nhỏ với trạm lớn đặt ra
tương tự trong trường hợp hiệu ứng đường hầm.
3. Kết luận
Tối ưu phủ sóng đô thị dùng anten thông minh cần quan tâm tới các đặc điểm chính của địa hình đô
thị. Trong nhiều trường hợp, dùng anten thông minh (BF) có hiệu quả thấp hơn anten thu phát
nhiều đường (MIMO). Việc phân vùng sử dụng kiểu anten nào sẽ tùy thuộc vào yếu tố địa hình,
đặc điểm chuyển động của thuê bao trong khu vực đó và yếu tố kinh tế. Để tăng hiệu quả và chất
lượng phủ sóng khu vực đô thị cần phải đặt anten ở độ cao cao hơn so với địa hình xung quanh
nhằm giảm ảnh hưởng tia tán xạ và phản xạ. Đối với phủ sóng trong nhà ở khu đô thị mật độ cao,
cần triển khai giải pháp phủ sóng nhiều lớp để đảm bảo chất lượng tín hiệu cũng như nâng cao
dung lượng. Ngoài ra, vấn đề phối hợp tối ưu môi trường vô tuyến các trạm phủ sóng dùng anten
thông minh cũng là yếu tố quan trọng quyết định tới chất lượng và hiệu quả phủ sóng đô thị trong
các hệ thống thông tin vô tuyến thế hệ mới
NHỮNG ƯU ĐIỂM CHỦ YẾU CỦA ANTEN THÔNG MINH:
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.
18
ANTENNA 07706451 lehieu DHDT3B
MÔ HÌNH TOÁN CỦA ANTEN THÔNG MINH
Dãy Anten bao gồm nhiều phần tử Anten được phân bố theo nhiều mô hình khác nhau: dãy tuyến
tính cách đều nhau (linear equally spaced – LES), dãy tròn đồng đều (Uniform circular), dãy không
gian phẳng đồng đều (Uniformly spaced planar) …
Xét mô hình dãy Anten tuyến tính cách đều nhau như hình 1.3
Phương pháp xây dựng mô hình toán dưới đây có thể áp dụng một cách tương tự cho tất cả các dãy
đồng nhất: Uniform circular, Uniformly
spaced planar …
Hình 1.3: mô hình dãy Anten tuyến tính cách
đều nhau
Theo hình 1.3, phi là góc phương vị và θ là
góc ngẩng của mặt phẳng sóng tới trên dãy
Anten. Mặt phẳng ngang được biểu diễn
bởi θ = pi/2 .
Để đơn giản hoá việc phân tích dãy Anten,
ta đưa ra một số giả sử sau:
+ Khoảng cách giữa các phần tử Anten là
đủ nhỏ để không có sự thay đổi nào về biên
độ giữa các tín hiệu được nhận tại từng phần tử Anten.
+ Không có sự kết nối tương hỗ giữa các Anten.
+ Tất cả những trường sóng tới đều có thể chia thành một lượng các mặt phẳng sóng rời rạc.
Như vậy, số tín hiệu đến Anten là hữu hạn.
Hình 1.4: Mô hình Toán của Anten thông
minh
Đối với một mặt phẳng sóng tới dãy
Anten từ hướng (θ, phi), như hình 1.4, tín
hiệu đến phần tử thứ m phải đi thêm một
đoạn đường:
delta_d = m.detla_x.cos(phi).sinθ (1.1)
so với phần tử tham khảo tại gốc, tức là
tín hiệu đến phần tử thứ m sẽ trễ hơn tín
hiệu đến phần tử tham khảo một khoảng
thời gian tm = delta_d/c .
Như vậy, độ sai pha giữa thành phần tín
hiệu đến phần tử thứ m và phần tử tham
khảo tại gốc là:
19
ANTENNA 07706451 lehieu DHDT3B
Giả sử rằng mỗi phần tử Anten là đẳng hướng và có độ lợi như nhau tại tất cả các hướng.
Tín hiệu đến một mặt sóng có đường bao phức là s(t) . Theo các phân tích ở trên về sự trễ pha của
các phần tử Anten trong dãy, tín hiệu nhận được tại phần tử Anten thứ m là:
Tín hiệu tại ngõ ra của dãy, sau khi được nhân với bộ trọng số [w0 w1 ... wM-1 ] với M là số
phần tử Anten trong dãy là:
Phần tử f(θ,phi) được gọi là hệ số sắp xếp, nó xác định tỷ số giữa tín hiệu nhận được tại ngõ ra
dãy Anten và tín hiệu s(t) đo được tại phần tử tham khảo. Hệ số sắp xếp là một hàm theo hướng
đến (Direction Of Arrival ). Bằng cách điều chỉnh bộ trọng số [w0 w1 ... wM-1 ] , ta có thể hướng
cho búp sóng chính của hệ số sắp xếp theo hướng mong muốn (θ0, phi0) .
Ta định nghĩa vector trọng số (weight vector):
Tín hiệu từ mỗi phần tử Anten được nhóm lại thành một vector dữ liệu (data vector):
Tín hiệu ở ngõ ra của dãy Anten là tích vô hướng của vector trọng số và vector dữ liệu:
Ký hiệu []H thể hiện phép biến biến đổi Hermitian, tức là chuyển vị rồi lấy liên hợp phức.
Hệ số sắp xếp theo hướng (θ,phi) được biểu diễn lại như sau:
Vector a(θ,phi) được gọi là vector lái theo hướng (θ,phi). Cho trước một mặt phẳng sóng tới từ
hướng (θ,phi) như hình 1.4, vector lái a(θ,phi) biểu diễn pha của tín hiệu tại mỗi phần tử Anten so
với tín hiệu tham khảo tại gốc.
20
Copyright by webtailieu.net