chương 1 đã trình bày tổng quan quá trình phát triển của các hệ thống thông tin di động từ 3G WCDMA lên 3G HSPA (3G+) và LTE (E3G/4G). Có thể nói HSPA là hậu 3G và LTE là tiền 4G với công nghệ LTE sẽ đem lại cho viễn thông di động thế giới tiến gần đến 4G hơn. Ngoài ra, trong chương này cũng đã giới thiệu khái quát về những đặc tính cải tiến của HSDPA so với những phát hành trước: MIMO, điều chế bậc cao, kết nối gói liên tục CPC, nâng cao CELL_FACH… đồng thời đưa ra những mục tiêu khi thiết kế LTE hướng tới. Trong chương tiếp theo, báo cáo sẽ trình bày tổng quan về kỹ thuật MIMO, một trong những phát minh lớn trong lĩnh vực vô tuyến, được ứng dụng trong hệ thống 3G và các hệ thống thông tin di động thế hệ tiếp theo trong SVTH: Nguyễn Công Danh Trang 21 Luận văn tốt nghiệp tương lai.
Với kỹ thuật MIMO, hiệu năng cả hệ thống và mức liên kết được nâng cao lên đáng kể. SVTH: Nguyễn Công Danh Trang 22 Luận văn tốt nghiệp CHƢƠNG 2 LÝ THUYẾT ANTEN 2.1 Sự phát triển của kỹ thuật anten Sóng vô tuyến được phát minh ra vào năm 1861 khi Maxell (Đại học Hoàng Gia Luân đôn) đưa ra lý thuyết sóng điện từ. Năm 1890 Branly (Paris) đã xây dựng một “bộ nhất quán” có thể phát hiện sự có mặt của sóng điện từ bằng một cái chai thuỷ tinh chứa kim loại. Bộ nhất quán này sau đó được tiếp tục phát triển bởi Lodge (Anh).
Mùa hè 1895, Marconi đã sử dụng máy phát của Hertz, bộ nhất quán của Lodge và lắp thêm anten để tạo ra một máy phát vô tuyến đầu tiên. Ứng dụng dân dụng đầu tiên của kỹ thuật vô tuyến là hệ thống điện thoại vô tuyến 2MHz vào năm 1921 trong ngành Cảnh sát. Những hệ thông được phát triển tiếp sau đó: FM (Armstrong-1933); Hệ thống thông tin của Bell ở tần số 150MHz, hệ thống IMTS sử dụng FM của AT&T (1946); Khái niệm celllular (mạng thông tin di động tổ ong) (Phòng thí nghiệm Bell-1947); Hệ thống AMPS (1970); Vào những năm 1990s: các hệ thống thông tin đi tổ ong GSM, IS-136 (TDMA), CDMA IS-95, 3G… ra đời và phát triển một cách mạnh mẽ [34,36]. Kỹ thuật anten được sử dụng cho các hệ thống thông tin vô tuyến cũng có sự phát triển như sau: - 1880- tới những năm1890: Hertz, Marconi, Popov đã thiết kế được các anten có tần số hoạt động và băng thông tốt hơn.
- Những năm 1900: anten định hướng được sử dụng đã cho phép liên lạc qua biển Atlantic - 1905: sử dụng nhiều anten cho phân tập thu. - Thập kỷ 1920: Dàn anten Yagi-Uda được phát minh đã đem lại tăng ích và băng thông tốt hơn. - Chiến tranh thế giới thứ 2: Dàn anten được sử dụng cho rađa. - Thập kỷ 1970: Ứng dụng xử lý tín hiệu thích nghi ở máy thu vô tuyến để cải thiện phân tập thu và triệt nhiễu bằng các bộ xử lý tín hiệu số trong quân sự.
Việc sử dụng anten nhiều phần tử ở máy thu trong thông tin vô tuyến mở ra một chiều mới trong xử lý tín hiệu (chiều không gian), cho phép cải thiện chỉ tiêu hệ thống. Tuy nhiên,đến trước những năm 1990, vấn đề được phát triển chủ yếu với anten mảng mới chỉ là kỹ thuật xử lý riêng theo miền không gian. - Thập kỷ 1990: Kỹ thuật thu không gian-thời gian (kết hợp cả miền không gian vàthời gian). + 1996: Anten nhiều phần tử được sử dụng ở trạm gốc để hỗ trợ nhiều người dùng trên cùng kênh.
+ 1994: Đề xuất kỹ thuật tăng dung lượng kênh vô tuyến bằng cách sử dụng anten nhiều phần tử ở cả máy phát và máy thu. Ý tưởng này tiếp tục được phát triển 1995, 1996, 1998 -> bắt đầu một cuộc cách mạng về lý thuyết truyền thông. Cùng với đó là sự ra đời hệ thống thông tin thế hệ 3G (Third-Generation) được tiêu chuẩn hóa bởi IMT-2000 (International Mobile Telecommunications 2000), bắt đầu SVTH: Nguyễn Công Danh Trang 23 Luận văn tốt nghiệp được phát triển tại Nhật Bản vào tháng 10 năm 2001. Từ đó đến nay 3G phát triển nhanh chóng và đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển các loại dịch vụ đa phương tiện.
hệ thống IMT-2000 đề xuất những dịch vụ chất lượng cao từ 64 đến 384 kbit/s và trữ lượng lưu lượng trên thoại tăng lên. Những dịch vụ đang phát triển phổ biến hiện nay như: truy cập internet, thương mại điện tử, e-mail,video theo yêu cầu … Đối tượng sử dụng thông tin rất đa dạng và nhu cầu càng tăng dần đến yêu cầu bức thiết cho ra đời và phát triển hệ thống thông tin di động 4G(Fourth- Generation). 4G có yêu cầu kỹ thuật dung lượng lớn vá tốc độ dữ liệu cao trong khi băng thộng cho phép không được mở rộng. Yêu cầu đó thúc đẩy những nghiên cứu về hệ thống đa đầu vào đa đầu ra MIMO (Multi Input Multi Output) và đạt được nhiều thành công đáng kể.
như ta đã biết môi trường truyền dẫn vô tuyến rất phức tạp do suy hao, xen nhiễu fading, hiệu ứng Doppler… gây ra nhiều khó khăn trong việc nhận dạng tín hiệu tại phía thu. Các kỹ thuật phân tập đóng góp đáng kể trong việc giảm fading đa đường. MIMO là hệ thống đa anten tại đầu phát và đầu thu, áp dụng kỹ thuật phân tập, mã hóa nhằm tăng dung lượng kênh truyền, cải thiện hiệu quả phổ mà không cần tăng công suất phát hay băng thông. Nhiều cấu trúc MIMO đã được đề suất và đạt được hiệu quả to lớn như: cấu trúc không gian – thời gian lớp dọc của phòng thí nghiệm Bell V-BLAST (Vertical-Bell Laboratories Layered Space-Time), mã hóa khối không gian thời gian STBC (Space-Time Block Coding), mã hóa Treliss không gian thời gian STTC (Space-Time Trellis Coding)… Có thể thấy rằng, kỹ thuật MIMO với mảng (dàn) anten nhiều phần tử ở nhiều cấp độ phức tạp khác nhau đã được ứng dụng trong quân sự từ khá lâu, nhưng do tính chất thay đổi liên tục của môi trường truyền sóng thông tin di động trong khi khả năng xử lý theo thời gian thực của máy thu phát còn nhiều hạn chế mà kỹ thuật này mới thực sự được nghiên cứu ứng dụng trong các hệ thống thông tin di động trong thời gian gần đây.
Nhờ sử dụng nhiều phần tử anten kỹ thuật này cho phép tối ưu hoá quá trình thu hoặc phát tín hiệu bằng cách dùng cả kỹ thuật xử lý tín hiệu theo miền không gian và theo miền thời gian tại máy thu phát, nhờ đó cho phép sử dụng tối đa hiệu quả phổ tần của mạng thông tin. Các vấn đề cơ bản của kênh truyền vô tuyến 2. Suy hao đuờng truyền Suy hao đường truyền trung bình xảy ra do các hiện tượng như: sự mở rộng mọi hướng của tín hiệu, sự hấp thu tín hiệu bởi nước, lá cây…và do phản xạ từ mặt đất.Suy hao truyền dẫn trung bình phụ thuộc vào khoảng cách và biến đổi rất chậm ngay cả đối với các thuê bao di chuyển với tốc độ cao. Tại anten phát, các sóng vô tuyến sẽ được truyền đi theo mọi hướng.
Ngay cả khi chúng ta dùng anten định hướng để truyền tín hiệu, sóng cũng được mở rộng dưới dạng hình cầu nhưng mật độ năng lượng khi đó sẽ được tập chung vào một vùng nào đó do ta thiết kế. Vì thế, mật độ công suất của sóng giảm tỉ lệ với bình phương khoảng cách. Phương trình(2.1) tính công suất thu được sau khi truyền qua khoảng cách R SVTH: Nguyễn Công Danh Trang 24 Luận văn tốt nghiệp 2 PR PT GT GR (2.1) 4R PR : Công suất tín hiệu thu được (W) PT : Công suất phát (W) GR : Độ lợi anten thu (anten đẳng hướng) GT : Độ lợi anten phát : Bước sóng của sóng mang Hoặc có thể viết lại: PT 4R 1 1 4 2 2 1 1 2 R f PR GT GR c GT GR (2.2) Gọi Lpt là hệ số suy giảm do việc chuyển dẫn trong không gian tự do L pt(dB)=PT (dB)+PR (dB) = 10 log10 GT 10 log10 GR 20 log10 f 20 log10 R 47.3) Nói chung chúng ta có thể xây dựng một mô hình khá chính xác cho các tuyếnthông tin vệ tinh và các tuyến liên lạc trực tiếp (không vật cản) như các tuyến liên lạc vi ba điểm nối điểm trong phạm vi ngắn. Tuy nhiên do hầu hết các tuyến thông tin trên mặt đất như thông tin di động, mạng LAN không dây, môi trường truyền dẫn phức tạp hơn nhiều do đó việc tạo ra mô hình cũng khó khăn hơn.
Ví dụ đối với kênh truyền dẫn vô tuyến di động UHF, khi đó điều kiện về không gian tự do được thỏa mản, chúng ta có công thức suy hao dường truyền như sau: Lpt 10 log10 GT 10 log10 GR 20 log10 hBS 20 log10 hMS 40 log10 R (2.4) Với hBS , hMS << R là độ cao anten trạm gốc BS (Base Station) và anten của trạm di động MS (Mobile Station ). Các cơ chế lan truyền cơ bản Tín hiệu qua kênh truyền vô tuyến sẽ lan tỏa trong không gian, va chạm vào các vật cản phân tán rải rác trên các đường truyền như xe cộ, nhà cửa, công viên, sông… gây ra các hiện tượng sau đây. -Phản xạ: Khi sống đập vào các bề mặt bằng phẳng. -Tán xạ : Khi sóng đập vào vật có bề mặt không bằng phẳng và các vật này có chiều dài so sánh được với chiều dài bước sóng.
-Nhiễu xạ: Khi sóng chạm vào các vật thể có kích thước lớn hơn nhiều chiều dài bước sóng. Khi sóng va chạm vào vật cản sẽ tạo ra vô số bản sao tín hiệu, một số bản sao sẽ tới máy thu. Do các bản sao phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ trên các vật khác nhau và theo các đường dài ngắn khác nhau nên. -Thời điểm các bản sao này tới máy thu cũng khác nhau, tức có độ trễ pha giữa các thành phần này khác nhau.
-Các bản sao này suy hao khác nhau, tức là biên độ giữa các thành phần này là khác nhau. Tín hiệu tại máy thu là tổng hợp của tất cả các bản sao này, tùy thuộc vào biên độ SVTH: Nguyễn Công Danh Trang 25 Luận văn tốt nghiệp và pha của các bản sao. -Tín hiệu thu được tăng cường hay cộng tích cực khi các bản sao đồng pha. -Tín hiệu thu bị triệt tiêu hay cộng tiêu cực khi các bản sao ngược pha.