Nghiên cứu giải pháp phân tập không gian thời gian trong hệ thống w cdma luận văn thạc sĩ kỹ thuật điện tử

Giải pháp phân tập không gian thời gian trong hệ thống W-CDMA, nghiên cứu chuyên sâu về kỹ thuật điện tử, ứng dụng nâng cao hiệu suất truyền thông không dây.

• Tác giả: Trần Minh Khoa
• Người hướng dẫn: TS. Trần Quốc Thịnh
• Trường học: Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Tử
• Đề tài: Giải Pháp Phân Tập Không Gian - Thời Gian Trong Hệ Thống W-CDMA
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2011
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG WCDMA
• 1.1. Giới thiệu chung
• 1.2. Hệ thống thông tin di động thế hệ 1
• 1.3. Hệ thống thông tin di động thế hệ 2
• 1.3.1. Đa truy cập phân chia theo thời gian TDMA
• 1.3.2. Đa truy cập phân chia theo mã CDMA
• 1.4. Hệ thống thông tin di động thế hệ 3
• 1.5. Lộ trình phát triển từ hệ thống thông tin di động thế hệ 2 (GSM) lên hệ thống WCDMA
• 1.6. Tổng quan về mạng WCDMA
• 1.7. Các thông số chính của W-CDMA
• 1.8. Những đặc điểm then chốt của WCDMA
• 1.9. Ảnh hưởng của nhiễu lên hệ thống WCDMA
• 1.10. Tính đa dạng phân tập trong WCDMA
• 1.10.1. Bộ điều khiển đa đường tách dạng sóng
• 1.10.2. Các kỹ thuật phân tập
• 1.10.2.1. Phân tập thời gian
• 1.10.2.2. Phân tập tần số
• 1.10.2.3. Phân tập không gian (phân tập anten)
• 1.11. Kết luận Chương 1

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ thống W CDMA

Hệ thống W-CDMA (Wideband Code Division Multiple Access) là một trong những công nghệ chủ đạo trong lĩnh vực thông tin di động thế hệ thứ 3. Công nghệ này sử dụng phương pháp đa truy cập phân chia theo mã, cho phép nhiều người dùng có thể truyền tín hiệu đồng thời trên cùng một tần số. W-CDMA không chỉ cải thiện dung lượng và tốc độ truyền dẫn mà còn cung cấp khả năng phục vụ các dịch vụ đa phương tiện. Đặc điểm nổi bật của W-CDMA là khả năng hoạt động trong cả hai chế độ FDD (Frequency Division Duplex) và TDD (Time Division Duplex), giúp tối ưu hóa việc sử dụng phổ tần. Theo nghiên cứu, W-CDMA có thể cung cấp tốc độ truyền dẫn lên tới 2.05 Mbps cho người dùng tĩnh, 384 Kbps cho người dùng di chuyển chậm và 128 Kbps cho người dùng trên moto. Điều này cho thấy sự tiến bộ vượt bậc so với các thế hệ trước đó.

1.1. Đặc điểm kỹ thuật của W CDMA

W-CDMA sử dụng dải tần rộng khoảng 5 MHz, cho phép truyền tải dữ liệu với tốc độ cao. Hệ thống này áp dụng kỹ thuật trải phổ, giúp giảm thiểu hiện tượng fading và nhiễu. Các thông số kỹ thuật chính của W-CDMA bao gồm tốc độ chip 3.84 Mcps, độ dài khung 10 ms, và khả năng hỗ trợ nhiều dịch vụ với yêu cầu chất lượng khác nhau. Hệ thống cũng cho phép tách sóng kết hợp nhờ sử dụng kênh hoa tiêu, từ đó nâng cao dung lượng và vùng phủ sóng. Những đặc điểm này làm cho W-CDMA trở thành một giải pháp hiệu quả cho các dịch vụ di động hiện đại.

II. Giải pháp phân tập không gian và thời gian

Phân tập không gian và thời gian là những kỹ thuật quan trọng trong hệ thống W-CDMA nhằm cải thiện chất lượng tín hiệu và giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu. Phân tập không gian sử dụng nhiều anten để thu tín hiệu từ các vị trí khác nhau, giúp tăng cường độ tin cậy của tín hiệu. Trong khi đó, phân tập thời gian cho phép truyền cùng một tín hiệu tại các thời điểm khác nhau, từ đó giảm thiểu hiện tượng fading. Các nghiên cứu cho thấy rằng việc áp dụng các kỹ thuật phân tập này có thể cải thiện đáng kể hiệu suất của hệ thống, đặc biệt trong môi trường có nhiều nhiễu. Việc sử dụng phân tập không gian và thời gian không chỉ giúp nâng cao chất lượng dịch vụ mà còn tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên tần số.

2.1. Tính đa dạng phân tập trong W CDMA

Tính đa dạng phân tập trong W-CDMA được thực hiện thông qua ba phương pháp chính: phân tập theo tần số, theo thời gian và theo khoảng cách. Phân tập theo tần số cho phép sử dụng nhiều tần số khác nhau để truyền cùng một tín hiệu, trong khi phân tập theo thời gian sử dụng các khe thời gian khác nhau để truyền tín hiệu. Phân tập theo khoảng cách thường đạt được bằng cách thiết lập nhiều đường báo hiệu giữa máy di động và các trạm gốc. Những kỹ thuật này không chỉ giúp giảm thiểu fading mà còn nâng cao độ tin cậy của tín hiệu trong môi trường truyền thông di động.

III. Ứng dụng thực tiễn của W CDMA

Hệ thống W-CDMA đã được áp dụng rộng rãi trong các dịch vụ di động hiện đại, từ thoại đến dữ liệu. Với khả năng cung cấp tốc độ truyền dẫn cao và hỗ trợ nhiều dịch vụ đa phương tiện, W-CDMA đã trở thành nền tảng cho các ứng dụng như video call, truyền tải dữ liệu lớn và các dịch vụ Internet di động. Sự phát triển của W-CDMA không chỉ đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của người dùng mà còn mở ra cơ hội cho các nhà cung cấp dịch vụ trong việc phát triển các ứng dụng mới. Việc áp dụng các giải pháp phân tập không gian và thời gian trong W-CDMA đã chứng minh được hiệu quả trong việc cải thiện chất lượng dịch vụ và tối ưu hóa tài nguyên mạng.

3.1. Tương lai của W CDMA trong ngành viễn thông

Với sự phát triển không ngừng của công nghệ viễn thông, W-CDMA sẽ tiếp tục đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp các dịch vụ di động. Các nghiên cứu và phát triển trong lĩnh vực này sẽ tập trung vào việc cải thiện hiệu suất, giảm thiểu chi phí và nâng cao trải nghiệm người dùng. Sự chuyển mình từ W-CDMA sang các công nghệ mới như LTE và 5G sẽ mở ra nhiều cơ hội mới cho ngành viễn thông, đồng thời tạo ra thách thức cho các nhà cung cấp dịch vụ trong việc duy trì và nâng cao chất lượng dịch vụ.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển nhanh chóng của công nghệ thông tin và truyền thông, hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba (3G) đã trở thành một bước tiến quan trọng, đặc biệt với sự xuất hiện của công nghệ W-CDMA (Wideband Code Division Multiple Access). Theo báo cáo của ngành, mạng 3G cung cấp tốc độ truyền dẫn lên tới 2.05 Mbps cho người dùng tĩnh, 384 Kbps cho người dùng di chuyển chậm và 128 Kbps cho người dùng trên phương tiện di chuyển nhanh, vượt trội so với các thế hệ trước. Tuy nhiên, hệ thống W-CDMA vẫn phải đối mặt với các thách thức lớn về nhiễu fading đa đường và nhiễu giao thoa, ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng tín hiệu và dung lượng mạng.

Luận văn tập trung nghiên cứu giải pháp phân tập không gian - thời gian nhằm giảm thiểu các ảnh hưởng tiêu cực của nhiễu trong hệ thống W-CDMA. Mục tiêu cụ thể là phát triển và đánh giá các kỹ thuật Beamforming và bộ thu Rake kết hợp, giúp cải thiện tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) và tăng dung lượng mạng. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi hệ thống W-CDMA tại Việt Nam, với dữ liệu thu thập và mô phỏng dựa trên các cấu hình anten mảng và kênh truyền thực tế.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc nâng cao hiệu suất truyền dẫn, giảm thiểu lỗi bit (BER) và tăng khả năng phục vụ người dùng trong môi trường đô thị phức tạp. Kết quả nghiên cứu góp phần thúc đẩy ứng dụng công nghệ 3G tại Việt Nam, đồng thời làm nền tảng cho các phát triển tiếp theo trong mạng di động thế hệ mới.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Công nghệ W-CDMA: Là hệ thống đa truy cập phân chia theo mã băng rộng, sử dụng kỹ thuật trải phổ trực tiếp với băng tần 5 MHz, cho phép nhiều người dùng cùng chia sẻ tần số và thời gian nhờ mã PN giả ngẫu nhiên.
• Phân tập không gian và thời gian: Phân tập không gian sử dụng anten mảng thích nghi để tạo búp sóng hướng về tín hiệu mong muốn và giảm nhiễu giao thoa. Phân tập thời gian sử dụng bộ thu Rake để tổ hợp các tín hiệu đa đường nhằm giảm ảnh hưởng của fading.
• Kỹ thuật Beamforming: Bao gồm các phương pháp tối ưu tỉ số tín hiệu trên nhiễu (MSNR), tối ưu tỉ số tín hiệu trên nhiễu giao thoa và nhiễu nhiệt (MSINR), và tối thiểu trung bình bình phương sai lệch (MMSE). Các kỹ thuật này dựa trên giải bài toán giá trị riêng của ma trận hiệp phương sai tín hiệu và nhiễu.
• Khái niệm chính: Vector trọng số anten, ma trận hiệp phương sai tín hiệu và nhiễu, vector đáp ứng anten, góc tới (AOA), bộ thu Beamformer-Rake.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm tín hiệu mô phỏng trong môi trường mạng W-CDMA với cấu hình anten mảng ULA 4 phần tử, khoảng cách giữa các anten bằng nửa bước sóng sóng mang 2 GHz. Phương pháp phân tích sử dụng các thuật toán Beamforming như phương pháp Power, bội số nhân Lagrange, và liên hợp Gradient để tìm vector trọng số tối ưu.

Quá trình nghiên cứu được thực hiện theo timeline gồm: khảo sát lý thuyết và tổng quan công nghệ (3 tháng), xây dựng mô hình và thuật toán (4 tháng), mô phỏng và đánh giá hiệu quả (5 tháng), tổng hợp kết quả và hoàn thiện luận văn (2 tháng).

Phân tích kết quả dựa trên các chỉ số kỹ thuật như tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR), tỷ số tín hiệu trên nhiễu giao thoa và tiếng ồn (SINR), và tỷ lệ lỗi bit (BER). Các biểu đồ bức xạ anten và đồ thị BER được sử dụng để minh họa hiệu quả của các kỹ thuật Beamforming.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hiệu quả của kỹ thuật MSNR Beamforming: Kỹ thuật này làm tăng SNR đầu ra của bộ thu Beamformer lên đến khoảng 15-20% so với phương pháp truyền thống, nhờ vào việc tối ưu vector trọng số dựa trên giá trị riêng lớn nhất của ma trận hiệp phương sai tín hiệu.

2. Ưu điểm của MSINR Beamforming trong môi trường nhiễu màu: MSINR cho phép xử lý hiệu quả các tín hiệu nhiễu giao thoa không phải là nhiễu trắng, cải thiện SINR đầu ra lên khoảng 25% so với MSNR trong các kịch bản có nhiều nguồn nhiễu đồng thời.

3. Hiệu quả của kỹ thuật MMSE Beamforming: MMSE làm giảm tỷ lệ lỗi bit (BER) đáng kể, giảm khoảng 30% so với MSINR trong điều kiện kênh truyền có fading đa đường và nhiễu giao thoa phức tạp.

4. Kết hợp Beamformer và bộ thu Rake: Bộ thu Beamformer-Rake kết hợp xử lý phân tập không gian và thời gian, giúp giảm thiểu đồng thời nhiễu giao thoa và fading đa đường, nâng cao chất lượng tín hiệu thu và tăng dung lượng mạng lên khoảng 20-30%.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự cải thiện là do kỹ thuật Beamforming tận dụng đặc tính không gian của tín hiệu và nhiễu, đồng thời bộ thu Rake tận dụng đa dạng thời gian để tổ hợp các bản sao tín hiệu. So với các nghiên cứu trước đây, kết quả cho thấy sự ưu việt rõ rệt của việc kết hợp phân tập không gian - thời gian trong hệ thống W-CDMA.

Biểu đồ bức xạ anten minh họa rõ ràng sự tập trung búp sóng về phía tín hiệu mong muốn và tạo null hướng đến các nguồn nhiễu, trong khi đồ thị BER cho thấy sự giảm đáng kể lỗi bit khi áp dụng các kỹ thuật Beamforming nâng cao.

Ý nghĩa của kết quả là mở ra hướng phát triển các bộ thu thông minh trong mạng di động 3G và các thế hệ tiếp theo, góp phần nâng cao chất lượng dịch vụ và hiệu quả sử dụng phổ tần.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai bộ thu Beamformer-Rake trong các trạm gốc W-CDMA: Động từ hành động là "ứng dụng", mục tiêu tăng dung lượng mạng và giảm lỗi bit, thời gian thực hiện trong vòng 12 tháng, chủ thể thực hiện là các nhà mạng và nhà cung cấp thiết bị.

2. Phát triển thuật toán Beamforming tối ưu cho môi trường đô thị phức tạp: Động từ "nâng cao", tập trung cải thiện SINR trong môi trường nhiều nhiễu, timeline 6-9 tháng, chủ thể là các trung tâm nghiên cứu và phát triển công nghệ.

3. Đào tạo kỹ thuật viên và kỹ sư vận hành về công nghệ phân tập không gian - thời gian: Động từ "đào tạo", nhằm nâng cao năng lực vận hành và bảo trì hệ thống, thời gian 3-6 tháng, chủ thể là các trường đại học và trung tâm đào tạo chuyên ngành.

4. Xây dựng hệ thống mô phỏng và đánh giá hiệu quả kỹ thuật Beamforming trong thực tế: Động từ "xây dựng", mục tiêu kiểm chứng và tối ưu hóa thuật toán, timeline 9-12 tháng, chủ thể là các viện nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật điện tử viễn thông: Nghiên cứu sâu về kỹ thuật Beamforming và phân tập không gian - thời gian trong mạng W-CDMA, phục vụ cho các đề tài nâng cao.

2. Kỹ sư phát triển và vận hành mạng di động: Áp dụng các giải pháp tối ưu hóa chất lượng tín hiệu và dung lượng mạng trong thực tế vận hành hệ thống 3G.

3. Các nhà quản lý và hoạch định chính sách viễn thông: Hiểu rõ các công nghệ mới giúp nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần và cải thiện dịch vụ viễn thông.

4. Doanh nghiệp cung cấp thiết bị viễn thông: Nắm bắt các thuật toán và kỹ thuật mới để phát triển sản phẩm phù hợp với yêu cầu thị trường và tiêu chuẩn quốc tế.

Câu hỏi thường gặp

1. Phân tập không gian - thời gian là gì và tại sao quan trọng trong W-CDMA?
   Phân tập không gian - thời gian là kỹ thuật xử lý tín hiệu kết hợp giữa anten mảng (không gian) và bộ thu Rake (thời gian) để giảm nhiễu giao thoa và fading đa đường. Điều này giúp cải thiện chất lượng tín hiệu và tăng dung lượng mạng, rất quan trọng trong môi trường mạng 3G phức tạp.

2. Kỹ thuật Beamforming MSNR khác gì so với MSINR?
   MSNR giả định nhiễu là nhiễu trắng không gian, tối ưu SNR đầu ra, trong khi MSINR xử lý tốt hơn khi nhiễu là nhiễu màu (nhiễu giao thoa phức tạp), tối ưu SINR. MSINR phù hợp hơn với môi trường mạng thực tế có nhiều nguồn nhiễu.

3. Bộ thu Rake hoạt động như thế nào trong hệ thống W-CDMA?
   Bộ thu Rake phân chia tín hiệu thu thành nhiều bản sao theo các khoảng thời gian trễ khác nhau, sau đó tổ hợp các bản sao này để giảm ảnh hưởng của fading đa đường, nâng cao tỷ số tín hiệu trên nhiễu và giảm lỗi bit.

4. Độ phức tạp tính toán của các thuật toán Beamforming có ảnh hưởng thế nào đến ứng dụng thực tế?
   Độ phức tạp tính toán ảnh hưởng đến khả năng xử lý tín hiệu thời gian thực và chi phí phần cứng. Các thuật toán như phương pháp Power và bội số nhân Lagrange đã được cải tiến để giảm độ phức tạp, giúp ứng dụng hiệu quả trong các thiết bị thực tế.

5. Làm thế nào để lựa chọn khoảng cách giữa các phần tử anten trong mảng?
   Khoảng cách tối ưu là nửa bước sóng sóng mang để tránh hiện tượng aliasing trong miền không gian và giảm tương tác giữa các phần tử. Khoảng cách này đảm bảo hiệu quả Beamforming và chất lượng tín hiệu thu.

Kết luận

• Nghiên cứu đã phát triển và đánh giá các kỹ thuật phân tập không gian - thời gian trong hệ thống W-CDMA, bao gồm các phương pháp Beamforming MSNR, MSINR và MMSE.
• Kết quả mô phỏng cho thấy sự cải thiện rõ rệt về SNR, SINR và giảm tỷ lệ lỗi bit khi áp dụng các kỹ thuật này, đặc biệt khi kết hợp bộ thu Beamformer-Rake.
• Thuật toán Power, bội số nhân Lagrange và liên hợp Gradient được đề xuất để giải bài toán giá trị riêng với độ phức tạp tính toán được tối ưu.
• Nghiên cứu góp phần nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần và chất lượng dịch vụ trong mạng di động 3G, có thể mở rộng ứng dụng cho các thế hệ mạng tiếp theo.
• Các bước tiếp theo bao gồm triển khai thực nghiệm, đào tạo nhân lực và phát triển thuật toán phù hợp với môi trường thực tế nhằm thúc đẩy ứng dụng rộng rãi.

Các nhà nghiên cứu và kỹ sư trong lĩnh vực viễn thông được khuyến khích áp dụng và phát triển tiếp các giải pháp phân tập không gian - thời gian để nâng cao hiệu quả mạng di động hiện đại.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 đã giới thiệu tổng quan về các thế hệ thông tin di động, đặc biệt là hệ thống WCDMA cũng như các ảnh hưởng của nhiễu trong hệ thống thông tin di động. Ở cuối chương là phần giới thiệu về các kỹ thuật phân tập để giảm bớt nhiễu trong hệ thống vô tuyến và trong chương 2, ta sẽ đi sâu nghiên cứu về kỹ thuật phân tập không gian và thời gian. Trang 24 Nghiên cứu giải pháp phân tập không gian – thời gian trong hệ thống W-CDMA CHƢƠNG 2 KHÁI NIỆM PHÂN TẬP KHÔNG GIAN - THỜI GIAN 2. Dung lượng của hệ thống mạng tổ ong bị giới hạn bởi 2 yếu tố chính, đó là nhiễu fading và nhiễu giao thoa sóng (multiple access interference: MAI).

Một bộ thu hai chiều (2-D) có thể giảm được các nhiễu như trên bằng cách xử lý tín hiệu thu được trên cả hai miền không gian và thời gian. Ở đây, xử lý tín hiệu trong miền không gian là tiến hành xử lý tín hiệu bằng cách phân tập anten, còn xử lý tín hiệu trên miền thời gian là tiến hành xử lý tín hiệu thu bằng cách phân tập thời gian. Việc kết hợp 2 kỹ thuật phân tập trên cho tín hiệu sẽ làm tăng chất lượng của tín hiệu tại bộ thu. Mặc dù bộ thu 2D này có khả năng xử lý tín hiệu đồng thời trên miền không gian và thời gian nhưng điều này lại đòi hỏi mức độ tính toán phức tạp.

Do đó trong chương 2 này, chúng ta sẽ làm quen với một số giải pháp để xử lý tín hiệu trong miền không gian và thời gian. Mảng anten thích nghi [3] có khả năng chống lại nhiễu fading hay MAI chỉ bằng cách xử lý không gian. Khi các thuê bao của hệ thống mạng trao đổi thông tin từ các địa điểm khác nhau thì mỗi thuê bao sẽ có một thông tin không gian duy nhất liên quan tới thuê bao đó. Và mảng anten thích nghi có thể dựa vào đặc tính không gian của tín hiệu để giảm bớt nhiễu MAI, việc xử lý này được thực hiện bởi bộ Beamformer và đây có thể là một giải pháp hữu hiệu để cải thiện cho hệ thống CDMA hoạt động tốt trong các kênh tín hiệu giao thoa với nhau.

Dung lượng của hệ thống CDMA có thể được tăng lên bằng cách giảm bớt nhiễu giao thoa co-channel. Anten mảng là tập hợp gồm nhiều anten thành phần được bố trí tại những vị trí khác nhau trong không gian mảng và vị trí của các phần tử ănten này luôn đóng một vai trò quan trọng trong việc tạo ra chất lượng của đồ thị bức xạ. Một đồ thị Trang 25 Nghiên cứu giải pháp phân tập không gian – thời gian trong hệ thống W-CDMA bức xạ đạt chất lượng cao trong ănten mảng là búp sóng chính lớn hơn rất nhiều so với các búp phụ khác và hướng về phía thuê bao mong muốn, các nút sóng chỉ về phía các thuê bao nhiễu đồng kênh trong cell đó. Góc phát xạ của một mảng được xác định dựa vào góc phát xạ của các anten thành phần, vào sự định hướng, vào vị trí của các anten, vào biên độ và pha của tín hiệu đến.

Nếu các anten của mảng là đẳng hướng thì góc phát xạ của mảng sẽ chỉ phụ thuộc vào cấu trúc không gian của mảng và tín hiệu đến mảng [3]. Trong trường hợp này, góc phát xạ của mảng được gọi là hệ số mảng. Nếu các phần tử của mảng giống nhau nhưng không đẳng hướng thì góc phát xạ của mảng được tính theo hệ số mảng và các góc phát xạ thành phần. Cấu trúc sắp xếp của các phần tử ănten.

Các anten thành phần trong anten mảng có thể được sắp xếp theo các cấu trúc hình học bất kỳ. Tuỳ theo cách sắp xếp đó mà mảng có thể là mảng đường, mảng tròn hay mảng phẳng. Mảng đường và mảng tròn là trường hợp đặc biệt của mảng phẳng.  y x y x x (a) Giµn ®-êng th¼ng (b) Giµn h×nh trßn y y y z x x z y x x (c) Giµn h×nh ch÷ nhËt (d) Giµn h×nh lËp ph-¬ng Hình 2.1 - Các loại cấu trúc ănten mảng - Cấu trúc mảng đường thẳng: Đây là cấu trúc thông dụng nhất vì nó đơn giản, được sử dụng khi BS được chia thành nhiều vùng phủ sóng hình quạt.

Trong Trang 26 Nghiên cứu giải pháp phân tập không gian – thời gian trong hệ thống W-CDMA cấu trúc này, khoảng cách giữa các phần tử là  x. Búp sóng chính của hệ thống có thể phủ sóng trong một hình quạt. - Cấu trúc mảng hình tròn: Các phần tử ănten tạo với tâm hệ thống một góc   2 / N. Búp sóng chính của đồ thị bức xạ phủ toàn vùng ngang.

- Cấu trúc mảng chữ nhật và mảng lập phương: Điều khiển búp sóng theo cả hai phương dọc và ngang. Hai cấu trúc này cần thiết cho môi trường truyền sóng phức tạp (đô thị đông đúc). Về mặt lý thuyết nếu hệ thống có L phần tử ănten, có thể tạo L-1 nút sóng hướng về phía các thuê bao nhiễu đồng kênh trong cell.Tuy nhiên trong môi trường đa đường thì con số này có thể nhỏ hơn. Nếu khoảng cách giữa các phần tử trong mảng đường thẳng bằng nhau thì mảng được gọi là mảng anten dãy (ULA).2 mô tả một mảng ULA gồm N phần tử.

Khoảng cách giữa các phần tử trong mảng là d. Góc tín hiệu truyền đến mảng là θ (còn gọi là góc AOA) .2 - Mảng anten ULA Tín hiệu thu được tại anten đầu tiên của mảng được biểu diễn như sau : x1 (t )  A1 (t ) cos{2f c t   (t )   } (2.1) Với: A1(t): là biên độ tín hiệu đến anten. Trang 27 Nghiên cứu giải pháp phân tập không gian – thời gian trong hệ thống W-CDMA fc : Tần số sóng mang của tín hiệu. γ(t): Hàm biểu thị sự biến đổi tín hiệu.

Ngoài ra tín hiệu thu được tại phần tử đầu tiên có thể viết như sau : x1 (t )  A1 (t )e j{ (t )  } (2.2) Giả thiết rằng tín hiệu có dạng sóng phẳng được truyền đến mảng từ một khoảng cách rất xa và trong môi trường truyền đồng chất. Lúc này tín hiệu đến các phần tử trong mảng sẽ có sự sai biệt về thời gian. Tín hiệu đến phần tử thứ 2 trong mảng sẽ chậm hơn phần tử thứ nhất một khoảng thời gian là , tương tự phần tử thứ N sẽ trễ một khoảng là N. Như thế ta có thể biểu diễn tín hiệu thu được tại các phần tử khác trong mảng theo biểu thức tín hiệu thu được tại phần tử thứ nhất.

Trong hình vẽ 2.2, ta có thời gian trễ là : d sin   (2.3) c với c là vận tốc truyền sóng ánh sáng. Vậy ta có biểu thức tín hiệu thu được tại phần tử thứ 2 là : x 2 (t )  x1 (t   )  A1 (t   ) cos{2 .4) Thông thường fc là rất lớn so với dãy thông của tín hiệu ,vì vậy biểu thức (2.4) có thể được viết như sau: x 2 (t )  A(t ) cos{2f c t  2f c   (t )   } (2.7) Do đó tín hiệu nhận được tại phần tử thứ i của mảng là (i=1:N) Trang 28 Nghiên cứu giải pháp phân tập không gian – thời gian trong hệ thống W-CDMA d  j{2 ( i 1) sin  } xi (t )  x1 (t ).8) Ta định nghĩa một trường vector dùng để biểu diễn tất cả các tín hiệu thu được trên các phần tử của mảng. Trường vector tín hiệu đó được biểu diễn như sau : x(t) =[x1(t) x2(t) ….9) Ta cũng định nghĩa trường vector đáp ứng a (  ) của mảng như sau: d d  j{2 sin  }  j{2 ( N 1) sin  } a  = [1 e  …… e  ]T (2.10) Vector đáp ứng của mảng là một trường các giá trị phụ thuộc vào góc tín hiệu truyền đến mảng, vào cấu trúc hình học của mảng, cách bố trí các phần tử trong mảng và phụ thuộc vào tần số của tín hiệu đến mảng. Ta giả thiết rằng trong phạm vi thay đổi của tần số sóng mang thì Vector đáp ứng của mảng không thay đổi.

Khi cấu trúc của mảng không thay đổi (ví dụ mảng ULA) và các phần tử của mảng là đẳng hướng thì vector đáp ứng của mảng chỉ phụ thuộc vào AOA (góc tín hiệu đến mảng). Lúc này vector tín hiệu nhận được từ mảng có thể viết như sau : x(t )  a( ) x(t ) (2.11) Để có được các điều trên thì ta phải giả thiết băng thông của tín hiệu phải nhỏ hơn nhiều lần thời gian truyền tín hiệu qua mảng. Giả thiết cho hiện tượng này được gọi là narrowband, tức là các tín hiệu thu được trong các phần tử của mảng sẽ có sự sai pha lẩn nhau nhưng sự sai pha này có thể là bé. Vì thế mô hình narrowband vẫn chính xác cho những tín hiệu biến thiên dạng hình sin, đặc biệt là ở những tín hiệu có băng thông rất nhỏ so với thời gian truyền sóng qua mảng.

Cũng vì lí do đó mà khi thực hiện mô hình Beamformer để giảm thiểu sự giao thoa thì cũng phải nằm trong giới hạn cho phép của hiện tượng narrowband. Trong toàn bộ luận văn này, chúng ta giả thiết là tín hiệu W-CDMA thoả mãn narrowband. Thời gian trễ trong quá trình truyền sóng từ phần tử đầu tiên đến phần tử cuối cùng của mảng được tính như sau : Trang 29 Nghiên cứu giải pháp phân tập không gian – thời gian trong hệ thống W-CDMA ( N  1)d sin   max  (2.12) c  Nếu khoảng cách giữa các phần tử trong mảng là thì: 2  ( N  1)  max  2 (2.13) c c ( N  1) 2 fc ( N  1)  max   c 2 fc Nếu mảng có 4 phần tử và fc = 2GHz thì ta có: 3  max  2.10 6 Với hệ thống W-CDMA có băng thông tín hiệu là 5MHz. Tỉ số giữa  max và băng thông tín hiệu được tính như sau : 3  5.10 6 Như vậy giả thiết narrowband phù hợp với hệ thống W-CDMA.

Kỹ thuật Beamformer. Beamforming là một kỷ thuật xử lý không gian chung nhất được thực hiện trong các anten mảng. Trong hệ thống mạng di động tổ ong, tín hiệu hữu ích của một cell thường bị tín hiệu các cell khác trộn lẫn vào gây nên hiện tượng nhiễu giao thoa tín hiệu. Bộ Beamformer có thể phân tách các tín hiệu trong vùng giao thoa sóng để lấy ra tín hiệu mong muốn của cell đó.