Tải bản đầy đủ

Ứng dụng kỹ thuật búp sóng sử dụng anten mảng cho hệ thống thông tin tế bào

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN HÀ DUY

ỨNG DỤNG KỸ THUẬT BÚP SÓNG SỬ
DỤNG ANTEN MẢNG CHO HỆ THỐNG
THÔNG TIN TẾ BÀO
Ngành:
Kỹ thuật điện tử - viễn thông
Chuyên ngành: Kỹ thuật vô tuyến điện tử
và thông tin liên lạc
Mã số:
2.07.00

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. Trịnh Anh Vũ

Hà Nội-2008



iii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................i
LỜI CẢM ƠN ..........................................................................................................ii
MỤCLỤC ................................................................................................................iii
DANH MỤC HÌNH VẼ ….......................................................................................v
DANH MỤC BẢNG ….……….………………………………………….........….vi
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ..………….…………………….........……………....vii
MỞ ĐẦU ………….........………………………………………….........……….....1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT BÚP SÓNG …….........…..……...3
1.1 Giới thiệu………………………...………………………….........…………3
1.2 Tổng quan về kỹ thuật búp sóng ..………………………….............……..5
1.2.1. Kỹ thuật búp sóng……………………………………................…………5
1.2.2. Phân loại các kỹ thuật búp sóng…………………….........…..........……...8
1.3 Ứng dụng của kỹ thuật búp sóng……………...………................………12
1.4 Tổng kết chương ……………………………………....…..........………...15
CHƯƠNG 2. KỸ THUẬT TẠO BÚP SÓNG ……………………...........……...17
2.1 Búp sóng chuyển mạch……………..…………………….…..........……...17
2.2 Búp sóng thích nghi…………………………….…………………………21
2.2.1 Hệ anten mảng tuyến tính…………….………………………………….24
2.2.2 Một bộ tạo búp sóng đơn giản……….…………………………………..27
2.2.3 Tiêu chuẩn tối ưu các trọng số…………………………………………...30
2.2.3.1 Trung bình bình phương phương sai nhỏ nhất (MMSE)……....31
2.2.3.2 Tỷ số tín hiệu trên nhiễu lớn nhất (MSIR)……..................…...34
2.2.3.3 Phương sai nhiễu đầu ra nhỏ nhất (LCMV)……………..….....35
2.2.3.4 Mối liên hệ giữa các tiêu chuẩn ………………..………..……36
2.2.4 Các thuật toán thích nghi …………………..……………………..…….37
2.2.4.1 Thuật toán trung bình bình phương tối thiểu (LMS) ………….38
2.2.4.2 Nghịch đảo ma trận liên hiệp lấy mẫu nhỏ nhất (SMI) .………39
2.2.4.3 Thuật toán bình phương tối thiểu (RLS) ……………………...40


iv

2.3 Tổng kết chương…………………………………………………….…….43
CHƯƠNG 3. ƯỚC LƯỢNG HƯỚNG ĐẾN (DOA)…………………………...44
3.1 Giới thiệu …………………………...…….………………………………44
3.2 Các phương pháp ước lượng DOA truyền thống ……..………….…….46
3.2.1 Phương pháp ước lượng phổ (delay - and - sum) ………..………….…...46


3.2.2 Phương pháp phương sai nhỏ nhất của Capon ………………..….……...49
3.3 Các phương pháp ước lượng DOA dựa trên không gian con ………….51
3.3.1 Thuật toán MUSIC ………………………………………..……………..51
3.3.2 Các thuật toán MUSIC cải tiến ……………..……………………………57
3.3.2.1 Thuật toán Root-MUSIC ………….…….…………….………..57
3.3.2.2 Thuật toán Cyclic-MUSIC ……………..……………….……...58
3.3.3 Thuật toán ESPRIT ...................................................................................60
3.4 Các kỹ thuật giống nhau nhiều nhất (ML: Maximum Likelihood) …...65
3.5 Ước lượng DOA với các tín hiệu có liên quan chặt với nhau .................67
3.5.1 Các kỹ thuật làm mượt không gian ............................................................68
3.5.2 MUSIC đa chiều ........................................................................................70
3.6 Ước lượng số lượng tín hiệu đến ...............................................................71
3.7 Tổng kết chương .........................................................................................73
CHƯƠNG 4. ỨNG DỤNG KỸ THUẬT BÚP SÓNG SỬ DỤNG ANTEN
MẢNG CHO HỆ THỐNG THÔNG TIN TẾ BÀO ............................................75
4.1 Tham số CIR ...............................................................................................76
4.2 Các chương trình mô phỏng tính toán CIR .............................................78
4.3 Các kết quả mô phỏng ...............................................................................83
4.4 Tổng kết chương .........................................................................................87
KẾT LUẬN ............................................................................................................88
TÀI LIỆU THAM KHẢO .....................................................................................90
PHỤ LỤC ................................................................................................................92


v

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1-1. Anten đẳng hướng và mô hình phủ sóng………………………………...4
Hình 1-2. Anten Sector và vùng phủ sóng.................................................................4
Hình 1-3. Vùng phủ sóng của anten sử dụng kỹ thuật búp sóng...............................6
Hình 1-4. Sơ đồ khối của anten mảng M phần tử......................................................7
Hình 1-5. Mô tả kỹ thuật búp sóng chuyển mạch ………………………………….9
Hình 1-6. Mô tả kỹ thuật búp sóng thích nghi ……………………………………10
Hình 1-7. Vùng phủ với hệ anten sử dụng kỹ thuật búp sóng chuyển mạch và búp
sóng thích nghi.........................................................................................10
Hình 1-8. Anten thu phát theo kỹ thuật SDMA…………………………………...13
Hình 2-1. Ma trận Butler tạo 8 búp sóng đầu ra......................................................19
Hình 2-2. Dạng búp sóng đầu ra của ma trận tạo búp Butler tại tần số 2.400 Ghz..19
Hình 2-3. Sơ đồ khối một anten mảng sử dụng kỹ thuật búp sóng thích nghi.........22
Hình 2-4. Phần mềm hệ thống anten mảng sử dụng kỹ thuật búp sóng thích nghi..24
Hình 2-5. Hệ anten mảng tuyến tính........................................................................25
Hình 2-6. Mảng hai phần tử đẳng hướng.................................................................28
Hình 2-7. Hệ thống tạo búp sóng tổng quát.............................................................30
Hình 2-8. Bộ tạo búp sóng thích nghi......................................................................31
Hình 2-9. Sơ đồ thực hiện thuật toán LMS..............................................................39
Hình 2-10. Sơ đồ thực hiện thuật toán RLS..............................................................42
Hình 3-1. Các tín hiệu đến mảng anten với các góc khác nhau ...............................45
Hình 3-2 Sơ điệc cải thiện tỷ số CIR của hệ
thống thông tin tế bào khi đưa kỹ thuật búp sóng vào sử dụng. Qua đó có thể nâng
Nguyễn Hà Duy – K11 Đ2


89
Luận văn Thạc sỹ

cao dung lượng cũng như chất lượng hệ thống, khắc phục hiện tượng nghẽn mạch
tại các điểm nóng.

Nguyễn Hà Duy – K11 Đ2


90
Luận văn Thạc sỹ

TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tài liệu tiếng Việt
1. GS.TS Phan Anh, (2007), Lý thuyết và kỹ thuật anten, Nxb. Khoa học và kỹ
thuật.
2. Nguyễn Quang Hưng, (2002), Nghiên cứu kỹ thuật xử lý theo không gian
trong thông tin di động, Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật Viễn thông, Học Viện Công
nghệ Bưu chính Viễn thông, Hà nội.
3. TS Trịnh Anh Vũ, (2007), Giáo trình thông tin di động, Nxb. Khoa học và kỹ
thuật.
Tài liệu tiếng Anh
4. A.J. Barabell, (1983), “Improving the Resolution Performance of
Eigenstructure – based Direction Finding Algorithms”, IEEE Int’l. Conf. on
Acoustics, Speech, and Signal Processing, 83, pp.336-339.
5. F. Haber and M. Zoltowski, (1986), “Spatial Spectrum Estimation in a
Coherent Singal Environment Using an Array in Motion”, IEEE Trans. on
Antennas and Propagation, Vol. AP, 34, pp.301-310.
6. Hiroshi Harada and Ramjee Prasad, (2002), Simulation and software radio for
mobile communications, chapter 7.
7. I.Ziskind and M. Wax, (1988), “Maximum Likelihood Localization of
Multiple Sources by Alternating Projection”, IEEE Trans. on Acoustics, Speech,
and Signal Processing, Vol, 36, No.10, pp.1553-1560.
8. J.E. Evans, J. R Johnson, and D. F. Sun, (1982), “High Resolution Angular
Spectrum Estimation Techniques for Terrain Scattering Analysis and Angle of
Arrival Estimation in ATC Navigation and Surveillance System”, M.I.T. Lincoln
Lab, Lexington, MA, Rep.582.
9. Joseph C. LIBERTI, JR and Theodore S. RAPPAPORT, (1999), Smart
antennas for wireless communications: IS-95 and Third Generation CDMA
Applications, Prentice Hall.

Nguyễn Hà Duy – K11Đ2


91
Luận văn Thạc sỹ

10. John Litva and Titus Kwok-Yeung Lo, (1996), Digital Beamforming in
Wireless Communications, chapter 1,2,3,4, Artech House Boston, London.
11. K. Takao and N. Kikuma, (1987), “An Adaptive Array Utilizing an Adaptive
Spatial Averaging Technique for Multipath Environments”, IEEE Trans. on
Antennas and Propagation, Vol. AP-35, No.12, pp.1389-1396.
12. R.Muhamed and T.S.Rappaport, (1996), “Direction of Arrival Estimation
Using Antenna Arrays”, Technical Report MPRG-TR-96-03, Mobile & Portable
Radio Research Group, Virginia Tech, Blacksburg, VA.
13. R.O.Schmidt, (1979), “Multiple Emitter Location and Signal Parameter
Estimation”, Proc. of RADC Spectrum Estimation Workshop, Griffiss, AFB,
NY, pp. 243-258.
14. R.O.Schmidt, (1986), “Multiple Emitter Location and Signal Parameter
Estimation”, IEEE Trans. on Antennas and Propagation, Vol. AP-34, No.3.
15. S.V.Schell, Calabretta, W.A.Gardner, B.G.Agee, (1989), “Cycle MUSIC
Algorithms for Signal Selective DOA Estimation”, Proc.of the Int’l. Conf. on
Acoustics, Speech, and Signal Processing, 89, pp.2278-2281.
16. S. U. Pillai and B. H. Kwon, (1989), “Forward/Backward Spatial Smoothing
Technique for

Coherent Singal Identification”, IEEE Trans. on Acoustics,

Speech, and Signal Processing, Vol. 37, No.1, pp.8-15.
17. S. V. Shell, W.A.Gardner, (1993), “High Resolution Direction Finding”,
Chapter 17, K, Bose and C.R. Rao, pp. 755-817.
18. T.W. Anderson, (1963), “Asymptotic Theory for Principle Component
Analysis,” Ann. Math. Stat, Vol. 34, pp. 122-148.
19. T.J. Shan, M. WaxJ, and T. Kailath, (1985), “On Spatial Smoothing for
Estimation of Coherent Signal,” IEEE Trans. on Acoustics, Speech, and Signal
Processing, Vol. ASSP-33, pp.802-811.

Nguyễn Hà Duy – K11Đ2


92
Luận văn Thạc sỹ

PHỤ LỤC
Chương trình mô phỏng việc cải thiện tỷ số CIR trong mạng
thông tin tế bào sử dụng kỹ thuật búp sóng:
% Programmed by A.Kanazawa
% Checked by H.Harada
%%%%%%%%%%%%%%% Status initialization
I = 2;

% The cluster size is determined from I and J

J = 2

% n = J*J + I*I + J*I

r = 100;

% the radius of the cell[m]

h = 0;

% the height of the BS[m]

D = set_D(I,J,r); % D is distance between two adjacent cochannel cells
station = stationInit(D); % determining position of base station
xbs = real(station);

% The x axis of the BS

ybs = imag(station);

% The y axis of the BS

sigma = 6.5;

% standard deviation of shadowing

alpha = 3.5;

% path loss factor

% Characteristics of antenna gain decision for BS
w_HBS = 60;

% [horizontal]: beam width at BS for the target direction

backg_BS = -100; % [horizontal]: antenna gain at BS for the opposite direction
[dB]
w_VBS = 360;

% [vertical]: beam width at BS [degree]

% Characteristics of antenna gain decision for MS
w_HMS = 360;

% [horizontal]: beam width at MS for the target direction

[degree]
backg_MS = -100;

% [horizontal]: antenna gain at MS for the

opposite direction [dB]
w_VMS = 360;

% [vertical]: beam width at MS [degree]

if h == 0,

% In the case of macro cell situation,

w_VBS = 360; w_VMS = 360;

%the effect of beam tilt becomes less.

end

% Antenna gain calculation of each BS
g_HBS = antgain(w_HBS, backg_BS);
g_VBS = antgain(w_VBS, 0);
g_HMS = antgain(w_HMS, backg_MS);
g_VMS = antgain(w_VMS, 0);

Nguyễn Hà Duy – K11Đ2


93
Luận văn Thạc sỹ

%%%%%%%%%%%%%%% Loop
%-------Initialization of MS positions
N=3000;

% The number of repeat

for num = 1:N,
Rx = rand(1,19);

% the random values: [0-1]

Ry = rand(1,19);

% the random values: [0-1]

X = r*Rx;
Y = Ry.* sqrt (r ^2 - X.^2);
tx = 2*((rand(1,19)>0.5) -0.5);

% the random values: -1 or 1

ty = 2*((rand(1,19)>0.5) -0.5);

% the random values: -1 or 1

x= X.* tx;

% The x axis of the MS when we

regard the position of each BS as (0,0)
y= Y.* ty;

% The y axis of the MS when we

regard the position of each BS as (0,0)
x2 = x + xbs.';

% The x axis of the MS when we

regard the position of central BS as (0,0)
y2 = y + ybs.';

% The y axis of the MS when we

regard the position of central BS as (0,0)
z(1,:) = x + i * y;

%

The

complex

expression

of

MS

The

complex

expression

of

MS

when we regard the position of each BS as (0,0)
z(2,:) = x2+ i * y2;

%

when we regard the position of central BS as (0,0)

d(1,:) = abs(z(1,:));

%The distance between BS_i and MS_i in horizontal

axis
d(2,:) = abs(z(2,:));

%The distance

between central BS and MS_i in

horizontal axis
d2 = sqrt(d.^2 + h^2);

%The distance

phai(1,:) = angle(z(1,:));

%The angle difference between BS_i and

MS_i [rad]
phai(2,:) = angle(z(2,:));

%The angle difference between central BS and

MS_i [rad]
deg = phai*180/pi;

%the conversion of radian to degree

if h ==0, degH = 90*ones(1,19);
else
phaiH = atan(d(2,:)/h);

%the elevation angle between central BS and MS_i

degH = phaiH*180/pi;

% the conversion of radian to degree

end
%-------shadowing---------for m = 1:19
g(m) = 10*log10(shadow(sigma));
end

Nguyễn Hà Duy – K11Đ2


94
Luận văn Thạc sỹ

% ----- propagation loss ----Loss(1,:) = 10 * log10(d2(1,:).^alpha); % The propagation loss from MS_i
to BS_i [dB]
Loss(2,:) = 10 * log10(d2(2,:).^alpha);

% The propagation loss from

MS_i to BS_0 [dB]
Loss_max = 10 * log10(r.^alpha);

%

The

propagation

loss

from

the

cell boundary to BS [dB]
%--------Transmission power level of each MS [dB]-----------Ptm_0= Loss_max*ones(1,19);

% no power control

%Ptm_0= Loss(1,:) + margin;

%power control (with margin [dB]

%--------- Calculation of antenna gain for the target direction
deg_B = deg(2,1)-deg(2,:);

% the angle difference between the MS_0

and MS_i from central BS
deg_M = deg(1,:)-deg(2,:);

% the angle difference between the BS_0
and BS_i from MS_i

degHBS = mod(round(deg_B),360);
degHMS = mod(round(deg_M),360);
degVBS = round(degH-degH(1));

% the angle difference in vertical direction

between MSs and central BS
degVMS = degVBS;

% the angle difference in vertical direction

between MSs and central BS

%-----Calculation of CIR at centered BS
%Control
CIdB_a=

Ptm_0(1:19)+g_HBS(degHBS(1:19)+1)

+

g_VBS(degVBS(1:19)+1)

g_HMS(degHMS(1:19)+1) + g_VMS(degVMS(1:19)+1)- Loss(2,1:19)-g(1:19);
% Received level at central BS (beam forming)
CIw_a = 10.^ ( CIdB_a ./ 10);

% dB

isum_a = sum( CIw_a(2:19));
CIR_a(num) =

CIw_a(1) / isum_a;

%No Control
CIdB_o= Ptm_0(1:19)- Loss(2,1:19)-g(1:19);

% Received level at centered

BS (Omni)
CIw_o= 10 .^ ( CIdB_o ./ 10 );

% dB

isum_o = sum( CIw_o(2:19));
CIR_o(num) =

CIw_o(1) / isum_o;

%-----Calculation of CIR under various w_HBS
ii = 1;
for w_HBS2=30:10:180,
g_HBS2 = antgain(w_HBS2, backg_BS);
CIdB_a2= Ptm_0(1:19)+g_HBS2(degHBS(1:19)+1) + g_VBS(degVBS(1:19)+1) +
g_HMS(degHMS(1:19)+1) + g_VMS(degVMS(1:19)+1)- Loss(2,1:19)- g(1:19);

Nguyễn Hà Duy – K11Đ2

+


95
Luận văn Thạc sỹ

% Received level at central BS (beam)
CIw_a2 = 10 .^ ( CIdB_a2 ./ 10 );

% dB

ciw_a2 = sum( CIw_a2(2:19));
CIR_a2(num,ii) =

CIw_a2(1) / ciw_a2;

ii = ii+1;
end
end
%-----statistics

CA = 10 * log10(sum(CIR_a)/N);
CO = 10 * log10(sum(CIR_o)/N);

%----result
CA-CO

% Improvement

end
%-----Calculation of CIR under various w_HBS
CA2= 10 * log10(sum(CIR_a2)/N);
CA2-CO
plot(30:10:180,CA2-CO, 'k')

% CIR improvement when beamwidth at base

station varies

%************ End of file ************

Nguyễn Hà Duy – K11Đ2



Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×