Luận án Xử lý anten mảng theo không gian-Thời gian trong thông tin vô tuyến di động

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 W- CDMA....................................................................................................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 AMPS AWGN BER BLER BPSK cdf CIR CNR DIV DPCH DPCCH DPDCH DS FDD GSM LMS LOS MIMO MRC pdf RF rms SIR SIRtarget Adaptive beam-forming Advanced Mobile Phone System Additive White Gaussian Noise Bit Error Rate Block Error Rate Binary Phase Shift Keying Cumulative Distribution Function Carrier-to-Interference Ratio Carrier-to-Noise Ratio Diversity Dedicated Physical Channel Dedicated Physical Control Channel Dedicated Physical Data Channel Direct Sequence Frequency Division Duplex Global System for Mobile Communications Least Mean Square Line Of Sight Multiple-Input Multiple-Output Maximum Ratio Combiner probability density function Radio Frequency Root Mean Square Signal-to-Interference Ratio Signal-to-Interference Ratio Target Tạo búp sóng thích nghi Hệ thống điện thoại di động AMPS Tạp Gauss Trắng Cộng 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 TDD TDMA TDTD UE UMTS W-CDMA Signal-to-Noise Ratio Trasmission Control Protocol Time Division Duplex Time Division Multiple Access Time Division Transmit Diversity User Equipment Universal Mobile Telecommunications System Wideband Code Division Multiple Access đặt trước trong phép đo) Tỉ số tín hiệu trên tạp Giao thức điều khiển truyền Song công phân thời Đa truy nhập phân thời Phân tập phát theo thời gian Thiết bị đầu cuối Hệ thống thông tin di động UMTS 3G sử dụng W-CDMA CDMA băng rộng -ix- 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 γs so với γs/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 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. 8 11 14 27 34 40 42 45 46 47 53 69 73 74 75 75 -x- Hình 3.6. Thay đổi CIR khi hệ số tái sử dụng tần số giảm từ 4 xuống 1 (__: N=4, -x-: N=3, -o-: N=1) Hình 3.7. Tăng dung lượng bằng anten chuyển búp sóng cho nhà khai thác GSM có băng thông 8 MHz, hệ số tái sử dụng N=3. Hình 3.8. 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=3. Hình 3.9. Vùng có nhiễu và không nhiễu (a) không có pha-đinh (b) có pha-đinh và che khuất. Hình 3.10. Xác suất mất liên lạc khi có pha-đinh và che khuất 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 Zd. 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 dσ =6 và 12 dB. Hình 3.14. Đồ thị biểu diễn Zd (hình trái) và Ne theo m (hình phải) (với ζ=0,7, n=4,5, Pout=1%, σd=6dB, qd=22 dB) Hình 3.15. Hàm hiệu suất phổ tương đối theo số búp sóng (với ζ=0,7, n=4,5, Pout=1%, σd=6dB, qd=22 dB) Hình 4.1. Cấu trúc khung của kênh DPDCH/DPCCH đường lên Hình 4.2. Cấu trúc khung của kênh DPCH đường xuống Hình 4.3. Sơ đồ khối tổng thể đường lên Hình 4.4. Sơ đồ khối tổng thể đường xuống Hình 4.5. Giao diện chính của phần mềm mô phỏng Hình 4.6. Giao diện để thiết lập các tham số mô phỏng Hình 4.7. Kết quả mô phỏng đối với phân tập MD = 4 anten, hệ thống tạo búp MB = 4 anten và hệ thống phối hợp cả phân tập và tạo búp ở môi trường không nhìn thẳng Hình 4.8. Cấu hình hệ thống anten thông minh Hình 4.9. Anten mảng 76 77 77 80 82 84 89 92 92 94 99 102 103 104 105 106 118 120 121 -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 SIRtarget 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 -xii- Mục lục Bảng biểu Bảng Trang Bảng 4.1. Các chỉ tiêu kỹ thuật chính của W-CDMA Bảng 4.2. Các tham số đầu vào để đánh giá chỉ tiêu BER 97 117 -1- Mở Đầu Các hệ thống thông tin di động đang phát triển bùng nổ trên thế giới và cả ở Việt Nam. Trước yêu cầu ngày càng cao của người sử dụng dịch vụ thông tin di động về chất lượng, dung lượng và tính đa dạng của dịch vụ và đặc biệt là các dịch vụ truyền dữ liệu tốc độ cao và đa phương tiện, việc nghiên cứu, ứng dụng các công nghệ và kỹ thuật tiên tiến đáp ứng nhu cầu này luôn là một đòi hỏi cấp thiết. Một trong số các kỹ thuật để có thể giúp cải thiện đáng kể chỉ tiêu và dụng lượng của hệ thống đang được tập trung nghiên cứu trên thế giới trong thời gian gần đây là kỹ thuật xử lý không gian-thời gian. Kỹ thuật này cho phép sử dụng tối đa hiệu quả phổ tần cho hệ thống thông tin vô tuyến nói chung và hệ thống thông tin di động tổ ong nói riêng. Nhờ sử dụng nhiều phần tử anten, kỹ thuật này cho phép tối ưu hoá quá trình thu hoặc phát tín hiệu bằng cách xử lý theo cả hai miền không gian và miền thời gian tại máy thu phát.[16,17,19, 28, 36] Việc tiếp tục nghiên cứu phát triển kỹ thuật này để tiến tới có được các sản phẩm hữu dụng có chỉ tiêu chất lượng cao, đồng thời phù hợp với khả năng xử lý, tính toán của các thiết bị hiện có cũng như ứng dụng nó vào trong các hệ thống thông tin di động hiện có một cách hiệu quả thực sự là vấn đề 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. Chươn