Tổng quan về phương pháp mô hình mô hình ăng-ten và kênh truyền dẫn và các trường hợp mô phỏng hệ thống

　　Đối với hệ thống thông tin liên lạc hoặc radar, ăng-ten đóng vai trò truyền và nhận sóng điện từ. Chất lượng của ăng-ten ảnh hưởng rất nhiều đến hiệu suất của hệ thống. Lý thuyết truyền thống và kỹ thuật mô phỏng hiếm khi bao gồm ăng-ten trong hệ thống thông tin liên lạc / radar để xem xét tổng thể. Các nhà thiết kế ăng-ten tập trung vào các chỉ số như hướng, hiệu quả và âm lượng của ăng-ten, hiếm khi xem xét sự phối hợp giữa ăng-ten và kênh truyền, và thậm chí ít hơn về cách các đặc tính của ăng-ten có thể ảnh hưởng đến hệ thống.

　　Bài báo này tóm tắt sự khác biệt giữa các mô hình ăng-ten trong hai hệ thống khác nhau và trọng tâm của mô phỏng bằng cách nghiên cứu các phương pháp công nghiệp để mô hình hóa ăng-ten và mô hình kênh truyền dẫn trong các thiết bị đầu cuối truyền thông và hệ thống radar, cũng như các trường hợp mô phỏng hệ thống.

　　1. Mô hình ăng-ten trong thiết bị đầu cuối giao tiếp

　　Các kênh thông tin di động chủ yếu có các đặc điểm sau: mở các kênh tham số biến đổi, khiến chúng dễ bị ảnh hưởng bởi các nhiễu khác nhau; Môi trường địa lý của các điểm tiếp nhận rất phức tạp và đa dạng, được chia thành ba loại: thành thị, ngoại ô và nông thôn; Người dùng có tính di động ngẫu nhiên.

　　Do đặc điểm trên của các kênh thông tin di động, so với không gian trống, sự lan truyền sóng điện từ liên quan đến nhiều sóng nhiễu xạ và tán xạ hơn ngoài sóng trực tiếp, cùng với các loại tổn thất khác nhau: tổn thất lan truyền đường dẫn, tổn thất mờ dần chậm và tổn thất mờ dần nhanh [1]. Để đạt được khả năng thu sóng tối ưu trong các môi trường khác nhau, ăng-ten đầu cuối giao tiếp được thiết kế đa hướng nhất có thể.

　　1.1 Mô hình ăng-ten đầu cuối ăng-ten đơn

　　Đối với các thiết bị đầu cuối của hệ thống thông tin liên lạc, mô hình ăng-ten thường được xác định bởi tọa độ và độ lợi của nó; Mô hình kênh được xác định bởi các thông số như nhiễu, mờ dần và đa đường. Đối với các loại hệ thống thông tin liên lạc khác nhau, các mô hình ăng-ten và kênh thường được kết hợp để xem xét toàn diện.

　　Sơ đồ dưới đây tham khảo các kiểu sử dụng ăng-ten và kênh phổ biến nhất được mô tả trong phần mềm ADS. Kênh (PropGSM) nằm giữa trạm gốc (AntBase) và ăng-ten di động (AntMobile). Các chỉ báo ăng-ten di động chỉ bao gồm độ lợi, vị trí và chiều cao, tốc độ, v.v. Loại ăng-ten mặc định là đa hướng và các yếu tố đóng góp chính vào hiệu suất hệ thống là độ lợi, hiệu ứng đa đường và dịch chuyển Doppler.

　　Hình 1: Mô hình kênh và ăng-ten hệ thống GSM

　　1.2 Các mô hình ăng-ten trong hệ thống MIMO

　　Trong truyền thông di động, các yếu tố như mờ đa đường và dịch chuyển tần số Doppler dẫn đến giảm chất lượng tín hiệu nhận được. Để cải thiện chất lượng tín hiệu di động, công nghệ thu đa dạng ăng-ten kép nâng cao đáng kể chất lượng tín hiệu với chi phí thấp và độ khó triển khai thấp. Sử dụng ăng-ten đa dạng là nhận hai hoặc nhiều tín hiệu không tương quan, để có thể tìm thấy tín hiệu có cường độ cao nhất trong quá trình xử lý tiếp theo hoặc tổng hợp tín hiệu vectơ. Do đó, mối tương quan giữa các ăng-ten càng thấp càng tốt. Vì môi trường điện từ mà ăng-ten hoạt động khác nhau, nên môi trường không dây phải được xem xét khi đánh giá mối tương quan của ăng-ten. Tổng hiệu ứng của máy phát và chướng ngại vật có thể được mô tả bằng cách sử dụng hàm mật độ xác suất PDF (PDF), đặc trưng cho các đặc tính phân bố xác suất của ăng-ten nhận tín hiệu mạnh nhất từ các hướng khác nhau.

　　Ngoài sự đa dạng về không gian, sự đa dạng phân cực cũng tồn tại. Sử dụng Phân biệt phân cực chéo (XPD) để mô tả sự phân cực của sóng vô tuyến không gian. XPD càng lớn, thành phần phân cực theo hướng phi càng lớn; ngược lại, XPD càng nhỏ, thành phần phân cực theo hướng theta càng nhỏ.

　　Complex CorrelaTIon được sử dụng để mô tả mức trung bình tương tự nhận được bởi hai ăng-ten trong các điều kiện điện từ và phân cực nhất định.

　　Sử dụng một số phần mềm thương mại, chẳng hạn như EMPro, có thể đặt PDF và XPD cho các mẫu ăng-ten đa dạng cụ thể, xem xét hiệu ứng thu đa dạng ăng-ten kép [2].

　　Trong phần mềm mô phỏng hệ thống truyền thông không dây, có thể mô hình hóa ăng-ten và kênh của hệ thống thông tin liên lạc bằng cách nhập bản đồ mẫu 3D của ăng-ten phát và nhận và vị trí tương đối của chúng, kết hợp với các mô hình kênh điển hình (chẳng hạn như WINNER), từ đó mô phỏng thông số kỹ thuật của hệ thống. Hình dưới đây cho thấy mô hình kênh WINNER II trong phần mềm mô phỏng hệ thống SystemVue, hỗ trợ nhập nhiều mẫu bức xạ ăng-ten để mô phỏng hoặc thử nghiệm và có thể đặt vị trí tương đối hai chiều của mảng ăng-ten phát và nhận.

　　Hình 2. Thiết lập mô hình ăng-ten MIMO kênh WINNER

　　Bằng cách nhập các mẫu bức xạ điện thoại trường xa thuần túy và bản đồ điều hướng điện thoại xem xét các mô hình đầu người SAM, hai mô hình kênh được tạo ra, cho phép so sánh dung lượng hệ thống giữa các kịch bản làm việc lý tưởng và thực tế [3]. Bằng cách này, mẫu ăng-ten thực và bố cục ăng-ten có thể được tích hợp vào mô hình kênh, cho phép hiệu suất của ăng-ten ảnh hưởng đến các chỉ số hệ thống.

　　Các mô hình ăng-ten và kênh không chỉ có thể được áp dụng trong phần mềm mô phỏng mà còn đóng vai trò là điều kiện thử nghiệm cần thiết để tham gia thử nghiệm tiêu chuẩn. Một trường hợp điển hình là Phương pháp bức xạ hai bước (RTS) của Keysight.

　　Phương pháp bức xạ hai bước chia thử nghiệm MIMO OTA thành hai bước: giai đoạn đầu tiên liên quan đến việc đo mẫu bức xạ đầu cuối trong buồng tối và sử dụng chức năng báo cáo của thiết bị đầu cuối để thu được mẫu bức xạ của DUT; Trong giai đoạn thứ hai, thông tin mẫu bức xạ đo được trong giai đoạn đầu tiên được tải vào bộ mô phỏng kênh, mô phỏng một kênh không dây bao gồm các đặc tính ăng-ten của đối tượng được thử nghiệm. Đầu ra tín hiệu đường xuống từ trình mô phỏng trạm gốc trước tiên tải thông tin bản đồ hướng của DUT

　　Hình 3: Sơ đồ phương pháp thử bức xạ hai bước

　　Kênh không dây được phức tạp và truyền bởi ăng-ten đo để tiến hành kiểm tra hiệu suất của máy thu.

　　Tính nhất quán giữa phương pháp bức xạ hai bước và các phép đo phương pháp đa đầu dò (MPAC), đã trở thành tiêu chuẩn đo lường CTIA MIMO OTA, đã được 3GPP công nhận. Một kết luận chính thức đã được thông qua tại cuộc họp 3GPP RAN4 kết thúc vào tháng 5 năm 2017 [4].

　　2, mô hình ăng-ten trong hệ thống radar

　　Không giống như ăng-ten đa hướng trên các thiết bị đầu cuối di động, hệ thống radar thường có độ rộng chùm tia antenna từ vài đến hơn mười độ. Hệ thống radar hoạt động ở cả chế độ tìm kiếm và theo dõi, yêu cầu mô hình hóa chính xác hướng chùm tia [5].

　　Các hệ thống mô phỏng truyền thống chủ yếu tập trung vào việc mô phỏng mức luồng tín hiệu của hệ thống radar, xem xét đường truyền tín hiệu và kết quả xử lý tín hiệu, mà không xem xét ảnh hưởng của các mẫu mẫu ăng-ten và định hướng đối với hệ thống radar. Ví dụ, trong VSS, xem xét khoảng cách và tốc độ của mục tiêu, ăng-ten thu phát được đơn giản hóa thành mô hình khuếch đại, chỉ ảnh hưởng đến mức tín hiệu mà máy thu nhận được. Theo kiến trúc mô phỏng hệ thống này, chỉ một số thông số của ăng-ten (chẳng hạn như hệ số phản xạ, trở kháng, v.v.) có thể được liên kết với hệ thống RF xếp tầng.

　　Đối với các tình huống ứng dụng phức tạp, cần phải xem xét thông tin vị trí của nền tảng động (chẳng hạn như tàu, máy bay hoặc phương tiện chiến đấu) và ăng-ten. Phần mềm mô phỏng hệ thống SystemVue cung cấp giải pháp thiết kế phân cấp, ngoài phân tích tín hiệu, còn có thể kết hợp vị trí của nền tảng chuyển động (chẳng hạn như hệ tọa độ quán tính địa tâm), thông tin vận tốc và thông tin vị trí ăng-ten của hệ thống radar mảng pha để phân tích. Nền tảng này có thể cấu hình radar đa mục tiêu và đa trạm, cũng như cấu hình đa ăng-ten.

　　Hình 4. Sơ đồ thiết lập mô phỏng ba lớp cho hệ thống radar

　　Trong lớp tín hiệu, đặt chế độ hoạt động của ăng-ten (tìm kiếm hoặc theo dõi), kiểu bức xạ ăng-ten và các chỉ số cơ bản khác; Trong lớp ăng-ten, vị trí mục tiêu radar được đặt, cũng như góc nghiêng, góc cao độ và góc ngáp của bệ radar. Góc nghiêng, cao độ và góc ngáp của ăng-ten trong bệ radar được thiết lập; Trong lớp quỹ đạo, các thông tin như vị trí (kinh độ, kích thước, độ cao), hướng, tốc độ, gia tốc và quỹ đạo chuyển động của nền tảng thu phát radar và mục tiêu được đặt riêng biệt. Bằng cách chuyển đổi theo các hệ tọa độ khác nhau, mẫu bức xạ của ăng-ten, nền tảng radar và thông tin quỹ đạo chuyển động của mục tiêu được xem xét toàn diện.

　　Ví dụ về thử nghiệm máy thu EW có thể được sử dụng để minh họa các kịch bản ứng dụng phức tạp của radar. Trong cảnh này, máy thu EW (EW Rx) được sử dụng để giám sát bốn trạm radar trong không gian. Nhiệm vụ của máy thu EW là phát hiện tất cả các tín hiệu này, xác định từng tín hiệu và tổ chức vị trí, vận tốc, dạng sóng thời gian và nội dung tần số của từng trạm radar.

　　Hình 5: Kịch bản thử nghiệm máy thu EW

　　Để kiểm tra máy thu EW, tín hiệu thử nghiệm phải được tạo ra, điều này không chỉ đơn giản có nghĩa là phủ nhiều dạng sóng thời gian. Vì máy thu EW có thể được lắp đặt trên máy bay, ô tô hoặc tàu chiến, các công cụ được sử dụng để tạo ra các tín hiệu thử nghiệm này phải cho phép người dùng chỉ định vị trí, tốc độ, quỹ đạo di chuyển và các chi tiết khác của trạm EW Rx. Ngoài ra, đối với mỗi trạm radar, công cụ phải cho phép người dùng chỉ định vị trí, tốc độ, dạng sóng thời gian, tần số, chế độ hoạt động của ăng-ten, v.v. [6].

　　Nếu yêu cầu mô hình môi trường chính xác, phần mềm mô phỏng lớp tín hiệu như Simulink và SystemVue không thể xử lý điều này. Sử dụng phần mềm mô phỏng kịch bản chuyên nghiệp như STK để mô hình hóa các tư thế và môi trường mục tiêu có thể đạt được các đặc điểm mục tiêu thực tế hơn.

　　Như trong Hình 6, SystemVue được sử dụng để tạo nguồn tín hiệu xung FM tuyến tính và các yếu tố như tính phi tuyến tính và nhiễu từ các thiết bị RF được thêm vào thông qua đường truyền RF. Tín hiệu miền thời gian đi vào phần mềm STK thông qua giao diện. STK xác định trước địa hình và địa hình ngoài trời, cũng như các chỉ số như quỹ đạo chuyển động của máy bay và thái độ bay. Radar đang ở chế độ theo dõi, nhằm mục đích chiếu sáng máy bay bằng chùm tia càng nhiều càng tốt, trong khi máy bay thực hiện nhiều thao tác khác nhau để tránh sự phát hiện của radar. Các tín hiệu miền thời gian cho toàn bộ cảnh được trả về phần mềm SystemVue, nơi xác suất phát hiện radar thu được thông qua các chương trình xử lý hậu kỳ.

　　Hình 6: Sơ đồ mô phỏng khớp STK

　　3, Kết luận

　　Rõ ràng là trong các hệ thống thông tin liên lạc hoặc radar, ăng-ten không còn xuất hiện riêng lẻ mà được tích hợp chặt chẽ với các kênh liên lạc và kịch bản sử dụng radar, hoạt động cùng nhau. Nếu các nhà thiết kế ăng-ten và nhà thiết kế hệ thống truyền thông/radar có thể tận dụng phần mềm thương mại hiện có và các lý thuyết hoàn thiện để tích hợp các đặc tính của ăng-ten vào thiết kế hệ thống, họ có thể giảm đáng kể nguy cơ gỡ lỗi chung và tăng tốc độ thiết kế sản phẩm.