Tìm hiểu và mô phỏng các dạng nhiễu và fading trong wimax

c=fc.λ nên λ=c/fc , công suất nhận được sẽ giảm bình phương lần theo tần sóng mang. Hay nói một cách khác, với công suất phát đã cho, thì sẽ có khoảng suy giảm khi tần số tăng lên. Điều này có ảnh hưởng quan trọng đến các hệ thống có tốc độ dữ liệu cao. Để tính toán chính xác, người ta thường dùng công thức kinh nghiệm sau đây để tính toán cho suy hao của kênh kinh nghiệm (2.2) Hình 2.2 - Mô hình truyền sóng trong không gian tự do Trong công thức (2.2) có thêm ba thành phần là P0 , d0 và α. P0 là công suất suy hao đo được trên khoảng cách tham chiếu là d0 và thường được chọn là 1m. Trên thực tế, P0 thường được lấy xấp sỉ là một vài dB. α là số mũ suy hao và đại lượng này được cho trong bảng. Để khắc phục được nhiễu do sự suy hao đường truyền này thì cần chú ý những điều sau: Chiều cao của ăng-ten phải được tính đến là có chiều cao phù hợp. Tần số sóng mang sử dụng. Khoảng cách giữa hai ăng-ten phát và thu. 2.3.2. Che chắn(shadowing) Như ta đã biết, sự suy hao ảnh hưởng đến công suất tại máy thu có liên quan đến khoảng cách giữa máy phát và máy thu. Tuy nhiên, còn nhiều nhân tố khác có thể có ảnh hưởng lớn đến tổng công suất thu được. Ví dụ, cây cối và nhà cửa có thể được đặt tại vị trí ở giữa máy phát và máy thu, những vật cản này sinh ra đường truyền tạm thời và gây ra sự suy giảm tạm thời cường độ tín hiệu thu. Hay nói một cách khác, đường truyền thẳng tạm thời này sẽ làm cho công suất thu bất thường, và được gọi là hiện tượng che chắn(shadowing), như được trình bày ở hình 2.3 sau đây: Hình 2.3- Hiện tượng che chắn trên đường truyền tín hiệu Xét trong vùng có phạm vi nhỏ thì hiện tượng suy hao đường truyền và che chắn là không đáng kể và có giá trị cho phép mà không làm ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu thu tại máy thu. 2.3.3. Nhiễu đồng kênh CCI: Nhiễu đồng kênh xảy ra khi cả hai máy phát trên cùng một tần số hoặc trên cùng một kênh. Máy thu điều chỉnh ở kênh này sẽ thu được cả hai tín hiệu với cường độ phụ thuộc vào vị trí của máy thu so với hai máy phát. Nhiễu đồng kênh thường gặp trong hệ thống thông tin số cellular, trong đó để tăng hiệu suất sử dụng phổ bằng cách sử dụng lại tần số. Như vậy có thể coi nhiễu đồng kênh trong hệ thống cellular là nhiễu gây nên do các cell sử dụng cùng 1 kênh tần số. (hình 2.4) Nhiễu đồng kênh liên quan tới việc sử dụng tần số. Có thể ví dụ trong mạng GSM: Trong mạng GSM, mỗi trạm BTS được cấp phát một nhóm tần số vô tuyến. Các trạm thu phát gốc BTS lân cận được cấp phát các nhóm kênh vô tuyến không trùng với các kênh của BTS liền kề. Hình 2.4- Giao thoa xuyên kênh Đặc trưng cho loại nhiễu này là tỉ số sóng mang trên nhiễu (C/I). Tỉ số này được định nghĩa là cường độ tín hiệu mong muốn trên cường độ tín hiệu nhiễu sau lọc cao tần và nó thể hiện mối quan hệ giữa cường độ tín hiệu mong muốn so với nhiễu đồng kênh từ các BTS khác. C/I = 10log (Pc/Pi) Yêu cầu là C/I <=12dB. Trong đó : − Pc là công suất tín hiệu thu mong muốn. − Pi là công suất nhiễu thu được. Một số giải pháp để hạn chế loại nhiễu đồng kênh trong các hệ thống cellular như sau: − Không thể dùng bộ lọc để loại bỏ giao thoa này do các máy phát sử dụng cùng một tần số. − Chỉ có thể tối thiểu hóa nhiễu đồng kênh bằng cách thiết kế mạng cellular phù hợp. − Tức là thiết kế sao cho các cell trong mạng có sử dụng cùng nhóm tần số không ảnh hưởng tới nhau =>khoảng cách các cell cùng tần số phải đủ lớn. Để hình dung, chúng ta lấy ví dụ ném hòn đá xuống nước. Việc ta ném nhiều hòn đá xuống nước tương đương như nhiều cuộc gọi khác nhau cùng bắt đầu. Vậy trạm gốc ở vị trí nào đó trong hồ làm sao phân biệt được tín hiệu của nguồn nào và từ hướng nào đến. Đây chính là vấn đề của giao thoa xuyên kênh hay còn gọi là nhiễu đồng kênh. Như chúng ta đã biết, các hệ thống ăngten tập trung đều tín hiệu trong một vùng không gian rộng lớn. Các tín hiệu có thể không đến được với người sử dụng mà ta mong muốn, nhưng chúng có thể trở thành can nhiễu cho những người sử dụng khác có cùng một tần số trong cùng một tế bào hay những tế bào kế cận. Can nhiễu là nhân tố chính quyết định đến chất lượng của hệ thống không dây do đó việc điều khiển được can nhiễu sẽ giúp cải thiện đáng kể được đáng kể được dung lượng của hệ thống. 2.3.4. Hiện tượng đa đường(multipath) Multipath là hiện tượng khi mà tín hiệu được phát đi bị phản xạ trên các bề mặt vật thể tạo ra nhiều đường tín hiệu giữa trạm gốc và thiết bị đầu cuối sử dụng. Kết quả là tín hiệu đến các thiết bị đầu cuối sử dụng là tổng hợp của tín hiệu gốc và các tín hiệu phản xạ.(hình 2.5) Chúng ta trở lại ví dụ ném một hòn đá xuống hồ nước. Các vòng sóng phát đi từ điểm ném là những đường tròn đồng dạng chỉ khác nhau về biên độ sóng. Việc phát đơn hướng một tín hiệu cũng tương tự như vậy. Với một trạm gốc ở một cự ly nào đó từ sóng gốc. Nếu mẫu tín hiệu không bị nhiễu thì trạm gốc không khó khăn gì trong việc phân biệt các sóng. Nhưng khi các vòng sóng này chạm vào bờ thì nó bị phản xạ lại và giao thoa với sóng gốc ban đầu. Khi kết hợp với nhau chúng có thể yếu đi hay mạnh lên. Đây chính là vấn đề của nhiễu đa đường. Hình 2.5 - :Hiện tượng multipath Các vấn đề có liên quan đến nhiễu đa đường: Hình 2.6- Hai tín hiệu multipath Một trong những hệ quả của hiện tượng multipath mà chúng ta không mong muốn là các tín hiệu sóng tới từ những hướng khác nhau khi tới bộ thu sẽ có sự trễ pha và vì vậy khi bộ thu tổng hợp các sóng tới này sẽ không có sự phối hợp về pha (hình 2.6) Điều này sẽ ảnh hưởng đến biên độ tín hiệu, biên độ tín hiệu sẽ tăng khi các tín hiệu sóng tới cùng pha và sẽ giảm khi các tín hiệu này ngược pha. Trường hợp đặc biệt nếu hai tín hiệu ngược pha 1800 thì tín hiệu sẽ bị triệt tiêu (hình 2.7) Hình 2.7 - Hai tín hiệu multipath ngược pha nhau 1800 2.3.5. Nhiễu liên ký tự ISI ( Inter symbol Interference ) Hình 2.8 - Mô hình gây nhiễu Trong môi trường truyền dẫn đa đường, nhiễu liên ký tự (ISI) gây bởi tín hiệu phản xạ có thời gian trễ khác nhau từ các hướng khác nhau từ phát đến thu là điều không thể tránh khỏi. Ảnh hưởng này sẽ làm biến dạng hoàn toàn mẫu tín hiệu khiến bên thu không thể khôi phục lại được tín hiệu gốc ban đầu. Đặc điểm: Dải thông tuyệt đối của các xung nhiều mức đỉnh phẳng là vô hạn. Nếu các xung này được lọc không đúng khi chúng truyền qua một hệ thống thông tin thì chúng sẽ trải ra trên miền thời gian và xung cho mỗi kí hiệu sẽ chèn vào các khe thời gian bên cạnh gây ra nhiễu giữa các kí hiệu (ISI). ISI là hiện tượng nhiễu liên kí hiệu. ISI xảy ra do hiệu ứng đa đường, trong đó một tín hiệu tới sau sẽ gây ảnh hưởng lên tín hiệu trước đó. Chẳng hạn như ở hình 2.8 phía trên, ta thấy rõ tín hiệu phản xạ (reflection) đến máy thu theo đường truyền dài hơn so với các tín hiệu còn lại. 2.4. ẢNH HƯỞNG CỦA FADING TRONG HỆ THỐNG VÔ TUYẾN : Fading là sự thay đổi tín hiệu vô tuyến một cách bất thường tại điểm thu do sự tác động của môi trường truyền dẫn. Là sự biến đổi cường độ tín hiệu sóng mang vô tuyến siêu cao tần thu được do sự thay đổi khí quyển và các phản xạ của đất và nước trong đường truyền sóng. Có hai loại fading chính đó là fading phẳng, tác động chủ yếu đến dung lượng bé làm suy giảm đều tín hiệu sóng mang đi qua dải tần số, và fading lựa chọn tần số. Hai loại fading này có thể xuất hiện độc lập với nhau hoặc xuất hiện đồng thời. Các yếu tố gây ra hiện tượng fading bao gồm: Sự hấp thụ của các chất khí hơi nước, mưa…đây là những yếu tố chủ yếu đối với những tần số lớn hơn 10GHz. Fading do hiện tượng lan truyền đa đường. Sự phản xạ sóng từ bề mặt trái đất, đặc biệt là từ bề mặt nước và sự phản xạ từ những bất đồng trong khí quyển sự nhiễu xạ bởi những vật cản trên đường truyền cũng là những nguyên nhân gây ra hiện tượng lan truyền đa đường. Bên cạnh đó, vào những giờ giữa trưa khi đó không khí bị xáo trộn hoàn toàn do các dòng đối lưu và gió. Khi gần tối và đặc biệt trong những tháng mùa hè, lượng gió giảm, nhiệt độ và độ ẩm phân bố không đều thường xảy ra hiện tượng ống sóng làm tia sóng không đến được điểm thu nên cũng góp phần gây ra hiện tượng fading đa đường. Các kênh fading trong hệ thống vô tuyến : 2.4.1. Fading phẳng ( Flat Fading ): H(f) fc f f fc S(f) fc r(t) t 0 t 0 TS t 0 s(t) R(f) s(t) r(t) Hình 2.9 – Kênh fading phẳng Nếu kênh vô tuyến di động có độ lợi không đổi và đáp ứng pha tuyến tính qua một băng thông lớn hơn băng thông của tín hiệu phát, thì tín hiệu thu chịu ảnh hưởng của fading phẳng. Trong fading phẳng cấu trúc đa đường của kênh như là đặc tính phổ của bộ phát vẫn được khôi phục ở phía thu. Tuy nhiên độ lớn tín hiệu thu thay đổi theo thời gian do fading làm tăng giảm độ lợi trong kênh. Một tín hiệu bị fading phẳng nếu: vaø laø chu kyø symbol. Fading phẳng do truyền dẫn đa đường: Trong thông tin vô tuyến vấn đề truyền dẫn nhiều tia được đề cập nghiên cứu từ nhiều thế kỷ trước và những mô hình toán học về kênh nhiễu tia đã được đề xuất. Mô hình truyền dẫn nhiều tia với số lượng tia lớn thì áp dụng định lý giới hạn trung tâm để khảo sát, theo định lý này với số lượng tia đủ lớn thì cường độ trường thu có phân bố Gauss, biên độ trường thu sẽ có phân bố Rayleigh. Trong mô hình khảo sát nếu một tia lớn hơn các tia còn lại thì phân bố này chuyển về phân bố Rice hoặc Nakagami. Trong hệ thống wimax tần số làm việc cao, truyền sóng thẳng nên số kênh lượng tia trong kênh là không nhiều, do đó tính động của kênh thông tin nhỏ hơn so với các kênh ứng với phân bố Rayleigh, Rice và Nakagami. Có hai phương pháp xác định độ dự trữ fading: Phương pháp Majoli: Hệ số xuất hiện fading phẳng nhiều tia cho tháng xấu nhất P0 phụ thuộc vào các tham số của tuyến như tần số công tác, độ dài của chặng, khí hậu, độ gồ ghề của địa hình.Theo phương pháp này P0 được xác định theo công thức sau: P0 = C(f/4).d3.10-5 Trong đó: d là độ dài khoảng tuyến (km) f là tần số cao tần (GHz) c là hằng số địa hình. C=1;4; 0,25 tương ứng với điều kiện địa hình trung bình khí hậu ôn đới, khí hậu ẩm ướt hoặc mặt nước, khí hậu miền núi khô. Để thích nghi với sự gồ ghề của địa hình, Majoli đưa vào công thức một hệ số đặc trưng cho sự gồ ghề của địa hình P0 = 0,3.a.C.(f/4)(d/50)3 a là hệ số đặc trưng cho độ gồ ghề của địa hình có thể xác định như sau: a = (u/15)-1,3 Phương pháp CCIR: Theo báo cáo 338-5 của CCIR hệ số xuất hiện fading nhiều tia được xác định theo công thức sau: P0 = KQ.fBdC Các tham số KQ, B, C được xác định qua thống kê theo bảng giá trị thực nghiệm của CCIR 338-5. Fading phẳng do mưa: Suy hao do mưa: Các hạt mưa là nguyên nhân hấp thụ năng lượng sóng vô tuyến. Lượng mưa càng lớn thì sự hấp thụ này càng cao, tổn hao do mưa cũng là đại lượng thay đổi theo tần số. Tổn hao do mưa đặc biệt nguy hiểm với các sóng có tần số lớn 10GHz vì khi đó kích thước của hạt mưa có thể so sánh với bước sóng điện từ. Kích thước hạt mưa còn phụ thuộc vào cường độ mưa (thường đước tính theo đơn vị mm/h). Trong quá trình rơi xuống hạt mưa có dạng bẹt hơn do vậy tổn hao do mưa còn phụ thuộc cả vào phân cự sóng. Kích thước giọt mưa theo chiều dọc nhỏ hơn kích thước theo chiều ngang nên các sóng phân cực ngang bị tổn hao mạnh hơn. Đối với mưa không những làm suy hao mà còn làm xoay pha sóng điện từ và gây ra hiện tượng tán xạ, đây cũng là nguyên nhân làm giảm độ tin cậy của hệ thống. Thông thường tiêu hao do mưa ở tần số dưới 7GHz có thể bỏ qua ngay cả khi cự ly chặng tiếp phát lớn hơn 50 Km. Trên 15GHz khi có tiêu hao do mưa để đảm bảo chất lượng hệ thống cần giảm xuống dưới 20 Km và khi đó fading phẳng gây bởi fading nhiều tia giảm và không đóng vai trò quan trọng. Ở tần số 7 đến 15GHz cần xác định được đặc tính tiêu hao của cả fading do mưa và fading nhiều tia. Tóm lại với tần số thấp cự ly chặng lặp dài thì fading nhiều tia là chủ yếu và trong trường hợp ngược lại khi tần số cao, cự ly chặng lặp ngắn thì tiêu hao do mưa là ảnh hưởng chủ yếu. 2.4.2.Fading lựa chọn tần số: (Frequence Fading ) Nếu kênh có độ lợi không đổi và đáp ứng pha tuyến tính qua băng thông nhỏ hơn băng thông của tín hiệu phát thì các thành phần tần số khác nhau có các tính chất fading khác nhau gọi là fading lựa chọn tần số. Đáp ứng xung của kênh có delay spread lớn hơn băng thông nghịch đảo băng thông của dạng sóng bản tin phát. Khi đó tín hiệu thu được gồm nhiều dạng sóng khác nhau của tín hiệu phát bị suy hao và trễ theo thời gian,và vì vậy tín hiệu thu bị méo. Fading lựa chọn tần số là do phân tán thời gian của symbol phát trong kênh. Vì vậy kênh tạo ra giao thoa xuyên ký tự ISI. Đối với fading lựa chọn tần số, phổ S(f) của tín hiệu phát có băng thông lớn hơn băng thông tương quan của kênh. Xét trong miền tần số, kênh là lựa chọn tần số khi độ lợi có các thành phần tần số khác nhau là khác nhau. Fading này do độ trễ đa đường gây ra vượt quá chu kỳ symbol. Kênh fading lựa chọn tần số còn được biết như là kênh băng rộng vì băng thông của tín hiệu s(t) lớn hơn nhiều so với băng thông của đáp ứng xung. Khi thời giant hay đổi, độ lợi và pha của kênh thay đổi làm méo tín hiệu thu r(t). Vậy tín hiệu bị fading lựa chọn tần số khi: vaø . f f fc S(f) fc r(t) 0 0 t TS 0 s(t) s(t) r(t) H(f) t t t fc R(f) Hình 2.10 – kênh fading lựa chọn tần số 2.4.3. Fading diện hẹp và đa đường: (Small-Scale Fading and Multipath) Fading diện hẹp là sự biến biên độ của tín hiệu vô tuyến qua một khoảng cách ngắn hay một thời gian ngắn. fading gây ra bởi giao thoa giữa hai hay nhiều phiên bản của tín hiệu phát đến bộ thu tại các thời điểm khác nhau. Những sóng này gọi là sóng đa đường, kết hợp ở anten thu làm thay đổi biên độ và pha của tín hiệu tùy theo sự phân bố mật độ, thời gian truyền dẫn của các sóng và băng thông của tín hiệu phát. Truyền dấn đa đường diện hẹp Các ảnh hưởng của fading diện hẹp: - Làm méo biên độ - Làm méo tần số ( do dịch Doppler ) - Phân tán thời gian do độ trễ truyền dẫn Méo biên độ: Mô hình fading Rayleigh: Vì tín hiệu thu gồn nhiều phiên bản khác nhau của tín hiệu phát có pha là tổng vectơ của các pha, với pha của mỗi đường độc lập và phân bố ngẫu nhiên trong . Theo lý thuyết giới hạn trung tâm, dạng sóng thu có tính chất nhiễu Gauss dừng thông dải. Vì vậy hàm mật độ xác suất của thành phần đồng pha và vuông pha của tín hiệu có phân bố Gauss với trung bình bằng 0 và phương sai xác định. Hàm mật độ xác suất của đường bao của nó có phân bố Rayleigh: (2.3) 2.5 2 1.5 1 0.5 0.2 0.4 0.6 3 E[R] r/ô P(r) vôùi là phương sai của thành phần đồng pha và vuông pha Hình 2.11 – phân bố Rayleigh Mô hình fading Rician: Nếu trong các thành phần đa đường của tín hiệu thu có một đường trội ( ví dụ đường line-of-sight ), thành phần đồng pha và vuông pha vẫn có phương sai xác định, nhưng trung bình khác 0, hàm mật độ xác suất đường bao của tín hiệu thu có phân bố Rician: (2.4) A : Biên độ của tín hiệu đường trội . : Hàm Bessel hiệu chỉnh bậc 0 loại 1. Phân bố Rician được đặc trưng bởi số Rician K, và tỷ lệ giữa công suất đường trội trên công suất các đường tán xạ: (2.5) Nếu không có đường trội , thì hàm mật độ công suất Rician: Quy về hàm mật độ công suất Rayleigh. Khi A lớn hơn so với , phân bố xấp xỉ Gauss K=4 K=2 K=0 0.1 0.3 0.5 5 4 3 2 1 0.2 0.4 0.6 r/ô P(r) Hình 2.12– Phân bố Rician Xác suất có thành phần line- of- sight phụ thuộc vào kích thước cell, cell càng nhỏ càng dễ có đường trội. Đường trội giảm đáng kể độ sâu fading, nên về mặt BER fading Rician tốt hơn fading Rayleigh. Sự dịch tần số trong tín hiệu thu do di chuyển tương đối giữa MS và BS gọi là dịch Doppler : Gây ra bởi sự di chuyển tương đối của máy thu, máy phát và sự di chuyển của các đối tượng trong kênh truyền vô tuyến di động. Những sự di chuyển nhỏ trên mặt phẳng kênh của sóng dài có thể là nguyên nhân trong sự khác biệt hoàn toàn về chồng sóng. Khi sự di chuyển tương đối này càng nhanh thì tần số Doppler càng lớn, và do đó tốc độ thay đổi của kênh truyền càng nhanh. Hiệu ứng này được gọi là fading nhanh (Fast fading). Xét một MS di chuyển với vận tốc không đổi v, dọc theo một đường giữa hai điểm X và Y có khoảng cách d ( công thức 2.6 ). Sự khác nhau về chiều dài từ trạm S đến MS tại điểm X và Y là: , với là thời gian để MS đi từ điểm X đến điểm Y . Giả sử trạm S ở rất xa thì như nhau tại điểm X và Y . Sự thay đỏi pha của tín hiệu thu do sự khác nhau về chiều dài đường là : (2.6) Cho nên sự thay đổi của tần số hay dịch Doppler là : (2.7) Dịch Dopper cực đại : S rl d X Y Hướng di chuyển (2.8) Hình 2.13 – dịch Doppler Các yếu tố ảnh hưởng đến fading dạng hẹp: Truyền dẫn đa đường : Sự phản xạ, tán xạ của các yếu tố trong môi trường như các tòa nhà, rừng, núi, mặt nước … làm tiêu tán năng lượng tín hiệu về biên độ, pha và thời gian. Những ảnh hưởng này tạo ra các phiên bản khác nhau của tín hiệu phát đến anten thu. Sự thay đổi ngẫu nhiên của pha và biên độ của các thành phần đa đường này làm thay đổi độ lớn tín hiệu gây ra fading diện hẹp làm méo tín hiệu. Truyền dẫn đa đường làm tăng thời gian tín hiệu đến bộ thu nên có thể tạo ra nhiễu xuyên ký tự ISI: (InterSynbol Interference). Tốc độ di động: Sự di chuyển tương đối giữa MS ( Mobile Station ) và BS ( Base Station ) dẫn đến thay đổi tần số ngẫu nhiên do dịch Doppler trên các đường khác nhau. Dịch Doppler dương hay âm phụ thuộc vào việc MS đi về hướng BS hay đi ra xa BS. Tốc độ của các đối tượng xung quanh: Nếu đối tượng trong kenh vô tuyến di chuyển, chúng gây ra dịch Doppler thay đổi theo thời gian trên các thành phần đa đường. Nếu tốc độ di chuyển của chúng lớn hơn của MS, thì chúng ảnh hưởng trội hơn, ngược lại ta có thể bỏ qua ảnh hưởng của chúng . Băng thông của tín hiệu : Nếu băng thông của tín hiệu phát lớn hơn băng thông của kênh đa đường, tín hiệu thu sẽ bị méo. Băng thông của kênh được đánh giá bằng băng thông tương quan. Băng thông tương quan là khoảng tần số cực đại mà các tín hiệu vẫn còn tương quan lớn về biên độ. Nếu tín hiệu phát có băng thông hẹp so với băng thông của kênh, biên độ của tín hiệu sẽ thay đổi nhanh, nhưng tín hiệu không bị méo dạng trong miền thời gian. Vì vậy việc thống kê độ lớn tín hiệu dạng hẹp liên quan đến biên độ thu, độ trễ của kênh đa đường và băng thông của tín hiệu phát. Mô hình đáp ứng xung của kênh fading : t t3 t2 t1 t0 Sự biến thiên của tín hiệu vô tuyến di động liên quan trực tiếp đến đáp ứng xung của kênh. Đáp ứng xung là một đặc tính của kênh, chứa tất cả các thông tin cần thiết để mô phỏng hay phân tích bất cứ loại truyền dẫn nào qua kênh. Một kênh vô tuyến di động có thể mô hình như là một bộ lọc tuyến tính có đáp ứng xung thay đổi theo thời gian. Kênh truyền phải có khả năng lọc vì tín hiệu thu là tổng các biên độ và độ trễ của nhiều sóng đến. Đáp ứng xung được sử dụng để dự đoán và so sánh hiệu suất của nhiều hệ thống thông tin di động và băng thông truyền trông cùng một điều kiện kênh. Hình 2.14 - Mô hình đáp ứng xung rời rạc thời gian Vì tín hiệu trong một kênh đa đường gồm nhiều phiên bản dịch pha, suy hao biên độ, trễ thời gian của tín hiệu phát, đáp ứng xung băng tận gốc của một kênh đa đường có thể biểu diễn là: (2.9) Với vaø là biên độ và excess delay của thành phần đa đường thứ I ở thời điểm t . Nếu đáp ứng xung của kênh bất biến theo thời gian, nó có dạng đơn giản là: (2.10) Power delay profile được định nghĩa là: (2.11) 2.4.4. Hiện tượng Doppler: Sự dịch tần số trong tín hiệu thu do di chuyển tương đối giữa MS và BS gọi là dịch Dopper Hiện tượng Doppler cũng là một hiện tượng nhiễu khác cũng khá phổ biến trong các hệ thống thông tin di động. Hiện tượng Doppler được xác định khi một nguồn sóng và máy thu đang di chuyển liên quan đến với nhau. Khi máy thu di chuyển về phía trước (cùng chiều với máy phát ra nguồn sóng), tần số của tín hiệu thu sẽ cao hơn tín hiệu nguồn. Hình 2.10 là một ví dụ cụ thể Hình 2.15 - Hiệu ứng Doppler Doppler gây ra bởi sự di chuyển tương đối của máy thu, máy phát và sự di chuyển của các đối tượng trong kênh truyền vô tuyến di động. Những sự di chuyển nhỏ trên mặt phẳng kênh của sóng dài có thể là nguyên nhân trong sự khác biệt hoàn toàn về chồng sóng. Khi sự di chuyển tương đối này càng nhanh thì tần số Doppler càng lớn, và do đó tốc độ thay đổi của kênh truyền càng nhanh. Hiệu ứng này được gọi là Fading nhanh (Fast fading). 2.5. TỔNG KẾT CHƯƠNG: Trong chương này em đã trình bày những ảnh hưởng và phân tích các hiện tượng nhiễu và fading trong hệ thống Wimax. CHƯƠNG 3: HẠN CHẾ NHIỄU VÀ FADING TRONG WIMAX 3.1. GIỚI THIỆU CHƯƠNG: Trong chương này em sẽ nêu ra những phương pháp cụ thể để hạn chế fading và nhiễu trong WiMAX bao gồm những nội dung chính như sau: Tái sử dụng tần số phân đoạn Khái niệm về tái sử dụng tần số Nguyên lý tái sử dụng tần số Các thông số tái sử dụng tần số Các biện pháp giảm fading Giảm nhiễu ISI Điều chế thích nghi 3.2. TÁI SỬ DỤNG TẦN SỐ PHÂN ĐOẠN : 3.2.1. Khái niệm tái sử dụng tần số: Mạng tế bào hoạt động trên nguyên tắc phân chia vùng phủ sóng dịch vụ thành các phân vùng hoặc tế bào, ở đó có riêng một tập hợp tài nguyên hoặc kênh để người sử dụng mạng truy nhập. Thông thường, các vùng phủ sóng tế bào được xây dựng theo cấu trúc ô tế bào lục giác. Mạng tế bào bị giới hạn về băng thông hoạt động trên nguyên lý tái sử dụng tần số. Điều này cho thấy, cùng một nhóm tần số được sử dụng lại trong các ô tế bào mà đã được giữ khoảng cách với nhau một khoảng cự ly đủ lớn sao cho không gây tác hại lẫn nhau mà thể hiệu ở sự giao thoa đồng kênh. Đối với một cấu trúc tế bào lục giác, ta có thể co gọn các tế bào thành cụm để đảm bảo không có hai tế bào lân cận nào dùng chung một tần số. Hình 3.1 – Mô hình tái sử dụng tần số Sử dụng lại tần số là việc cấp phát cùng một nhóm tần số vô tuyến tại các vị trí địa lý khác nhau trong mạng mà không làm ảnh hưởng đến chất lượng kết nối tại giao diện vô tuyến do nhiễu đồng kênh và nhiễu kênh lân cận gây nên. Nguyên lý tái sử dụng tần số: Một hệ thống tổ ong làm việc dựa trên việc sử dụng lại tần số. Nguyên lý cơ bản khi thiết kế hệ thống tổ ong là các mẫu sử dụng lại tần số. Tổng băng thông có trên mạng được phân chia giữa các tế bào trong một cụm. Cụm này sau đó có thể được sử dụng để xác định số cuộc gọi có thể được hỗ trợ trong mỗi tế bào. Bằng việc giảm số lượng các tế bào trong một cụm, dung lượng của hệ thống có thể tăng lên, vì có thể có thêm nhiều kênh hơn trong mỗi tế bào. Tuy nhiên mỗi lần giảm kích thước cụm sẽ gây nên một lần giảm khoảng cách sử dụng lặp tần, do vậy, hệ thống rất có nguy cơ trở thành giao thoa đồng kênh. Theo định nghĩa sử dụng lại tần số là việc sử dụng các kênh vô tuyến ở cùng một tần số mang để phủ sóng cho các vùng địa lý khác nhau. Các vùng này phải cách nhau một cự ly đủ lớn để mọi nhiễu giao thoa đồng kênh (có thể xảy ra) chấp nhận được. Tỉ số sóng mang trên nhiễu C/I phụ thuộc vào vị trí tức thời của thuê bao di động do địa hình không đồng nhất, số lượng và kiểu tán xạ. Phân bố tỉ số C/I cần thiết ở hệ thống xác định số nhóm tần số F mà ta có thể sử dụng. Nếu toàn bộ số kênh quy định N được chia thanh F nhóm thì mỗi nhóm sẽ chứa N/F kênh. Vì tổng số kênh N là cố định nên số nhóm tần số F nhỏ hơn sẽ dẫn đến nhiều kênh hơn ở một nhóm và một đài trạm. Vì vậy, việc giảm số lượng các nhóm tần số sẽ cho phép mỗi đài trạm tăng lưu lượng nhờ đó sẽ giảm số lượng các đài trạm cần thiết cho tải lưu lượng định trước. Ta biết rằng sử dụng lại tần số ở các cell khác nhau thì bị giới hạn bởi nhiễu đồng kênh C/I giữa các cell đó nên C/I sẽ là một vấn đề chính cần được quan tâm. Dễ dàng thấy rằng, với một kích thước cell nhất định, khoảng cách sử dụng lại tần số phụ thuộc vào số nhóm tần số N. Nếu N càng lớn, khoảng cách sử dụng lại tần số càng lớn và ngược lại. Các thông số tái sử dụng tần số: Việc sử dụng lặp tần số có thể được xác định theo phương trình sau cho mỗi kích thước cụm tế bào: Trong đó: − D là khoảng cách trung bình sử dụng lặp tần. − R là bán kính tế bào. − N là kích cỡ cụm. Đây là một phương pháp nhằm nâng cao chất lượng kết nối của các thuê bao do ảnh hưởng của can nhiễu cùng kênh (CCI) Trong WiMAX di động hỗ trợ tái sử dụng tần số bằng 1, nghĩa là tất cả các tế bào /sector hoạt động trên cùng một kênh tần số nhằm tối đa hóa hiệu quả sử dụng phổ. Tuy nhiên, do can nhiễu cùng kênh (CCI) rất mạnh trong triển khai tái sử dụng tần số bằng 1, cho nên các thuê bao tại rìa tế bào giảm cấp chất lượng kết nối. Với WiMAX di động, các thuê bao hoạt động trên các kênh con, chỉ chiếm một đoạn nhỏ của toàn bộ băng thông kênh, vấn đề can nhiễu biên tế bào có thể được khắc phục dễ dàng bằng việc tạo cấu hình sử dụng kênh con một cách hợp lý mà không cần viện đến quy hoạch tần số truyền thống. Trong WiMAX di động, việc tái sử dụng kênh con linh hoạt được tạo điều kiện dễ dàng nhờ sự phân đoạn kênh con và vùng hoán vị. Một đoạn là một phần nhỏ các kênh con OFDMA khả dụng (một đoạn có thể bao gồm tất cả các kênh con). Một đoạn được sử dụng cho triển khai một trường hợp MAC duy nhất. Vùng hoán vị là một số các ký tự OFDMA liền kề nhau trong DL hoặc UL sử dụng cùng một phép hoán vị. Khung con của DL hoặc UL có thể chứa nhiều hơn một vùng hoán vị Mô hình tái sử dụng kênh con có thể được cấu hình sao cho các thuê bao gần sát trạm gốc hoạt động trong vùng có tất cả các kênh con khả dụng. Trong khi đó, đối với các thuê bao rìa, mỗi tế bào hoặc sector hoạt động trong vùng chỉ có một phần nhỏ của tất cả các kênh con là khả dụng. Trong hình 3.2, F1, F2 và F3 biểu thị các tập hợp kênh con khác nhau trong cùng một kênh tần số. Với cấu hình này, tái sử dụng tần số bằng một “1” của toàn tải được duy trì cho các thuê bao trung tâm để tăng tối đa hiệu quả phổ, và tái sử dụng tần số phân đoạn được cài đặt cho các thuê bao rìa nhằm đảm bảo chất lượng kết nối và thông lượng của thuê bao rìa. Quy hoạch tái sử dụng kênh con có thể được tối ưu hóa một cách năng động qua các sector hoặc các tế bào dựa trên tải của mạng và các điều kiện can nhiễu trên cơ sở từng khung một. Do vậy, tất cả các tế bào hoặc các sector đều có thể hoạt động trên cùng một kênh tần số mà không cần gì đến quy hoạch tần số. Hình 3.2- Mô hình tái sử dụng tần số phân đoạn 3.3. CÁC BIỆN PHÁP GIẢM FADING: Đặc tính fading là sự khác nhau quan trọng nhất giữa việc thiết kế hệ thống thông tin vô tuyến và hữu tuyến. Do fading lựa chọn tần số là nổi bật nhất trong các kênh băng rộng- và do độ rộng băng của kênh băng rộng là lớn hơn rất nhiều độ rộng băng phù hợp BC –nên chúng ta đề cập đến các kênh với sự phân tán thời gian hay lựa chọn tần số trong fading băng rộng và đến các kênh chỉ với sự phân tán về tần số hay lựa chọn thời gian trong fading băng hẹp. Khi truyền sóng trên đường truyền LOS (Line-Of-Sight) thì ảnh hưởng của fading là một tất yếu không thể tránh khỏi nhất là đối với hệ thống WiMAX băng rộng. Vấn đề là chúng ta phải làm sao để giảm đến mức tối thiểu ảnh hưởng của nó và nâng cao độ tin cậy của hệ thống. Tuy nhiên đối với hệ thống WiMAX băng rộng, hiện tượng fading là nhiều tia chọn lọc theo tần số. Tức là ảnh hưởng của fading khác nhau tại các tần số khác nhau của băng tần. Để chống fading trong trường hợp này chúng ta xem xét cơ chế gây hại của hiện tượng fading chọn lọc là làm gia tăng ISI tín hiệu thu do các nguyên nhân: Méo tuyến tính hàm truyền của kênh thông tin. Sự mất đối xứng qua tần số sóng mang của hàm truyền kênh thông tin với các hệ thống điều chế hai chiều QAM, PSK. Các biện pháp chống fading gồm các dạng sau: - Sử dụng mạch san bằng thích nghi: ta chấp nhận sự truyền dẫn nhiều tia của kênh thông tin. Căn cứ vào mô hình kênh nhiều tia đã đưa ra và cơ chế gây hại của hiện tượng fading để thiết kế các mạch san bằng thích nghi cả về mặt thời gian và tần số, để đưa vào kênh như một quá trình ngược lại với quá trình do fading gây ra. - Sử dụng các biện pháp phân tập: nhằm giảm xác xuất gián đoạn của hệ thống bằng cách cấu trúc kênh theo kiểu song song. - Dùng mã sử lỗi. - Truyền dẫn đa sóng mang. 3.3.1. Fading băng hẹp(fading phẳng) Ảnh hưởng của fading này là đáng kể khi khoảng cách truyền tăng, lúc này cường độ tín hiệu thu sẽ bị giảm đáng kể vì suy hao thay đổi đáng kể. Tính di chuyển của các thuê bao trên khoảng cách lớn(>>λ) và sự thay đổi đặc điểm địa hình, sẽ ảnh hưởng đến suy hao và công suất thu thay đổi chậm. Có rất nhiều các kỹ thuật khác nhau được sử dụng để khắc phục fading băng hẹp, nhưng cách phổ biến nhất và thường được dùng nhất là phân tập.Trong thông tin vô tuyến tốc độ cao, chỉ có sự phân tập mới khắc phục được hiện tượng fading này . Các loại phân tập thường dùng là: Phân tập thời gian Hai phương pháp quan trọng của phân tập thời gian là mã hóa/đan xen và điều chế thích nghi (AMC). Kỹ thuật mã hóa và đan xen đưa vào một cách linh hoạt để tăng độ dư thừa trong tín hiệu được truyền đi; điều này làm cho tốc độ của tín hiệu giảm và vì vậy mà giảm đươc lỗi bit. (3.1) Các máy phát cùng với việc điều chế thích nghi sẽ có thông tin về kênh truyền. Và vì vậy, chúng sẽ chọn kỹ thuật điều chế mà đạt được tốc độ dữ liệu cao nhất có thể được trong khi vẫn giữ được BER ở mức yêu cầu. Trong phương trình (3.1), với M tăng, BER cũng tăng. Vì tốc độ dữ liệu tỷ lệ với log2M, chúng ta muốn chọn kích thước mẫu tự lớn nhất để mà đạt được BER theo yêu cầu. Nếu kênh có sự suy giảm mạnh thì sẽ không có ký hiệu nào được gửi đi để tránh tạo lỗi. Điều chế thích nghi và mã hóa là một phần tích hợp trong chuẩn WiMAX. Và được để cập kỹ hơn trong phần sau. Phân tập không gian Hình 3.3- Phân tập lựa chọn hai nhánh đơn loại đi hầu hết sự suy giảm mạnh Phân tập theo không gian là một dạng phân tập khác cũng khá phổ biến và có hiệu quả, thường được thực hiện bằng cách sử dụng hai hay nhiều hơn các ăng-ten tại cả máy phát và máy thu hay chỉ có ở máy phát hoặc máy thu. Phân tập này còn được biết đến với tên gọi là hệ thống MIMO. Dạng đơn giản nhất của phân tập theo không gian bao gồm hai ăng-ten thu, đó là nơi mà hai tín hiệu mạnh nhất được chọn. Nếu các ăng-ten được đặt cách nhau một cách phù hợp, thì hai tín hiệu nhận được sẽ chịu ảnh hưởng một cách xấp xỉ hiện tượng phadinh không tương quan với nhau. Kiểu phân tập này được gọi một cách hợp lý là phân tập lựa chọn và được minh họa trong hình 3.3 như sau: Kỹ thuật đơn giản này đã loại bỏ hoàn toàn một nửa tín hiệu nhận được nhưng hầu hết sự suy giảm mạnh đã được tránh và SNR trung bình cũng được tăng lên. Các dạng phức tạp hơn của phân tập không gian bao gồm các mảng ăng-ten(hai hay nhiều hơn hai ăng-ten) với tỷ số kết nối lớn nhất, phân tập phát sử dụng mã hóa không gian- thời gian, và kết nối sự phân tập giữa đầu phát và đầu thu. Các kỹ thuật báo hiệu không gian được mong đợi để quyết định việc đạt được hiệu suất phổ cao trong WiMAX. Phân tập theo tần số Phương pháp này được sử dụng để khắc phục hiện tượng fading băng rộng và sẽ được đề cập kỹ hơn ở phần sau. 3.3.2. Fading băng rộng(fading lựa chọn tần số) Như đã biết, fading lựa chọn tần số gây ra sự phân tán trong miền thời gian, điều này làm cho các ký hiệu lân cận giao thoa với nhau trừ khi T>>τmax . Do tốc độ dữ liệu tỷ lệ với 1/T , hệ thống có tốc độ dữ liệu cao hầu như lúc nào cũng có lan truyền trễ đa đường đáng kể, khi T<<τmax, và kết quả là bị nhiễu liên ký hiệu nghiêm trọng. Việc lựa chọn kỹ thuật để chống lại nhiễu ISI một cách có hiệu quả là một quyết định quan trọng trong việc thiết kế bất kỳ hệ thống tốc độ cao. Rất nhanh chóng là OFDM là sự lựa chọn phổ biến nhất cho việc chống lại ISI. Phân tập tần số (FD): Phân tập tần số ( Frequency Diversity) là sử dụng một hoặc hai kênh để bảo vệ cho N kênh làm việc. Bộ chuyển mạch SW thực hiện nguyên lý không trùng hợp, trên cơ sở BER chọn ra kênh có chất lượng thấp nhất để thực hiện phân tập tần số. Phân tập tần số có cấu trúc 1+1 tức là biện pháp truyền đồng thời hai kênh tần số từ trạm phát đến trạm thu sử dụng hai máy phát, hai máy thu có khoảng cách tần số khác nhau., sử dụng anten dải rộng. Tại đầu thu sẽ có một bộ kết hơp giống như trong phân tập không gian dùng để sử dụng biên độ và pha tín hiệu đầu ra máy thu, nhằm lựa chọn tín hiệu đầu ra tốt nhất. Hình 3.4 - Sơ đồ khối hệ thống phân tập tần số Khi khoảng cách tần số trong hai kênh đủ lớn để hệ số tương quan giữa hai kênh là có thể bỏ qua được, thì hai kênh được coi là độc lập thống kê. Khi đó hệ số cải thiện phân tập theo tần số sẽ được tính theo công thức: Khi kênh phân tập tần số chỉ có một, mà số kênh làm việc cần phải có phân tập tăng lên, thì sự cải thiện được quan tâm đến tất cả các kênh giảm xuống. Tuy nhiên chúng ta sẽ dung hòa được sự ưu tiên cho kênh làm việc. Vì rằng một kênh sẽ được bảo vệ tốt, nếu có cấu trúc phân tập (1+1). Phân tập góc (AD): Phương pháp này được sử dụng cho đường thông tin đối lưu. Thông tin đối lưu là việc truyền sóng dựa vào sự bất đồng nhất của khí quyển ở vùng đối lưu. Vùng này có đặc điểm tán xạ sóng, các tia sóng được phát ra từ anten phát không trực tiếp đến điểm thu mà đi tới vùng đối lưu, ở đó các tia sóng lại tán xạ đi nhiều hướng khác nhau. Trong số những tia sóng tán xạ từ vùng đối lưu có những tia đến được điểm thu. Thông tin đối lưu phân tập theo góc ngẩng của anten. Hình 3.5 - Truyền sóng trong thông tin đối lưu Như ta đã biết trong đường truyền wimax mặt đất LOS phương pháp truyền sóng là trực tiếp, anten nhìn thấy nhau. Tuy nhiên theo mô hình Rummler tại điểm thu, sóng tới không chỉ là tia trực tiếp mà còn có tia khúc xạ qua khí quyển và tia phản xạ từ mặt đất. Các tia sóng này đến điểm thu cũng bị uốn cong và có biên độ và góc pha khác nhau. Phân tập góc với ý tưởng định hướng anten theo độ uốn cong của tia sóng đã được thực hiện, với phương pháp này người ta sử dụng hai anten để thu một tín hiệu từ một anten phát. Hai anten đặt cùng độ cao trên tháp cùng định hướng về một phía. Trong đó anten chính được định hướng thẳng theo đường thẳng nối giữa anten phát và anten thu, còn anten phân tập được định hướng lệch đi một góc nhỏ chừng 1~2 độ. Các anten thường có dạng parabol với phần phát xạ đặt tại tiêu điểm parabol lắp đặt anten có dạng như sau: Anten phân tập góc nhìn vào từ phía lòng chảo Anten phân tập góc nhìn vào từ bên cạnh Phân tập góc sử dụng hai máy thu và sử dụng kết hợp trước hoặc sau tách sóng. Hình 3.6 - Sơ đồ khối cấu trúc hệ thống phân tập góc Hệ thống phân tập góc trong thực thế thường sử dụng phân tập góc kết hợp sau tách sóng như hình trên. 3.4. GIẢM NHIỄU ISI: Trong các hệ thống đơn sóng mang, ISI là một vấn đề khá nan giải. Lí do là độ rộng băng tần tỉ lệ nghịch với khoảng thời gian kí hiệu, do vậy, nếu muốn tăng tốc độ truyền dữ liệu trong các hệ thống này, tức là giảm khoảng kí hiệu, vô hình chung đã làm tăng mức trải trễ tương đối. Lúc này hệ thống rất nhạy với trải trễ. Và việc thêm khoảng bảo vệ khó triệt tiêu hết ISI. Bộ cân bằng Equalizer được dùng để loại bỏ nhiễu liên ký hiệu (Intersymbol Interference_ISI) và các nhiễu nhiệt (noise) được thêm vào. Nhiễu ISI sinh ra do sự trải trễ của các xung phát dưới tác động phân tán tự nhiên của kênh truyền. Điều này dẫn đến sự chồng lấn của các xung kế cận nhau gây ra nhiễu liên ký tự. Chẳng hạn như trong môi trường tán xạ đa đường, một ký hiệu có thể được truyền theo các đường khác nhau, đến máy thu ở các thời điểm khác nhau, do đó có thể giao thoa với các ký tự khác. Hình 3.7 - Sơ đồ khối của mô hình kênh truyền Trên hình 3.7, ta thấy tín hiệu x(t) được diều chế bốn mức (Pulse Amplitude Modulated_PAM), tín hiệu x(t) được phát qua kênh có đáp ứng xung h(t). Nhiễu nhiệt noise n(t) được thêm vào. Ta thấy tín hiệu thu được là r(t) đã bị méo dạng so với tín hiệu phát x(t). Để khắc phục nhiễu xuyên âm người ta phải làm thế nào hạn chế dải thông mà vẫn không gây ra ISI. Khi dải thông bị giới hạn, xung sẽ có đỉnh tròn thay vì đỉnh phẳng. Một trong những phương pháp để loại bỏ nhiễu ISI là dùng bộ lọc cos nâng và bộ lọc ngang ép không (phương pháp Nyquist I) hay sử dụng bộ cân bằng nhưng phương pháp được đề cập nhiều nhất là sử dụng bộ cân bằng Equalizer được sử dụng để bù lại các đặc tính tán xạ thời gian của kênh truyền. Hình 3.8 - Kênh truyền và bộ cân bằng 3.5. MÃ HÓA VÀ ĐIỀU CHẾ THÍCH NGHI: Hình 3.9 – Mối quan hệ giữa vùng phủ sóng và phương pháp điều chế được sử dụng Mã hóa và điều chế thích nghi là một phương pháp được sử dụng trong phân tập theo thời gian . Trong hệ thống WiMAX, việc sử dụng mã hóa và điều chế thích nghi với mục đích là thích nghi với sự dao động của kênh truyền do ảnh hưởng của nhiễu. Với đặc tính này sẽ cho phép hệ thống có thể khắc phục được những ảnh hưởng của fading lựa chọn thời gian. Ý tưởng cơ bản này hoàn toàn đơn giản và được trình bày như sau: Việc truyền dữ liệu tốc độ cao có thể đạt được khi kênh truyền tốt, tốc độ truyền sẽ thấp hơn nếu kênh truyền không tốt, với mục đích là tránh gây ra lỗi. Tốc độ dữ liệu thấp có thể đạt được bằng cách sử dụng chòm điểm nhỏ, như là QPSK, và các mã có tốc độ sửa lỗi thấp, như là mã chập và mã tourbo ½. Tốc độ dữ liệu cao hơn có thể đạt được với chòm điểm lớn, như là 64QAM, và mã hóa sửa lỗi chống nhiễu, ví dụ, mã chập hay mã turbo có tốc độ ¾ hay mã LDPC. Sơ đồ khối thể hiện nguyên lý hoạt động của hệ thống mã hóa điều chế thích nghi AMC được cho bởi hình 3.11 sau đây: Hình 3.10 - Sơ đồ khối mã hóa và điều chế thích nghi (AMC) Để đơn giản, đầu tiên chúng ta xem một hệ thống người dùng truyền nhanh tín hiệu thông qua kênh với SINR luôn thay đổi; ví dụ, kênh truyền phụ thuộc vào fadinh. Mục đích của máy phát là truyền dữ liệu từ hàng bit nhanh đến mức có thể, và được giải điều chế và giải mã một cách chính xác tại máy thu. Hồi tiếp (feedback) sẽ quyết định mã hóa và điều chế nào được sử dụng để phù hợp với điều kiện của kênh truyền thông qua tham số SINR. Máy phát cần biết giá trị SINR của kênh (), giá trị này được xác định khi SINR nhận được chia cho công suất phát Pt, là một hàm của . Do đó, SINR nhận được là Hình 3.12 minh họa việc sử dụng sáu cách mã hóa và điều chế trong số các định dạng chung của WiMAX. Nó có thể đạt được các mức hiệu suất phổ khác nhau tùy thuộc vào phương pháp mã hõa và điều chế sử dụng. Điều này cho phép dung lượng tăng lên khi SINR tăng lên theo công thức Shannon Trong trường hợp này, tốc độ dữ liệu thấp nhất là QPSK và mã turbo tốc độ ½; tốc độ dữ liệu cao nhất trong định dạng của WiMAX là 64QAM và mã turbo tốc độ ¾. Thông lượng đạt được, được chuẩn hóa bởi độ rộng đã được xác định Hình 3.11 - Thông lượng của các phương pháp điều chế và tốc độ mã hóa khác nhau. (3.2) Trong đó: BLER là tỷ lệ block lỗi. r ≤1 là tốc độ mã hóa. M số điểm trong một chòm điểm. Ví dụ: 64QAM với tốc độ mã hóa là ¾ đạt được thông lượng tối đa là 4.5bps/Hz, khi BLER 0; QPSK với tốc độ mã hóa là ½ sẽ đạt được thông lượng trong trường hợp tốt nhất là 1bps/Hz. Kết quả được thể hiện ở đây là cho trường hợp lý tưởng của kiến thức kênh tối ưu và không truyền ngược lại như ARQ. Trong thực tế, viêc hồi tiếp sẽ bị trễ và có thể còn bị giảm do việc dự đoán kênh không chính xác hay lỗi trong kênh hồi tiếp về (feedback). Hệ thống WiMAX bảo vệ chặt chẽ các kênh hồi tiếp với việc sửa lỗi. Vì vậy, nguyên nhân chính gây ra sự suy giảm có thể suy giảm, điều này gây cho việc dự đoán kênh trở nên lỗi thời nhanh chóng. Theo kinh nghiệm, với tốc độ hơn 30km/h trên tần số sóng mang 2,100MHz, thì các cấu hình hồi tiếp không cho phép thông tin trạng thái của kênh truyền một cách kịp thời và chính xác về máy phát. Mã hóa kênh(channel coding) Trong chuẩn IEEE 8.2.16e-2005, mã hóa kênh là một khối chức năng của lớp vật lý trong WiMAX. Nhiệm vụ của lớp này là làm cho tín hiệu truyền đi trong môi trường kênh ít bị sai do ảnh hưởng của fading. Làm cho phía thu dễ khôi phục lại tín hiệu Hình 3.12 - Vai trò của mã hóa kênh trong việc giảm BER và khắc phục lỗi gây ra cho tín hiệu truyền do fadinh Mã hóa kênh bao gồm ba bước sau đây: Randomization: Ngẫu nhiên hoá luồng bit dữ liệu. Điều này sẽ tốt hơn cho việc sửa lỗi Forward Error Correction(FEC). Bộ Scrambler được thực hiện bởi các thanh ghi dịch hồi tiếp tuyến tính FEC: Trong khối FEC gồm có ba khối nhỏ là Reed-Solomon Coder, Covolutional Coder, và khối Puncturing. Trong 3 khối này thì khối Reed-Solomon là phức tạp nhất. Khối này làm nhiệm vụ mã hoá dữ liệu và thêm các khoảng trống vào luồng bit để tạo điều kiện cho máy thu dò tìm và sửa lỗi. Trong khối này dữ liệu được mã hoá convolutional, tuy nhiên trước khi dữ liệu đưa vào khối convolutional encoder thì nó phải được mã hoá Reed-Solomon. Cuối cùng luồng dữ liệu sẽ được đưa qua khối Puncturing để giảm số bit truyền. Interleaving: sắp xếp lại các khối của bit dữ liệu bằng cách đưa các bit mã hoá kề nhau vào các sóng mang không liên tiếp để bảo vệ chống lại lỗi burst. Kích cỡ khối bằng số bit được mã hóa trong symbol OFDM đơn giản. Kích cỡ của symbol được xác định bởi số sóng mang dữ liệu và cách điều chế. Ngẫu nhiên hóa Khối sửa lỗi FEC Sắp xếp lại các khối của bit dữ liệu Dữ liệu Hình 3.13 - Sơ đồ khối chức năng của mã hóa kênh 3.6. TỔNG KẾT CHƯƠNG : Trong chương này em đã trình bày sơ lược vê tái sử dụng tần số và nguyên lý của nó và cách khắc phục về nhiễu và hiện tượng fading trong WiMAX . CHƯƠNG 4 : MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ 4.1. GIỚI THIỆU CHƯƠNG: Trong chương này em mô phỏng chương trình ảnh hưởng của nhiễu thông qua các tác động của hiện tượng Doppler, kênh fading Rayleigh và Ricean ảnh hưởng đến biên độ tại máy thu, và giá trị BER. 4.2.Chương trình mô phỏng ảnh hưởng của hiện tượng fadinh Hình 4.1- Giao diện của chương trình mô phỏng ảnh hưởng của Fading 4.2.1. Chương trình mô phỏng ảnh hưởng của hiện tượng Doppler Bài toán Khi máy thu thay đổi vận tốc di chuyển thì thì làm ảnh hưởng đến chất lượng của tín hiệu thông qua cường độ tín hiệu tại máy thu. Hình 4.2 - Cường độ tín hiệu tại máy thu khi v=1000(km/h) Kết quả chương trình Hình 4.3- Cường độ tín hiệu tại máy thu khi v=45(km/h) Nhận xét Nhìn vào hình 4.2 và 4.3, ta thấy cường độ tín hiệu tại máy thu thay đổi khi vận tốc của máy thu thay đổi, 4.2.2. Chương trình mô phỏng ảnh hưởng của kênh Rayleigh đến biên độ tín hiệu thu. Bài toán Cho tín hiệu hình sin chưa điều chế (ở băng tần gốc). Cho tín hiệu này đi qua hai đường truyền khác nhau, đường truyền thứ nhất đi qua kênh truyền có độ lợi kênh truyền là cố định và đường truyền thứ hai có độ trễ và biên độ thay đổi một cách ngẫu nhiên theo thời gian. Tại đầu ra của kênh, tức là đầu vào của máy thu, ta sẽ quan sát tín hiệu thu thay đổi sau 10 lần đo biên độ tại đầu vào máy thu. Mục đích mô phỏng Khảo sát sự ảnh hưởng của hiện tượng đa đường (multipath 2 tia) đến chất lượng của tín hiệu tại đầu vào máy thu. Mô hình mô phỏng s(t) Cố định Tạo trễ Biến đạt được r(t) h(t) Hình 4.4- Mô hình kênh truyền Rayleigh Kết quả chương trình Hình 4.5 - Sự thay đổi biên độ tại đầu ra của kênh multipath hai tia sau 10 lần đo có G1(fixed gain)=1. Hình 4.6-Sự thay dổi biên độ tại đầu ra của kênh multipath hai tia sau 10 lần đo có G1(fixed gain)=20 Nhận xét Do ảnh hưởng của hiện tượng đa đường (multipath) làm cho biên độ tại máy thu không ổn định sau nhiều lần đo. Do độ trễ và sự suy hao của kênh thứ hai thay đổi ngẫu nhiên theo thời gian nên trong mười lần đo thì có mười giá trị khác nhau. Điều này đã chứng minh được rằng, trong truyền thông vô tuyến trong môi trường tầm nhìn thẳng (LOS) ít gây suy hao và có chất lượng hơn trong môi trường có tầm nhìn che khuất (NLOS). 4.2.3. Chương trình mô phỏng ảnh hưởng của công suất truyền đến chất lượng của hệ thống thông qua giá trị BER Bài toán Mô phỏng hiệu năng BER của hệ thống QPSK hoạt động trong môi trường kênh đa đường 3 tia cố định với AWGN và so sánh hiệu năng BER với chính hệ thống đó nhưng hoạt động trên kênh lý tưởng(không có đa đường) Các kênh P0 P1 P2 τ(mẫu) Chú thích Kênh số 1 1.0 0 0 0 Kênh AWGN lý tưởng Kênh số 2 1.0 0.2 0 0 fading phẳng Ricean Kênh số 3 1.0 0 0.2 0 Kênh fading phẳng Ricean Kênh số 4 1.0 0 0.2 8 Kênh fading chọn lọc tần số Ricean Kênh số 5 0 1.0 0.2 0 Kênh fading phẳng Rayleigh Kênh số 6 0 1.0 0.2 8 Kênh fading chọn lọc tần số Rayleigh Bảng 4.1- Tham số của các kênh P0 , P1 , P2 xác định các mức công suất tương đối của ba đường và được tính bằng đơn vị dB, trong đó P0 là công suất tương đối của tia truyền thẳng, P1 và P2 là công suất của hai tia phản xạ. Transmitter Signal t Delay Delay spread Receiver Signal t Hình 4.7- Minh họa nhiễu đa đường 3 tia Mục đích mô phỏng Mô phỏng này nhằm làm rõ sự ảnh hưởng của kênh fading Ricean và Rayleigh, fading lựa chọn tần số và fading phẳng lên giá trị BER của hệ thống truyền thông vô tuyến. Nguyên tắc mô phỏng Giá trị BER của mỗi kênh được ước lượng bằng phương pháp ước tính bán phân tích. Phương pháp này là kết hợp của hai phương pháp: giải tích và Monte Carlos Lưu đồ thuật toán Bắt đầu Nhập các thông số sau:số ký tự(symbol): N, độ rộng của 1 bít: tb, tốc độ lấy mẫu fs, các giá trị Eb/N0 Gọi chương trình con random_binary Các kênh khác Kênh số 1 S Tính độ lợi cho mỗi đường Rayleigh và Ricean Đ Gọi chương trình con vxcorr Gọi chương trình con qpsk_berest Vẽ đồ thị BER theo từng giá trị Eb/N0 Xuất ra màn hình Kết thúc Kết quả của chương trình Hình 4.12 - Đồ thị BER của kênh số 5 Hình 4.13- Đồ thị BER của kênh số 6 Hình 4.8- Đồ thị BER của kênh số 1 Hình 4.9 - Đồ thị BER của kênh số 2) Hình 4.10- Đồ thị BER của kênh số 3 Hình 4.11 - Đồ thị BER của kênh số 4 Nhận xét Dựa vào kết quả mô phỏng ở kênh số 1 và số 2 được minh họa ở hình 4.8 và hình 4.9, ta thấy ở kênh số 1 chỉ có một thành phần đi thẳng LOS mà không có đa đường, nên đây là ước tính BER bán phân tích cho hệ thống QPSK hoạt động trong môi trường kênh AWGN. Đây là kênh chuẩn và được dùng để so sánh với kết quả BER mô phỏng của năm kênh còn lại. Kênh số 2 có thêm thành phần fading Rayleigh. Việc thêm vào này làm cho kênh này tương đương với kênh fading Ricean, do τ=0 nên kệnh số 2 là kênh fading phẳng(không chọn lọc tần số), và ta thấy rõ rằng kênh này có giá trị BER lớn hơn kênh số 1(kênh lý tưởng). Kết quả mô phỏng cho hai kênh số 3 và 4 trong hình 4.10 và hình 4.11. Hai kênh số 2 và 3về cơ bản là như nhau. Kênh số 4 giống với kênh số 3 ngoại trừ là fading của kênh số 4 là kênh chọn lọc tần số, τ=8(mẫu); và ta thấy rõ là hiệu năng của hệ thống đã giảm một cách rõ rệt(giá trị của BER tăng lên). Điều này chứng tỏ nhiễu chọn lọc tần số(hay còn gọi là ISI) có ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng của hệ thống thông tin không dây. Kết quả mô phỏng cho kênh số 5 và 6 được thể hiện trong hình 4.12 và hình4.13 , cả hai kênh này đều không có thành phần đi thẳng NLOS(kênh Rayleigh ). Khi so sánh kết quả của kênh số 4 và kênh số 5 ta thấy: mặc dù là kênh số 5 là fading phẳng nhưng kết quả là giá trị BER của kênh này vẫn cao hơn so với trường hợp có kênh có đường truyền thẳng LOS. Kênh số 6 cũng là kênh Rayleigh nhưng là trong trường hợp có trễ( kênh Rayleigh chọn lọc tần số) thì chất lượng của hệ thống suy giảm trầm trọng. 4.2.4. Tốc độ truyền dữ liệu của hệ thống WiMAX Theo như kết quả cho ở bảng 2, ta thấy tốc độ dữ liệu phụ thuộc rất nhiều vào phương pháp điều chế và tốc độ mã hóa. Hình 5.. Nguyên tắc mô phỏng đo thông lượng của từng phương pháp Bảng 4.2 - Phương pháp tính tốc độ truyền của WiMAX Nhận xét Dựa vào bảng trên, ta thấy tốc độ dữ liệu tăng khi sử dụng phương pháp điều chế nhiều mức và tốc độ mã hóa lớn nhưng dễ gây ra lỗi lớn. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI Kết luận Đồ án đã giải quyết được các vấn để cơ bản được đặt ra ở phần đầu bao gồm: Các khái niệm tổng quan và đặc tính kỹ thuật của công nghệ WiMAX, các mô hình hoạt động và các ưu nhược điểm trong triển khai hệ thống WiMAX. Nêu ra được các ảnh hưởng của nhiễu và cách khắt phục mà chứng minh là kết quả mô phỏng chương trình để chứng minh. Trong đó quan trọng là dùng tham số BER để đánh giá chất lượng của hệ thống, giúp cho việc lựa chọn các phương pháp điều chế thích hợp cho từng điều kiện kênh truyền Hướng phát triển đề tài Trong chương trình mô phỏng ảnh hưởng của fading, em chỉ mô phỏng một số ảnh hưởng của hiện tượng Doppler cường độ tín hiệu tại máy thu, của kênh thay đổi theo thời gian đến biên độ tại máy thu, ảnh hưởng của kênh Rayleigh và Ricean đã được đơn giản hóa. Vì vây hướng phát triển của đề tài tiếp tục sẽ là các phương pháp điều chế. Trong đề tài em đã nêu ra một số giải pháp để hạn chế fading trong WiMAX và đã chứng minh được, nhưng bên cạnh đó vẫn còn hạn chế và chưa làm được đó là chưa mô phỏng hết các loại ảnh hưởng của nhiễu và cũng chưa chứng minh được hết các ảnh hưởng của nó trong hệ thống. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Lê Văn Tuấn, “Các băng tần WiMax”, Tạp chí BCVT&CNTT kỳ 1 – số 5, năm 2006. [2]. Trần Việt Hưng, “ WiMAX công nghệ đích thực cho cuộc sống”, Tập đoàn Bưu Chính Viễn Thông Việt Nam, năm 2006. [3]. Tài liệu về Công nghệ WiMAX của Trung tâm thông tin di động khu vực 3 – VMS Mobifone Đà Nẵng. [4] Lê Dương Hải, “ Kênh fading và các phương pháp mô phỏng”, khóa luận tốt nghiệp ngành Điện tử viễn thông, Đại học quốc gia Hà Nội, khóa 2005. [5]. Govindan Nair, Joey Chou, Tomasz Madejski, Krzysztof Perycz, David Putzolu, Jerry Sydir, “ IEEE 802.16 Medium Access Control and Service Provisioning”, Intel® Technology Journal, August 2004. [7]. Trang web: [8]. Trang web: NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..… GVHD Nguyễn Lê Mai Duyên NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. Giáo viên phản biện