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

ultipath, hiện tượng fading và Doppler trong hệ thống thông tin di động.[4] 2.3. ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỄU TRONG HỆ THỐNG VÔ TUYẾN 2.3.1. Suy hao(pathloss) (2.1) Sự khác nhau rõ rệt giữa kênh vô tuyến và hữu tuyến là lượng công suất truyền đạt đến máy thu. Giả sử rằng ăng-ten đẳng hướng được sử dụng, như thể hiện ở hình 2.2, năng lượng của tín hiệu truyền mở rộng trên mặt các hình cầu song song, vì vậy năng lượng nhận được tại ăng ten thu có khoảng cách d tỷ lệ nghịch với diện tích bề mặt cầu, (4πd2). Suy hao được tính theo công thức lan truyền không gian tự do: trong đó: Pr và Pt lần lượt công suất thu và nhận và λ là chiều dài của bước sóng. Nếu ăng-ten hướng tính được dùng tại máy phát và máy thu, thì sẽ có độ lợi là Gt và Gr và công suất nhận tăng được hay không là nhờ vào độ lợi của ăng-ten. Một mặt quan trọng khác của công thức (2.1) là từ 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