Nội dung

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 WCDMA.................................................................................................... 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 Wideband Code Division Multiple CDMA băng rộng W-CDMA Access -ix- Mục lục Hình vẽ Hình 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 Trang 8 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 GSM có băng thông 12,5 MHz, hệ số tái sử dụng N=4. 75