Các hệ thống anten trong thông tin di động

Các hệ thống anten trong thông tin di động Bài báo này sẽ gửi tới độc giả những kiến thức cơ bản về các hệ thống Anten đã và đang được nghiên cứu áp dụng trong các hệ thống thông tin di động, bao gồm các loại các an ten truyền thống áp dụng trong các hệ thông thông tin di động thế hệ thứ nhất cho đến những hệ thống an ten thông minh đang được nghiên cứu cho các hệ thống 3G. ThS. Nguyễn Trọng Đường Trong thời đại bùng nổ của công nghệ thông tin hiện nay, yêu cầu đối với các dịch vụ thông tin di động liên tục tăng lên nhanh chóng cả về chất lượng dịch vụ lẫn dung lượng hệ thống. Điều này bắt buộc các nhà cung cấp dịch vụ phải tìm kiếm các công nghệ mới nhằm sử dụng một cách hiệu quả nhất phổ tần của họ và nâng cao dung lượng hệ thống cũng như chất lượng dịch vụ. Một trong những giải pháp hiệu quả nhất cho vấn đề này là cải tiến công nghệ chế tạo an ten cho hệ thống. Bài báo này sẽ gửi tới độc giả những kiến thức cơ bản về các hệ thống Anten đã và đang được nghiên cứu áp dụng trong các hệ thống thông tin di động, bao gồm các loại các an ten truyền thống áp dụng trong các hệ thông thông tin di động thế hệ thứ nhất cho đến những hệ thống an ten thông minh đang được nghiên cứu cho các hệ thống 3G. Tổng quan về Anten và các hệ thống Anten truyền thống Có nhiều loại an ten đã được nghiên cứu áp dụng trong suốt quá trình phát triển của các thế hệ thông tin di động, trước khi tìm hiểu về các hệ thống an ten phức tạp, chúng ta hãy cùng điểm qua hai loại an ten cơ bản được dùng khá phổ biến, đó là an ten đẳng hướng (omnidirectional antenna) và an ten định hướng (directional antenna). Hình 1. Anten đẳng hướng và đặc tuyến phủ sóng An ten đẳng hướng là loại an ten đơn giản dùng để phát và thu sóng đồng đều đối với tất cả các hướng (Hình 1). Loại an ten này thích hợp cho việc tìm kiếm một máy điện thoại di động (mobile station - MS) khi không biết chính xác máy này nằm ở vị trí nào, tuy nhiên nó làm phân tán năng lượng và cường độ tín hiệu đến được MS chỉ bằng một phần nhỏ của tổng năng lượng tín hiệu phát ra. Để khắc phục nhược điểm này người ta phải nâng công suất phát, nhưng điều này lại làm tăng sự xuyên lẫn giữa các kênh (còn gọi là xuyên nhiễu). Nói chung an ten đẳng hướng có nhiều hạn chế về độ tăng ích, hiệu năng sử dụng phổ tần và khả năng tái sử dụng các kênh tần số. An ten định hướng cũng là loại an ten đơn giản, nhưng khác với an ten đẳng hướng nó được thiết kế để phát và thu tín hiệu tập trung về một hướng nhất định (Hình 2). Trong các hệ thống thông tin di động, đặc tuyến phủ sóng của an ten định hướng thường hình quạt với góc mở là 1200. So với anten đẳng hướng, an ten định hướng có độ tăng ích và hiệu năng tín hiệu cao hơn nhờ sự tập trung tín hiệu. Tuy nhiên nó vẫn không thể khắc phục được một nhược điểm lớn của an ten đẳng hướng, đó là vấn đề xuyên lẫn giữa các kênh. Hình 2. Anten định hướng và đặc tuyến phủ sóng Để khắc phục nhược điểm của các loại an ten đơn giản nêu trên người ta đã cố gắng kết hợp nhiều an ten với nhau để tạo thành một hệ thống an ten. Các an ten trong cùng hệ thống phải làm việc đồng bộ với nhau nhằm nâng cao độ tăng ích cũng như mở rộng vùng phủ sóng. Phần tiếp sau đây sẽ tóm lược các hệ thống an ten đã được nghiên cứu phát triển cho các hệ thống thông tin di động. Hệ thống an ten hình quạt (sectored systems) Hệ thống an ten hình quạt kết hợp các an ten định hướng đặt ở trạm gốc (base station-BS) để chia các ô (cell) truyền thống thành từng phần hình quạt (sector). Một cell thường được chia thành 3 hoặc 6 sector, các sector hoạt động như các cell độc lập. Hệ thống an ten hình quạt cho phép tăng khả năng tái sử dụng các kênh tần số và giảm bớt xuyên nhiễu trong các hệ thống thông tin di động (Hình 3). Hình 3. Hệ thống anten hình quạt và đặc tuyến phủ sóng Hệ thống an ten phân tán (diversity systems) Hệ thống an ten phân tán kết hợp các an ten đặt các vị trí khác nhau ở trạm gốc nhằm hạn chế hiệu ứng đa đường (fading). Để đơn giản ở đây ta chỉ xét hệ thống an ten phân tán gồm hai an ten. Hệ thống này cải thiện độ lớn của tín hiệu thu được bằng cách sử dụng một trong hai phương pháp sau: Hình 4. Sự cải thiện hiệu ứng fađing của anten phân tán chuyển mạch An ten phân tán chuyển mạch - Sử dụng bộ chuyển mạch tự động để chọn kết nối kênh tín hiệu với an ten nào ở vị trí thu được tín hiệu tốt nhất. Hệ thống này có khả năng cải thiện được hiệu ứng fading (Hình 4), tuy nhiên nó không thể nâng cao độ tăng ích do tại mỗi thời điểm chỉ có một an ten làm việc. An ten phân tán phối hợp - Thực hiện việc nhận tín hiệu từ cả hai an ten, sửa sự lệch pha nhằm phối hợp hai tín hiệu để đưa ra tín hiệu tốt nhất. Hệ thống này không những cải thiện được hiện tượng fading mà còn tăng được độ tăng ích của an ten (Hình 5). Hình 5. Sự cải thiện độ tăng ích của anten phân tán phối hợp Bởi vì cường độ tín hiệu phát ra của trạm gốc (hướng xuống) thường lớn hơn nhiều cường độ tín hiệu phát ra bởi mobile (hướng lên) nên hệ thống an ten phân tán thường được dùng ở các trạm gốc để cải thiện tín hiệu thu được từ mobile. Hệ thống an ten phân tán mặc dù có cải thiện được hiệu ứng fading nhưng vẫn chưa đáp ứng được đòi hỏi phải giảm xuyên lẫn gữa các kênh, nâng cao độ nhạy, tăng khả năng tái sử dụng kênh tần số cũng như tăng dung lượng của hệ thống. Các yêu cầu này dẫn đến việc đòi hỏi nghiên cứu phát triển các hệ thống an ten thông minh hơn cho các hệ thống thông tin di động thế hệ mới. Phần tiếp sau sẽ trình bày tổng quan về các loại an ten thông minh đang được nghiên cứu phát triển hiện nay. An ten thông minh An ten thông minh là một hệ thống gồm một ma trận các an ten phối hợp với nhau bằng công nghệ số nhằm tối ưu hoá việc phát và thu tín hiệu. Các an ten này có khả năng tự động điều chỉnh hướng đặc tuyến phủ sóng của mình sao cho phù hợp nhất với môi trường tín hiệu. An ten thông minh không những làm tăng chất lượng tín hiệu mà còn làm tăng dung lượng hệ thống thông qua việc tăng khả năng tái sử dụng kênh tần số. Một số đặc điểm và lợi ích nổi bật của an ten thông minh được liệt kê trong bảng 1 sau đây. Bảng 1. Đặc điểm và lợi ích của an ten thông minh Đặc điểm Lợi ích Độ tăng ích cao - Tín hiệu vào từ nhiều an ten được phối hợp để nâng cao độ tăng ích từ đó tối ưu hoá công suất phát yêu cầu đối với một vùng phủ sóng nhất định. Mở rộng được vùng phủ sóng - Việc tập trung năng lượng truyền sóng vào trong cell cho phép mở rộng vùng phủ sóng của trạm gốc. Mặt khác tăng ích trạm gốc lớn cho phép giảm công suất phát yêu cầu của MS, từ đó tăng thời gian sử dụng của pin và cho phép giảm nhỏ kích thước cũng như trọng lượng mobile. Chống xuyên lẫn - Tỷ số tín hiệu/xuyên nhiễu (C/I) được nâng cao nhờ giảm được số nguồn nhiễu tác động lên beam định hướng. Tăng dung lượng - Việc tăng tỷ số C/I cho phép giảm nhỏ khoảng cách tái sử dụng, từ đó tăng thêm dung lượng của hệ thống. Sự phân tập không gian - Các tín hiệu từ ma trận an ten được phối hợp nhằm giảm thiểu hiệu ứng fading và các ảnh hưởng khác của hiệu ứng đa đường. Nâng cao khả năng chống hiệu ứng đa đường - Có thể giảm được tác động của việc trễ trong kênh, cho phép nâng cao tốc độ (bit rate) mà không cần dùng đến bộ cân bằng. Tối ưu hoá công suất phát -Kết hợp tín hiệu vào của nhiều an ten nhằm tối ưu hoá độ tăng ích đường xuống. Giảm chi phí hệ thống - Giảm chi phí cho các bộ khuyếch đại, giảm mức tiêu thụ điện năng và nâng cao độ tin cậy của hệ thống. Thích ứng với hầu hết các chuẩn thông tin vô tuyến Có thể áp dụng cho hầu hết các hệ thống thông tin di động sử dụng các chuẩn truy nhập FDMA, TDMA CDMA hay các chuẩn song công FDD, TDD. Có tính trong suốt đối với mạng lưới - Không bị giới hạn bởi một phương thức điều chế hay giao thức vô tuyến cụ thể nào. Cho phép tạo ra các sản phẩm và dịch vụ chất lượng cao và đưa lại cho các nhà cung cấp dịch vụ một khả năng cạnh tranh mạnh. Có nhiều loại an ten thông minh đã và đang được nghiên cứu phát triển, tuy nhiên bài báo này chỉ đề cập đến hai loại an ten thông minh chính, đó là Hệ thống an ten chuyển beam, gọi tắt là An ten chuyển beam và Hệ thống an ten ma trận thích nghi, gọi tắt là An ten thích nghi. An ten chuyển búp (beam) bao gồm một số các beam cố định được định dạng để tăng độ nhạy ở một hướng xác định. Hệ thống này đo cường độ tín hiệu để chọn một beam thích hợp nhất tại thời điểm nhận tín hiệu để phục vụ và nó sẽ chuyển từ beam này sang beam khác khi máy mobile di chuyển vị trí trong setor. Thay vì định dạng các búp sóng bằng cách thay đổi cấu trúc vật lý các chấn tử như kiểu an ten định hướng, an ten chuyển beam kết hợp đầu ra của nhiều an ten một cách đặc biệt nhằm đạt được sự sector hoá chùm beam một cách tinh vi và linh hoạt hơn nhiều (Hình 6). Hình 6. Đặc tuyến phủ sóng của anten chuyển beam An ten thích nghi là loại an ten thông minh nhất cho đến nay. Bằng cách sử dụng nhiều thuật toán xử lý tín hiệu mới, nó có khả năng vượt trội hơn hẳn trong việc định vị, theo dõi và xử lý các loại tín hiệu nhằm giảm thiểu độ xuyên lẫn cũng như tăng tối đa cường độ tín hiệu cần nhận (Hình 7). Mặc dù cả an ten chuyển beam và an ten thích nghi đều cố gắng tăng độ tăng ích, tuy nhiên chỉ có an ten thích nghi là có thể cho một độ tăng ích tối ưu cùng với việc định vị, theo dõi và giảm thiểu xuyên lẫn. Hình 7. Đặc tuyến phủ sóng của anten thích nghi Yếu tố chính làm cho các hệ thống an ten thông minh trở thành hiện thực chính là nhờ công nghệ kỹ thuật số. Chúng ta đều biết so với tín hiệu tương tự thì tín hiệu số được truyền từ đầu phát đến đầu thu với một độ chính xác cực kỳ cao và độ suy giảm rất nhỏ. Tín hiệu âm thanh dạng tương tự đã được các an ten thông minh thu lại, điều chế chuyển sang dạng tín hiệu số để truyền đi và điều chế lại thành dạng tương tự ở đầu nhận. Trong hệ thống an ten thích nghi khả năng này còn được hỗ trợ thêm bởi các kỹ thuật xử lý tinh xảo nhằm điều khiển sự phối hợp các an ten một cách rất tinh vi phù hợp với điều kiện hoạt động. Điều này làm cho an ten thích nghi hoạt động hiệu quả hơn hẳn các loại an ten thông minh khác. Cấu trúc các hệ thống an ten thông minh Nguyên lý làm việc của các an ten thông minh là tự động điều chỉnh nhằm hướng beam cực đại về phía người dùng mong muốn đồng thời cố gắng loại bỏ các xuyên lẫn và nhiễu từ bên ngoài búp sóng chính. ở đường lên cả an ten chuyển beam và an ten thích nghi đều đo đạc cường độ các tín hiệu nhận được từ ma trận an ten và thực hiện các điều chỉnh phức tạp về biên độ cũng như pha các tín hiệu. Điều này cho phép chúng thay đổi đặc tuyến làm việc để tối ưu hoá tín hiệu nhận được. Sự khác nhau cơ bản của an ten chuyển beam và an ten thích nghi thể hiện ở việc truyền tín hiệu ở đường xuống. An ten chuyển beam dựa vào cường độ tín hiệu để lựa chọn beam thích hợp nhằm cải thiện liên lạc với người dùng cuối, ngược lại, An ten thích nghi cố gắng tìm hiểu sâu hơn môi trường cao tần (RF) và thực hiện việc điều chỉnh liên tục đặc tuyến phát xạ của an ten để truyền tín hiệu một cách hiệu quả hơn. Sau đây chúng ta sẽ tìm hiểu kỹ hơn về từng loại an ten thông minh này. An ten chuyển beam(Switched-beam) Về mặt đặc tuyến bức xạ An ten chuyển beam chính là sự mở rộng của phương pháp sector hoá nhằm chia nhỏ các ô. An ten chuyển beam chia các macrosector thành các microsector nhằm cải thiện phạm vi phủ sóng và dung lượng. Mỗi microsector chứa một beam cố định với độ nhạy được tập trung tối đa tại vùng trung tâm của beam và tối thiểu ở các vùng khác. Tuỳ theo số beam trong an ten mà độ rộng mỗi beam có thể là 300, 200 hoặc thậm chí nhỏ hơn. Thiết kế này đòi hỏi các chấn tử phải có độ tăng ích cao và chùm beam hẹp. Tại mỗi thời điểm làm việc, An ten chuyển beam chọn trong số các beam cố định một beam có cường độ tín hiệu lớn nhất cho người dùng mong muốn. Việc lựa chọn này được điều khiển bởi các tín hiệu cao tần (RF) hoặc bởi các thiết bị phần cứng và phần mềm xử lý số. Khi một người dùng đi vào một macrosector, An ten chuyển beam sẽ chọn microsector có tín hiệu lớn nhất để phục vụ người dùng đó. Trong suốt cuộc gọi hệ thống sẽ kiểm tra cường độ tín hiệu và thực hiện việc chuyển sang beam khác khi cần thiết. An ten thích nghi (Adaptive) Nếu An ten chuyển beam dựa vào cường độ tín hiệu tại mỗi thời điểm để chọn một beam thích hợp thì An ten thích nghi lại dùng các dữ liệu môi trường vô tuyến (RF) để tối ưu hoá kết nối với người dùng. Đặc tuyến phát xạ của An ten thích nghi được điều chỉnh liên tục theo sự thay đổi của môi trường vô tuyến nhằm đảm bảo cho hoạt động của hệ thống là tối ưu. An ten thích nghi sử dụng kỹ thuật xử lý số để phân biệt tín hiệu mong muốn, tín hiệu do hiệu ứng đa đường và nguồn xuyên nhiễu, đồng thời tính toán xác định hướng xuất phát của các thành phần này. Nó liên tục điều chỉnh đặc tuyến làm việc dựa vào sự thay đổi vị trí cũng như cường độ của cả tín hiệu lẫn xuyên nhiễu. Sự thay đổi liên tục như thế đảm bảo búp sóng lúc nào cũng hướng về phía tốt nhất, điều này làm cho An ten thích nghi vượt trội hơn hẳn An ten chuyển beam về mặt chất lượng hoạt động (sự thay đổi beam trong An ten chuyển beam là không liên tục). Hình 8 miêu tả một ví dụ so sánh dạng búp sóng mà An ten chuyển beam và An ten thích nghi có thể chọn trong cùng một điều kiện giống nhau. Hình 8. So sánh dạng búp sóng mà anten chuyển beam (trái) và anten thích nghi (phải) có thể chọn trong điều kiện tín hiệu người dùng và xuyên nhiễu giống hệt nhau Hình 9. Đặc tuyến phủ sóng của các loại anten trong các môi trường khác nhau Hình 9 trình bày về mối liên hệ giữa vùng phủ sóng của An ten định hướng truyền thống, An ten chuyển beam và An ten thích nghi. Cả hai loại an ten thông minh đều cho độ tăng ích cao hơn nhiều so với an ten định hướng. Tuy nhiên trong môi trường có sự xuyên lẫn cao (môi trường có mật độ người dùng lớn và có sự tái sử dụng tần số cao) thì An ten thích nghi vượt trội hơn hẳn hai loại kia về độ tăng ích và vùng phủ sóng. So sánh An ten chuyển beam và An ten thích nghi Sự tích hợp - An ten chuyển beam được thiết kế và sử dụng rộng rãi trong thông tin di động tổ ong như là một thiết bị công nghệ thông minh được thêm vào để cải thiện khả năng hoạt động của hệ thống. Trong khi đó An ten thích nghi dù có nhiều ưu điểm vượt trội hơn hẳn An ten chuyển beam nhưng đòi hỏi phải được triển khai như là một hệ thống tích hợp mới hoàn toàn. Vùng phủ sóng - Tùy theo môi trường vô tuyến và các phần cứng/phần mềm sử dụng mà công nghệ chuyển beam có thể tăng phạm vi hoạt động của trạm gốc lên từ 20 đến 200% so với công nghệ sector hoá thông thường. Việc tăng vùng phủ sóng cũng có nghĩa là giảm chi phí cho nhà cung cấp dịch vụ và do đó giảm giá dịch vụ cho khách hàng. Ngoài ra công nghệ chuyển beam cũng cho phép cải thiện dung lượng của hệ thống nhờ việc nó không gửi tín hiệu đi tất cả các hướng. An ten thích nghi có thể phủ sóng một vùng rộng hơn và nâng cao dung lượng hơn nhiều so với An ten chuyển beam, tuy nhiên nó đòi hỏi công nghệ rất phức tạp và do vậy chi phí đầu tư cao hơn nhiều. Ngăn chặn xuyên lẫn - An ten chuyển beam có thể ngăn chặn các xuyên nhiễu của các tín hiệu xuất phát từ các hướng ngoài chùm beam hoạt động. Tuy nhiên do đặc tuyến beam là cố định nên chùm beam không thể tập trung chính xác đến hướng xuất phát của tín hiệu, điều này làm cho tỷ số C/I thấp hơn so với An ten thích nghi. An ten chuyển beam cũng thường chỉ được dùng để nhận tín hiệu (hướng lên) do nó không thể xác định chính xác vị trí của máy mobile, vì nếu dùng để truyền tín hiệu (hướng xuống) thì nó có thể làm đứt liên lạc nếu chọn nhầm beam. Ngoài ra, cũng do đặc điểm các beam là cố định mà độ nhạy của An ten chuyển beam có thể bị thay đổi khi MS thay đổi vị trí. An ten chuyển beam sẽ làm việc tốt nhất trong môi trường có độ xuyên nhiễu thấp, nhưng trong trường hợp mà nguồn xuyên nhiễu lại nằm ở trung tâm của chùm beam được chọn trong khi tín hiệu mong muốn lại nằm phía rìa của beam thì chất lượng tín hiệu sẽ rất xấu. So với An ten chuyển beam thì An ten thích nghi nhờ sự điều chỉnh liên tục chùm beam nên cho phép loại bỏ xuyên nhiễu và cung cấp chất lượng tín hiệu tốt hơn nhiều. Hình 10. Mô hình xử lý không gian đầy đủ cho phép 2 người dùng đồng thời cùng một kênh truyền thuộc cùng một cell Đa truy nhập phân chia theo không gian (SDMA) - Một trong những ứng dụng phức tạp nhất của an ten thông minh là SDMA, đây là phương thức sử dụng kỹ thuật xử lý tinh xảo để định vị và theo dõi mobile, điều chỉnh chùm bức xạ truyền tín hiệu về phía người dùng mong muốn và tránh xa nguồn xuyên nhiễu. Công nghệ này đưa lại các ưu điểm vượt trội về khả năng loại bỏ xuyên nhiễu và tăng khả năng tái sử dụng tần số. Về bản chất công nghệ này cho phép điều chỉnh ưu tiên việc cung cấp các tần số cho những nơi có mật độ người dùng cao nhất. Nó liên tục tạo ra các sector khác nhau một cách rất linh động cho mỗi người dùng và phân bổ các kênh tần cho mỗi sector theo yêu cầu tại thời điểm đó. Điều này cho phép nâng cao khả năng tái sử dụng kênh tần số, thậm chí có thể tái sử dung kênh tần trong cùng một cell (Hình 10). Việc xử lý không gian đòi hỏi phải tích hợp việc đo đạc và phân tích môi trường vô tuyến ở mức độ cao, do vậy An ten thích nghi thích hợp hơn An ten chuyển beam nhiều trong việc thực hiện công việc này. Kết luận Công nghệ an ten thông minh có thể cải thiện một cách đáng kể về hoạt động cũng như tính kinh tế của các hệ thống thông tin di động ở những nơi có mật độ người sử dụng cao. Nó cho phép các nhà cung cấp dịch vụ khả năng nâng cao chất lượng tín hiệu, dung lượng mạng cũng như vùng phủ sóng. Tuỳ theo hoàn cảnh cụ thể mà các nhà cung cấp dịch vụ thường có các yêu cầu khác nhau trong việc phối hợp các lợi điểm này tại các thời điểm khác nhau. Do đó an ten thông minh chính là giải pháp kinh tế và linh hoạt nhất cho phép họ định cấu hình cũng như nâng cấp cho hệ thống khi cần. Nhu cầu tăng dung lượng và cải thiện chất lượng dịch vụ hệ thống là một vấn đề cấp thiết cho hầu hết các nhà cung cấp dịch vụ thông tin di động toàn cầu. An ten thông minh là một trong những giải pháp khả thi nhất cho vấn đề này. Hiện tại an ten thông minh đã và đang được nghiên cứu triển khai trên hầu khắp thế giới. Hầu hết các nhà cung cấp dịch vụ di động lớn trên thế giới đều đã triển khai áp dụng các phiên bản khác nhau của an ten thông minh cho các hệ thống của mình. An ten thông minh cũng đang được nghiên cứu áp dụng vào các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3. ích lợi của an ten thông minh là điều không ai có thể nghi ngờ, tuy nhiên việc nghiên cứu để chế tạo các an ten thông minh tinh xảo với giá thành hợp lý là vấn đề mà các nhà nghiên cứu sản xuất cũng như các nhà quản lý hệ thống trên thế giới đang đặc biệt quan tâm./.