Chương 6 Đa Truy Nhập Vô Tuyến Trong Môi Trường Phađinh Đa Đường Giáo Trình Đa Truy Nhập Vô Tuyến.pdf

CHƯƠNG 2 TS Nguyễn Phạm Anh Dũng 165 Chương 6 ĐA TRUY NHẬP VÔ TUYẾN TRONG MÔI TRƯỜNG PHAĐINH ĐA ĐƯỜNG 6 1 GIỚI THIỆU CHUNG 6 1 1 Các chủ đề được trình bầy  Tính chất kênh trong các miền không gian, m[.]

Chương 6

ĐA TRUY NHẬP VÔ TUYẾN TRONG MÔI TRƯỜNG

PHAĐINH ĐA ĐƯỜNG 6.1 GIỚI THIỆU CHUNG

6.1.1 Các chủ đề được trình bầy

 Tính chất kênh trong các miền không gian, miền tần số và miền thời gian

 Phân bố Rayleigh và Rice

 Tổn hao đường truyền và che tối

 Các hệ thống tổ ong

 Mô hình kênh phạm vi hẹp

 Các thông số kênh vô tuyến đa đường di động phạm vi hẹp

 Các phương pháp xây dựng mô hình kênh vô tuyến pha đinh và di động

 Các dạng giảm cấp trên đường truyền vô tuyến và các giải pháp chống pha đinh

6.1.2 Hướng dẫn

 Học kỹ các tư liệu được trình bầy trong chương này

 Tham khảo thêm [2], [3]

 Trả lời các câu hỏi và bài tập cuối chương

6.1.3 Mục đích chương

 Hiểu được các ảnh hưởng khác nhau của kênh truyền sóng lên truyền dẫn vô

tuyến di động

 Biết cách tính toán các thông số kênh

 Xây dựng được mô hình kênh truyền sóng

 Hiểu được nguyên lý của một số dạng phân tập điển hình

6.2 MỞ ĐẦU

Kênh vô tuyến của một hệ thống thông tin không dây thường đựơc trình bày bằng khái niệm kênh truyền sóng trực xạ (LOS: Line of Sight) và không trực xạ (NLOS: None

Line of Sight) Trong đường truyền LOS, tín hiệu truyền trực tiếp và đường truyền không

bị che chắn từ máy phát đến máy thu

Các công nghệ truyền dẫn vô tuyến phải được tối ưu hóa để đảm bảo phủ sóng tốt cho điều kiện không trực xạ (NLOS)

Đường truyền LOS đòi hỏi rằng hầu hết vùng Fresnel thứ nhất không có bất kỳ vật chắn nào (xem hình 6.1), vì nếu không đảm bảo điều kiện này thì cường độ tín hiệu sẽ bị suy giảm đáng kể Khoảng hở cần thiết phụ thuộc vào tần số công tác và cự ly giữa máy phát và máy thu

Các vật chắn nằm ngoài vùng giới hạn bởi 0,6 khoảng hở vùng Fresnel thứ nhất

Trạm gốc hệ

thống đa truy

nhập vô tuyến

Trạm thuê bao

Khoảng hở vùng Fresnel thứ nhất 0,6

Khoảng hở vùng Fresnel thứ nhất được xác định bằng đường kính vùng Fresnel thứ nhất:

Hình 6.1 Điều kiện LOS

Trong một đường truyền không trực xạ, tín hiệu đến máy thu qua phản xạ, tán xạ

và nhiễu xạ Tín hiệu tại máy thu gồm các thành phần nhận được từ: (1) đường truyền trực tiếp, (2) các đường phản xạ, tán xạ và nhiễu xạ Các tín hiệu này có các trải trễ, suy hao, phân cực và độ ổn định khác nhau so với tín hiệu của đường trực tiếp

Hiện tượng đa đường có thể dẫn đến thay đổi phân cực vì thế sử dụng phân cực vuông góc cho tái sử dụng tần số như thường thấy trong các triển khai LOS có thể nguy

hiểm trong các điều kiện NLOS

Trong thông tin vô tuyến di động, các đặc tính kênh vô tuyến di đông có tầm quan trọng rất lớn, vì chúng ảnh hưởng trực tiếp lên chất lượng truyền dẫn và dung lượng

Trong các hệ thống vô tuyến thông thường (không phải các hệ thống vô tuyến thích ứng), các tính chất thống kê dài hạn của kênh được đo và đánh giá trước khi thiết kế hệ thống Nhưng trong các hệ thống điều chế thích ứng, vấn đề này phức tạp hơn Để đảm bảo hoạt động thích ứng đúng, cần phải liên tục nhận được thông tin về các tính chất thống kê ngắn hạn thậm chí tức thời của kênh

Các yếu tố chính hạn chế hệ thống thông tin di động bắt nguồn từ môi trường vô tuyến Các yếu tố này là:

 Suy hao Cường độ trường giảm theo khoảng cách Thông thường suy hao nằm trong khoảng từ 50 đến 150 dB tùy theo khoảng cách

 Che tối Các vật cản giữa trạm gốc và máy di động làm suy giảm thêm tín hiệu

 Phađinh đa đường và phân tán thời gian Phản xạ, nhiễu xạ và tán xạ làm méo tín hiệu thu bằng cách trải rộng chúng theo thời gian Phụ thuộc vào băng thông cuả

hệ thống, yếu tố này dẫn đến thay đổi nhanh cường độ tín hiệu và gây ra nhiễu giao thoa giữa các ký hiệu (ISI: Inter Symbol Interference)

 Nhiễu Các máy phát khác sử dụng cùng tần số hay các tần số lân cận khác gây nhiễu cho tín hiệu mong muốn Đôi khi nhiễu được coi là tạp âm bổ sung

Có thể phân các kênh vô tuyến thành hai loại: "phađinh phạm vi rộng" và "phađinh phạm vi hẹp" Các mô hình truyền sóng truyền thống đánh giá công suất trung bình thu được tại các khoảng cách cho trước so với máy phát Đối với các khoảng cách lớn (vài trăm đến vài nghìn m), các mô hình truyền sóng phạm vi rộng được sử dụng Phađinh phạm vi hẹp mô tả sự thăng giáng nhanh sóng vô tuyến theo biên độ, pha và trễ đa đường trong khoảng thời gian ngắn (một và giây) hay trên cự ly di chuyển ngắn (vài bước sóng) Phađinh trong trường hợp này gây ra do truyền sóng đa đường Bức tranh tổng quát về thay đổi cường độ điện trường trong các kênh vô tuyến đựơc cho trên hình 6.2

Khoảng cách

Giảm dần do suy hao

Thay đổi do che tối Phađinh phạm vi rộng

Cường độ tín hiệu

tại anten thu

Thay đổi tín hiệu do phađinh Rayleigh (phađinh phạm vi hẹp)

Hình 6.2 Thay đổi cường độ điện trường tại anten thu do phađinh

6.2 TÍNH CHỌN LỌC CỦA CÁC KÊNH VÔ TUYẾN

Các kênh vô tuyến là các kênh mang tính ngẫu nhiên, nó có thể thay đổi từ các đường truyền thẳng đến các đường bị che chắn nghiêm trọng đối với các vị trí khác nhau Hình 6.3 cho thấy rằng trong miền không gian, một kênh có các đặc trưng khác nhau (biên độ chẳng hạn) tại các vị trí khác nhau Ta gọi đặc tính này là tính chọn lọc không gian (hay phân tập không gian) và phađinh tương ứng với nó là phađinh chọn lọc không gian Hình 6.4 cho thấy trong miền tần số, kênh có các đặc tính khác nhau tại các tần số khác nhau

Ta gọi đặc tính này là tính chọn lọc tần số (hay phân tập tần số) và pha đinh tương ứng với nó là phađinh chọn lọc tần số Hình 6.5 cho thấy rằng trong miền thời gian, kênh có các đặc tính khác nhau tại các thời điểm khác nhau Ta gọi đặc tính này là tính chọn lọc thời gian (hay phân tập thời gian) và phađinh do nó gây ra là phađinh phân tập thời gian Dựa trên các đặc tính trên, ta có thể phân chia phađinh kênh thành: phađinh chọn lọc không gian (phađinh phân tập không gian), phađinh chọn lọc tần số (phađinh phân tập tần số), phađinh chọn lọc thời gian (phân tập thời gian ) Chương này sẽ xét các tính chất kênh trong miền không gian, thời gian và tần số, Ngoài ra chương này sẽ xét đến các nhân tố ảnh hưởng lên chất lượng đường truyền trong môi trường truyền sóng phạm vi

rộng và phạm vi hẹp

Tính chọn lọc không gian của kênh Biên độ

Miền không gian

Hỡnh 6.3 Tớnh chất kờnh trong miền khụng gian

Tính chọn lọc tần số của kênh Biên độ

Miền tần số

Hỡnh 6.4 Tớnh chất kờnh trong miền tần số

Tính chọn lọc thời gian của kênh Biên độ

Miền thời gian

Hỡnh 6.5 Tớnh chất kờnh trong miền thời gian

6.4 ĐIỀU BIẾN TẦN SỐ

Điều biến tần số gõy ra do hiệu ứng Doppler, MS (mobile station: trạm di động) chuyển động tương đối so với BTS dẫn đến thay đổi tần số một cỏch ngẫu nhiờn Do chuyển động tương đối giữa BTS và MS, từng súng đa đường bị dịch tần số (hỡnh 6.6)

S

v d

 d

qi

Hỡnh 6.6 Mụi trường di động và dịch tần Dopler

Ta xột trường hợp khi chỉ một tần số fc được phỏt và mỏy di động thu N tớn hiệu phản xạ Tớn hiệu phản xạ i đến mỏy di động tại gúc tới i so với phương chuyển động sẽ

bị dịch pha như sau (hỡnh 6.6b):

trong đó v là tốc độ cuả MS,  là bước sóng, i là góc tới so với phương chuyển động cuả

là tần số Doppler cực đại hay trải Dopper

Từ phương trình trên ta có thể thấy rằng nếu MS di chuyển về phía sóng tới (i<900) dịch Doppler là dương và tần số thu sẽ tăng, ngược lại nếu MS di chuyển rời xa sóng tới thì dịch Doppler là âm (i>900) và tần số thu được sẽ giảm Vì thế các tín hiệu đa đường đến MS từ các phương khác nhau sẽ làm tăng độ rộng băng tần tín hiệu Khi  và (hoặc)

 thay đổi dịch Doppler thay đổi dẫn đến trải Doppler

Đường bao cuả tín hiệu thu được trong môi trường truyền sóng là một quá trình ngẫu nhiên và được thể hiện bằng các phân bố ngẫu nhiên Phân bố Rayleigh và Rice là các phân bố thường được sử dụng để mô tả môi trường truyền sóng NLOS hoặc NLOS kết hợp LOS Dưới đây ta xẽ xét các phân bố này

6.5 PHÂN BỐ RAYLEIGH VÀ RICE

6.5.1 Phân bố Rayleigh

Trong phần này ta sẽ rút ra công thức cho phân bố Rayleigh cho môi trường NLOS

Ta xét trường hợp chỉ một tần số fc được phát và máy di động nhận được M tín hiệu tán

xạ với cùng thời gian trễ

Tín hiệu tán xạ i đến máy di động tại góc i so với phương chuyển động cuả máy di động sẽ bị dịch Doppler như sau:

i

c di

vf

trong dó v là tốc độ chuyển động của máy di động và c là tốc độ ánh sáng

i là một biến ngẫu nhiên có xác suất phân bố đều với hàm mật độ xác suất như sau:

,( )

Trong đó Ri là biên độ ngẫu nhiên của sóng i, i là pha ngẫu nhiên phân bố đều của sóng

i Ta có thể biểu diễn tần số của sóng i như sau:

M Qi i=1

(t)(t) = arctang

2

u v 2

trong đó , là các giá trị của các biến ngẫu nhiên (t) và (t); J(.) là Jacobi xác định như sau:

Từ (6.17), (6.22) và (6.23) ta được hàm mật độ xác suất của đường bao tín hiệu thu

do ảnh hưởng tán xạ của đường truyền như sau:

nÕu kh¸c

2 2

Ta có thể biểu diễn (6.12) ở dạng hàm phức sau đây:

6.5.2 Phân bố Rice

Giả sử ngoài các tín hiệu tán xạ được xét ở phân bố Rayleigh, máy thu còn nhận được tín hiệu đi thẳng (LOS) Sử dụng (6.12), trong trường hợp này ta có thể biểu diễn tín hiệu thu như sau:

x(t)= A cos2fct+ a1(t)cos2fct-a2(t)sin2fct (6.27)

trong đó A là biên độ của tín hiệu đi thẳng

Ta có thể viết lại (6.27) như sau:

x(t)=a'1(t)cos2fct-a2(t)sin2fct (6.28)

trong đó

Từ (6.29) và nhận xét trong phần trước ta có thể nói rằng a'1(t) là quá trình ngẫu nhiên độc lập phân bố Gauss với trung bình bằng A, phương sai 2 và a2(t) là quá trình ngẫu nhiên độc lập phân bố Gauss trung bình không , phương sai 2

trong đó , là biến và giá trị ngẫu nhiên của quá trình ngẫu nhiên (t);, là biến và giá trị ngẫu nhiên của quá trình ngẫu nhiên (t);

Trong trường hợp này ta không thể biểu diễn hàm mật độ xác suất liên hiệp

,

f (r, ) là tích của hàm mật độ xác suất f() và f(), vì tích cos gồm hai biến  và

 phụ thuộc nhau do các giá trị khác không của A trong các thành phần này

Đễ tìm hàm phân bố xác suất đường bao tín hiệu thu của biến  ta lấy tích phân cho tất cả các giá trị có thể có của  để nhận được hàm mật độ xác suất biên như sau:

2 , 0

A

thấy thành phần trực xạ (LOS : Line of Sight) lớn hơn thành phần không trực xạ (NLOS : None Line of Sight) bao nhiêu lần

Phân bố Rayleigh là trường hợp đặc biệt của phân bố Rice, khi A=0 và I0(0)=1 Đặt

I0(0)=1 vào (6.37) ta được phân bố Rayleigh theo (6.24) Ngoài ra khi A=0, =0 ta được

f() phân bố đều theo phương trình (6.17)

Hình 6.7 cho thấy hàm phân bố xác suất Rayleigh và Rice

2s2=1

f z (b)

b

Hình 6.7 Hàm phân bố mật độ xác suất Rayleigh và Rice

6.6 TỔN HAO ĐƯỜNG TRUYỀN VÀ CHE TỐI

Các thuộc tính trong miền không gian bao gồm: tổn hao đường truyền và chọn lọc không gian Tổn hao đường truyền thuộc loại phađinh phạm vi rộng còn chọn lọc không gian thuộc loại phađinh phạm vi hẹp Các mô hình truyền sóng truyền thống đánh giá công suất thu trung bình tại một khoảng cách cho trước so với máy phát, đánh giá này được gọi là đánh giá tổn hao đường truyền Khi khoảng cách thay đổi trong phạm vi một bước sóng (phạm vi hẹp), kênh thể hiện các đặc tính ngẫu nhiên rất rõ rệt Điều này được gọi là tính chọn lọc không gian (hay phân tập không gian)

Tổn hao đường truyền và che tối ảnh hưởng lên tín hiệu thu trên phạm vi rộng Trong phần này ta sẽ xét các ảnh hưởng này

6.6.1 Tổn hao đường truyền

Mô hình tổn hao đường truyền mô tả suy hao tín hiệu giữa anten phát và anten thu như là một hàm phụ thuộc và khoảng cách và các thông số khác Một số mô hình bao gồm cả rất nhiều chi tiết về địa hình để đánh giá suy hao tín hiệu, trong khi đó một số mô

luật tổn hao theo hàm mũ của khoảng cách được thể hiện như sau: PL d-n Tổn hao đường truyền ảnh hưởng lên công suất thu và chất lượng truyền dẫn

Trong môi trường truyền sóng đồng nhất không có vật chắn hay còn gọi là không gian tự do ta có thể tính tổn hao truyền sóng Lp như sau:

Ta có thể trình bày phương trình (6.41) theo dB như sau:

0

d 1

Ratio) Vì thế trong các hệ thống này chất lượng truyền dẫn phụ thuộc vào một tỷ số xét đến cả hai ảnh hưởng nói trên được gọi là tỷ số tín hiệu trên nhiễu công tạp âm (SINR: Signal to Interference plus Noise Ratio) Trong nhiều trường hợp suy hao đường truyền

có thể lớn dẫn đến giảm tỳ số SNR, nhưng mặt khác lại tăng SIR và kết quả có thể dẫn đến tăng SINR Dưới đây ta sẽ xét thí dụ minh họa điều nói trên

Thí dụ 6.1

Xét đường xuống của một người sử dụng trong hệ thống TTDĐ, trong đó khoảng cách giữa người này với BS phục vụ là 500 m và xung quanh là các BTS gây nhiễu Các BS phát cùng công suất Nếu ba BS gây nhiễu có khoảng cách 1km, ba BTS gây nhiễu khác

có khoảng cách 2km và 10 BTS gây nhiễu còn lại có khoảng cách 4 km Tím tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SIR) theo công thức tính suy hao thực nghiệm khi bỏ qua tạp âm, n=3 và n=5

6.6.2 Che tối

Như đã thấy, các mô hình suy hao đường truyền đều cố gắng xét đến quan hệ phụ

khoảng cách có thể gây ảnh hưởng lớn lên tổng công suất thu Chẳng hạn các cây cối, các tòa nhà giữa máy phát và máy thu có thể gây giảm cấp tức thời cho cường độ trường tín hiệu thu, mặt khác tại một số thời điểm, truyền dẫn trực xạ lại có thể làm tín hiệu tăng cao Vì không thể lập mô hình tổng quát cho tất cả các địa hình khác nhau trong môi trường thông tin di động, nên người ta đưa ra phương pháp để đánh giả ảnh hưởng mang tính ngẫu nhiên này với tên gọi là che tối Công thức để đánh giá suy hao che tối theo thực nghiệm được xác định như sau:

Ta có thể biểu diễn phương trình (6.43) theo dB như sau:

Phương trình (6.46) cho thấy rằng tại mọi giá trị d, Lp tại một vị trí cụ thể có phân

bố log chuẩn xung quang một giá trị trung bình phụ thuộc vào khoảng cách

Sử dụng các phương trình (6.46) và (6.47) ta có thể tính công suất thu Prx khi biết công suất phát theo các phương trình sau:

cả các người sử dụng 16QAM không thông tin đựơc, nhưng khi có che tối họ có thể truyền đựơc trong một khoảng thời gian ngắn Vì thế nếu sử dụng truyền dẫn thích ứng,

ta có thể lợi dụng thời gian thuận lợi này để tăng tốc độ truyền bằng cách sử dụng sơ đồ điều chế bậc cao và tỷ lệ mã cao, còn trong thời gian không thuận lợi sử dụng chế độ

truyền dẫn với điều chế bậc thấp và tỷ lệ mã thấp

6.7 CÁC HỆ THỐNG TỔ ONG

Các phân tích trong phần trước cho thấy do suy hao đường truyền và ở một mức độ nhất định do che tối, tại một công suất phát cực đại cho phép, thông tin chỉ có thể được thực hiện tin cậy trên một khỏang cách giới hạn Trong một hệ thống tổ ong có nhiều trạm BS, hầu hết máy phát gây nhiễu được đặt xa máy phát hữu ích Vì thế công suất gây nhiễu của chúng bị suy hao mạnh hơn công suất tín hiệu hữu ích Tần số càng cao thì suy hao này càng lớn Vì thế ta có thể coi các máy phát hoạt động trên cùng một tần số này là cách ly với nhau trong không gian Quan sát này chính là cơ sở lý thuyết cho việc xây dựng mô hình các hệ thống thông tin di động theo dạng tổ ong

6.7.1 Khái niệm tổ ong

Trong các hệ thống thông tin di động tổ ong, vùng phục vụ được chia thành các vùng địa lý nhỏ hơn được gọi là các ô Để giảm thiểu nhiễu giữa các ô, mức công suất phát của từng trạm BTS được điều chỉnh để chỉ đủ đảm bảo cường độ tín hiệu yêu cầu tại biên giới các ô Khi này nhờ tổn hao đường truyền các ô đủ cách xa nhau sẽ cách ly trong không gian và vì thế chúng có thể làm việc trên cùng một tần số Khoảng cách giữa các ô này thường được gọi là khoảng cách tái sử dụng tần số (vì có thể ấn định lại cùng một kênh tần số cho các ô cách ly nhau về mặt không gian)

Mặc dù không thể đạt được sự cách ly hoàn hảo, tỷ lệ tại đó có thể tái sử dụng tần

số cần được xác định để duy trì nhiễu giữa các BS tại mức cho phép Để đạt được

khoảng cách cực tiểu giữa các các BTS đồng kênh, cần quy hoạch tần số và tái sử dụng tần số một cách thông minh Để đảm bảo yêu cầu này cần thực hiện quy hoạch tần số để xác định thừa số tái sử dụng tần số phù hợp và mẫu tái sử dụng tần số Thừa số tái sử dụng tần số được ký hiệu là f, là tần suất mà tại đó cùng một tần số được sử dụng trên mạng Trong các mạng tổ ong, các ô được nhóm thành các cụm ô với N ô trong mỗi cụm Toàn bộ các tần số khả dụng của mạng được phân chia thành các nhóm kênh cách biệt cho N ô trong từng cụm ô Thừa số tái sử dụng tần số (FRF: Frequency Reuse Factor) được đánh giá bằng 1/N (hay N trong một số tài liêu), trong đó N là tổng số ô mỗi cụm ô Thừa số tái sử dụng tần số cho thấy cùng một tần số được sử dụng lại trong từng cụm N

ô Chẳng hạn các giá trị của thừa số tái sử dụng tần số có thể là 1/3, 1/7, 1/9 và 1/12

(hay 3, 4, 7, 9 và 12 tùy theo cách ký hiệu) Thừa số tái sử dụng tần số bằng một f=1 có

nghĩa là tất cả các ô sử dụng cùng một tần số Hình 6.8 cho thấy mô hình hệ thống tổ ong với f=1/7 Trên hình này mạng tổ ong được chia thành các cụm ô được đóng khung bằng một đường viền tô đậm, trong đó mỗi cụm ô sử dụng toàn bộ băng tần khả dụng Mỗi cụm ô gồm bảy ô được đánh nhãn bằng các chữ cái ( A, B, C, D, E, F, G) thể hiện sử dụng các tập tần số khác nhau trong tổng tần số khả dụng Các ô được đánh nhãn bằng cùng một chữ cái là các ô sử dụng cùng tần số Hệ thống CDMA sự dụng một tần số với các mã trực giao hoàn hảo có thừa số tái sử dụng tần số bằng 1 Các ô thường được mô hình bằng một hình lục giác đều để tiện cho việc phân tích Ta cũng dễ ràng nhận tháy rằng mỗi ô chỉ sử dụng 1/7 tần số trong tổng tần số khả dụng và đây cũng là cơ sở cho định nghĩa hệ số tái sử dụng tần số

Có thể tăng dụng lượng hệ thống tổ ong một cách đơn giản bằng cách giảm kích thước ô và công suất phát trong từng ô Vì thế để tăng dung lượng trong trường hợp này

ta chỉ cần tăng số BTS Khi giảm kích cỡ ô, ta cũng cần giảm công suất phát trong mỗi ô một cách tương xứng Chẳng hạn nếu bán kính ô giảm một nửa khi lũy thừa suy hao n=4,

ta cần giảm mức công suất phát 16 lần hay 12dB (12dB=10lg16)

Vì hệ thống di động tổ ong phải hỗ trợ tính di động, nên cần đảm bảo chuyển giao

êm ả cuộc gọi từ ô này sang ô khác Quá trình chuyển giao này đảm bảo chuyển giao êm

ả một kết nối từ trạm BTS này sang trạm BTS khác Đảm bảo chuyển giao êm ả là một yêu cầu quan trọng trong thiết kế hệ thống tổ ong

Mặc dù việc sử dụng các ô kích thước nhỏ cho phép tăng dung lượng và giảm công suất tiêu thụ, nhưng nhược điểm của nó là phải tăng số lượng BTS và tăng tần suất chuyển giao Ngoài ra lưu lượng trong các ô nhỏ trở nên thay đổi lớn hơn dẫn đến giảm hiệu suất Nói chung khi thiết kế hệ thống ta cần cân đối giữa các yêu tố đối kháng này tùy theo yêu cầu hệ thống

D C

F

D E

F

D E

F

D E

vì thế cải thiện chất lượng đường truyền, tăng dung lượng kênh Tuy nhiên tổng hiệu suất

sử dụng phổ tần sẽ giảm cùng với tăng kích thước cụm N, vì thế cần giảm thiểu N để chỉ duy trì mức SINR thu trên mức cho phép

Vỡ trong mụi trường bị hạn chế bởi nhiễu, cụng suất tạp õm nền khụng đỏng kể so với cụng suất nhiễu, nờn ta cú thể sử dụng SIR thay cho SINR Nếu ký hiệu số ụ gõy nhiễu là NI, ta cú thờ biểu diễn SIR đối với một MS như sau:

1

I

N

i i

1 2

1D

2D

3

Máy di động ở

mép ô

Hỡnh 6.9 Minh hoạ nhiễu kờnh đường xuống đối với kớch thước cụm N=4

Từ hỡnh 6.9, ta cú thể xỏc định tỷ số tớn hiệu trờn nhiễu (SIR) cho Ni ụ gần nhau nhất đối với một MS trong ụ B2 theo phương trỡnh (6.51) khi coi rằng cụng suất phỏt từ cỏc ụ này đều bằng nhau và bỏ qua hiện tượng che tối như sau:

n N n i i

D S I

đường truyền từ ô gây nhiễu thứ i Nếu chỉ xét nhiễu từ sáu ô gần nhất và coi rằng khoảng cách từ chúng đến MS cũng như mũ tổn hao đường truyền là như nhau, ta có thể biểu diễn tỷ số SIR như sau:

0

6

n n D S

min

1 6

Trong đó i ký hiệu cho che tối đường truyền đến từ BSi

Vì một cách gần đúng có thể coi tổng của các biến ngẫu nhiên chuẩn log là một biến ngẫu nhiên chuẩn log, nên một cách gần đúng ta có thể coi mẫu số của (6.56) là một biến ngẫu nhiên chuẩn log và vì thế SIR tuân theo phân bố chuẩn log Vì thế xác suất dưới ngưỡng trong đó SIR giảm xuống thấp hơn một ngưỡng có thể được rút ra từ phân

bố này Nếu trung bình và lệch chuẩn của phân bố chuẩn log là  và sh theo dB thì xác suất dưới ngưỡng được tính theo hàm Q như sau:

BS1 8

0

BS11 BS3 BS6 BS7

BS1 5

Vì thế trong thiết kế hệ thống người ta thường chọn thừa số tái sử dụng tần số thấp hơn

để thỏa mãn xác suất dưới ngưỡng đích mặc dù phải hy sinh hiệu suất sử dụng phổ tần Hình 6.11 giải thích vấn đề nhiễu đồng kênh trong một hệ thống tổ ong khi sử dụng f=1 (tái sử dụng tần số toàn bộ) Hình này cho thấy phân bố các mức SIR trong một ô (vùng sáng tương ứng SIR cao còn vùng tối hơn tương ứng SIR thấp hơn) cho trường hợp f=1 (hình 6.11a) và f=1/3 (hình 6.11b) Hình này đựơc xây dựng dựa trên cấu trúc tổ ong hai lớp với n=3,5 Từ hình này ta thấy trong hầu hết diện tích của ô, SIR rất nhỏ nếu f=1 Vấn đề này có thể được cải thiện nếu ta sử dụng f=1/3 như thấy trên hình 6.11b Tuy nhiên để cải thiện chất lượng đường truyền trong trường hợp này ta phải chịu thiệt về hiệu suất sử dụng phổ tần: băng thông giảm ba lần Trong quá trình quy hoạch tần số ta phải cân đối thông minh giữa việc sử dụng thừa số tái sử dụng tần số cao nhất mà vẫn đảm bảo hầu hết ô có vấn duy trì ít nhất SIR tối thiểu

Hình 6.13 cho thấy phân bố SIR (được biểu thị bằng mức độ tối sáng) trong các ô

ba đoạn cho các trường hợp f=1 và f=1/3 khi Cấu hình giống như trường hợp hình 6.10, ngoại trừ phân đoạn ô được bổ sung So sánh với hình 6.11 ta thấy, phân đoạn ô cải thiện SIR đặc biệt tại biên giới ô, ngay cả khi sử dụng f=1 Nếu sử dụng phân đoạn ô với thừa

số tái sử dụng tần số nhỏ hơn 1, chẳng hạn như trên hình 6.13b với các ô ba đoạn và f=1/3, SIR được cải thiện đáng kể

1 2 3

1 2 3

1

2

3

1 2 3 4 5 6

1 2 3 4 5 6

1 2 3 4 5 6

Mặc dù vấn đề về nhiễu đồng kênh đã tồn tại trong các hệ thống thông tin di động nhiều năm, nhưng tác động của nó lên các hệ thống tổ ong thế hệ sau còn nghiêm trọng hơn do các đòi hỏi về tốc độ số liệu cao, hiệu suất sử dụng phổ tần cao và sự sử dụng nhiều anten Gần đây các nghiên cứu để giải quyết vấn đề này tập trung lên các kỹ thuật

xử lý tín hiệu tiên tiến tại máy thu và tại máy phát nhằm giảm thiểu và loại bỏ nhiễu Mặc

dù các kỹ thuật này có những phẩm chất quan trọng và đang được tích cực nghiên cứu, nhưng chúng có một số các nhược điểm quan trọng khi xem xét bối cảnh thực tiễn của các hệ thống tổ ong tương lai gần như 4G Một số giải pháp ở mức mạng đang được nghiên cứu như: truyền dẫn cộng tác và anten phân bố Các giải pháp này không đòi hỏi

sự hiểu biết nhiều về kênh và và giảm hiệu quả nhiễu từ các ô khác thông qua phân tập vĩ

mô, mặc dù độ lợi có thể thấp hơn giải pháp sử dụng các kỹ thuật xử lý tiên tiến

6.7.4 Dung lượng hệ thống FDMA,TDMA, CDMA

Ta có thể định nghĩa dung lượng kênh của một hệ thống vô tuyến theo nhiều đại lượng đo: như là số kênh hay số người sử dụng cực đại hay Erlang hay kbps có thể được đảm bảo trong một băng tần cố định Dung lượng vô tuyến là một thông số để đo hiệu suất sử dụng phổ tần của một hệ thống vô tuyến Thông số này được xác định trên cơ sở

tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SIR) và băng thông kênh B Trong phần này chúng ta sẽ xét dung lượng cho các hệ thống FDMA, TDMA, CDMA và SDMA Ngoài ra ta cũng so sánh dung lượng giữa các hệ thống FDMA, TDMA và CDMA với nhau

6.7.4.1 Dung lượng các hệ thống FDMA và TDMA

Trong một hệ thống TTDĐ nhiễu tại máy thu trạm gốc suất phát từ các máy

di động MS xung quang ô Nhiễu này được gọi là nhiễu kênh đường lên Đối với MS trạm gốc mong muốn sẽ đảm bảo kênh đường xuống mong muốn trong khi đó các trạm gốc xung quanh sẽ gây ra nhiễu kênh đường xuống

Từ các phương trình (6.50) và (6.54), ta rút ra được hệ số tái sử dụng đồng kênh như sau:

trong đó m là số đo dung lượng vô tuyến, Bt là tổng phổ tần được phân bổ cho hệ thống,

B là băng thông băng tần kênh và N là số ô trong mẫu tái sử dụng tần số Từ phương trình (6.50) và (6.58) ta có N như sau :

2 / n 2

n / 2 min

2 S B

3 I

(S/I)min đối với hệ thống số thấp hơn đối với hệ thống tương tự Thông thường đối với các

hệ thống số băng hẹp SIRmin vào khoảng 12 dB và đối với các hệ thống tương tự điều tần SIRmin vào khoảng 18 dB, giá trị chính xác được xác định bằng các phương pháp kiểm tra chủ quan trong điều kiện truyền sóng thực tế Mỗi tiêu chuẩn của hệ thống vô tuyến

số có SIRmin riêng và để so sánh các hệ thống khác nhau ta cần sử dụng một SIR tương

2 S

3 I

(6.63)

trong đó Kmax là số người sử dụng cực đại trong một ô, M=Bt/B tổng số kênh tần số hay

số kênh tương đương, Bt là tổng băng tần được cấp phát, B là băng thông kênh vô tuyến tương đương cho một người sử dụng: đối với hê thống thông tin di động FDMA thì B chính bằng băng thông kênh vô tuyến còn đối với TDMA thì B = băng thông kênh vô tuyến/ số khe thời gian Chẳng hạn đối với FDMA AMPS thì B=30kHz còn đối với

TDMA GSM thì B = 200kHz/8TS=25kHz N là kích thước cụm ô bằng 2 S

3 I (N=7 đối với FDMA AMPS, N=3 đối với TDMA GSM, S là công suất trung bình sóng mang và I

là công suất nhiễu

6.7.4.2 Dung lượng hệ thống CDMA

nhiên trạm gốc không thể điều khiển công suất cuả các người sử dụng ở các ô lân cận và các người sử dụng này gây nhiễu đồng kênh và bổ sung thêm tạp âm vào tạp âm nền dẫn đến giảm dung lượng của ô

Thừa số tái sử dụng tần số cho CDMA được định nghĩa như sau:

1 1

Định nghĩa hệ số tải UL=(Ptotal-N)/Ptotal và sử dụng phương trình (6.68) ta được:

total UL

pk

k 1 total

1

G P

 

Trường hợp hệ số tải UL=1 ta được dung lượng đỉnh:

p max

G K



trong đó DL là hệ số tải đường xuống, k là hệ số tích cực tiếng , k là hệ số nhiễu từ các

ô lân cận, k là là hệ số trực giao ở đường xuống, Gpk là độ lợi xử lý cho người sử dụng k

Hệ thống CDMA sử dụng các mã ngẫu nhiên đường xuống trực giao để phân biệt các ngừơi sử dụng và nếu không xẩy ra truyền sóng đa đừơng, tính trực giao vẫn đảm bảo khi

MS thu tín hiệu từ BTS Nhưng khi độ phân tán trễ đủ lớn ở kênh vô tuyến, MS sẽ thu nhận một bộ phận cuả tín hiệu từ BTS như là nhiễu đa truy nhập Tính trực giao bằng 1 tương ứng với các ngừơi sử dụng trực giao hoàn hảo Thông thường hệ số trực giao nằm trong khoảng 0,4-0,9 ở các kênh đa đừơng

Nếu K người sử dụng ở ô có tốc độ bit như nhau ta có thể viết phương trình (6.72) ở dạng gàn đúng như sau:

DL

p

.K 1 G

Để xác định  ta có thể phân tích tình trạng nhiễu đường lên ở hệ thống CDMA

bằng cách nghiên cứu các ô được phác hoạ ở hình lục giác như ở hình 6.14 Để đơn giản cho việc phân tích tình trạng nhiễu đường lên, ta giả thiết rằng tất cả các người sử dụng trong ô được phân tích đều ở góc của ô này, vì thế họ cách trạm gốc của ô một khoảng

bằng R bán kính ô

H×nh 6.14 Ba líp « g©y nhiÔu trong mét hÖ thèng CDMA

Ta cũng coi rằng tất cả các người sử dụng ở các ô lân cận đều nẵm ở tâm của các ô này vì thế khoảng cách của họ đến trạm gốc của ô đang xét là 3R cho lớp 1, 3R cho lớp

2 và 2 3R cho lớp 3 (hình 6.14) Ta cũng coi rằng chỉ có ba lớp đầu của các ô xung quanh là gây nhiễu đáng kể và bỏ qua nhiễu của các ô xa hơn

Giả thiết suy hao đường truyền tỷ lệ với mũ n khoảng cách, số người sử dụng ở mỗi

ô là K và stổn hao đường truyên tỷ lệ với lũy thừa n của cự ly, thì nhiễu nội ô và nhiễu đến từ ô khác sẽ là:

Pown= KP r (6.74)

Pother

n r

Trong đó Pr là công suất thu được từ khoảng cách R, n là mũ của tổn hao đường truyền,

Pown là công suất thu được từ chính ô và Pother làcông suất thu được từ ô khác

6.8.1 Mô hình kênh đa đường dựa trên đáp ứng kênh lên xung kim

Đáp ứng kênh lên xung kim (CIR: Channel Impulse Response) là tín hiệu đầu ra kênh khi đầu vào kênh tín hiệu hàm delta (t) (hay còn gọi là xung kim) như trên hình 6.15a Từ hình này ta thấy nếu ti là thời điểm xẩy ra xung kim đầu vào (t-ti), t là thời điểm quan trắc (t>ti) được đáp ứng xung kim đầu ra kênh thì đáp ứng kênh lên xung kim này sẽ là h(ti,t) Nếu coi tín hiệu đầu và kênh là x(t) là tập hợp các mẫu rời rạc tại các thời điểm ti như sau :

i i

t 0 t

t 0 t

Kênh vô tuyến

i

(t t )

Kênh vô tuyến

t t

y(t) lim x(t )h(t , t) t



b) Đáp ứng kênh lên tín hiệu x(t) ở dạng xếp chồng các xung kim

Hình 6.15 Đáp ứng xung kim kênh băng gốc (a) Dáp ứng kênh lên xung kim (CIR), (b) Đáp ứng kênh lên tín hiệu x(t) ở dạng xếp chồng các xung kim biên độ bằng thời điểm lất mẫu x(t): x(t i )

Đặt t-ti= là trễ truyền lan vào h(ti,t) ta được :

Phân tích biểu thức (6.73) ta thấy  là thời gian trễ của CIR và CIR phụ thuộc vào t,

có nghĩa là tại các thời điểm t khác nhau nó có thể khác nhau Ta có thể biểu diễn hàm đáp ứng xung kim kênh trong môi trường phađinh đa đường như sau:

Tại thời điểm t=tk , h(,tk) không phụ thuộc thời gian và CIR có thể được biểu diễn như sau :

Hình 6.16 cho thấy thí dụ về các chớp chụp khác nhau của h(,t) tại các thời điểm t=t0, t1,… và khoảng thời gian trễ max được chia thành L đoạn mẫu h(,t) với độ dài mỗi đoạn =/L.

Ký hiệu =t-ti là trễ truyền sóng và đặt h(ti,t)= h(,t) theo phương trình (6.73) ta có thể biến đổi phương trình (6.78) vào dạng sau :

6.8.2 Mô hình kênh vô tuyến đa đường theo mô hình các elip của Parsons và Bajwa

Để mô tả kênh vô tuyến di động đa đường ta có thể sử dụng mô hình các elip của Parsons và Bajwa trên hình 6.17 Tất cả các elip đều đồng tiêu cự, nghĩa là chúng có cùng các tiêu điểm Tx và Rx, trong trường hợp của ta chúng trùng với vị trí của máy phát (Tx) và máy thu (Rx) Như ta biết, elip là tập hợp cuả các điểm có tổng khoảng cách đến các tiêu điểm bằng nhau, điều này có nghĩa là các đường truyền Tx-A-Rx và Tx-C-Rx trên hình 6.17 có cùng độ dài Tuy nhiên các góc tới tương ứng khác nhau và vì thế các tần số Doppler tương ứng do chuyển động của máy phát (máy thu) cũng sẽ khác nhau Trái lại đối với các đường truyền Tx-A-Rx và Tx-B-Rx có các độ dài khác nhau, nhưng góc tới lại bằng nhau dẫn đến các tần số Doppler cũng bằng nhau

Độ dài đường truyền của từng sóng sẽ xác định trễ truyền sóng và công suất trung bình của sóng tại anten thu Mỗi sóng trong vùng tán xạ được đặc trưng bởi hình elip thứ chịu cùng một trễ truyền sóng

trong đó 0 là trễ truyền sóng của thành phần đi thẳng (LOS),  là trễ truyền sóng và L

ký hiệu cho số lượng các đường truyền khả phân giải có các trễ truyền sóng khác nhau

Để tiện lợi người ta thường đặt 0=0 khi này  được gọi là trễ trội

Hình 6.17 Mô hình kênh vô tuyến đa đường theo mô 6 các elip của Parsons và Bajwa

6.8.3 Mô hình kênh đa đường theo đường trễ đa nhánh

Dựa trên các phân tích trên ta cũng có thể lập mô hình kênh vô tuyến phađinh di động chọn lọc tần số bằng đường trễ đa nhánh (TDL: Tapped Delay Line) như trên hình

Hình 6.18 Mô hình kênh vô tuyến di động bằng được trễ đa nhánh

6.9 CÁC THÔNG SỐ KÊNH VÔ TUYẾN ĐA ĐƯỜNG DI ĐỘNG PHẠM VI HẸP 6.9.1 Hàm tương quan

Từ các mô hình kênh vô tuyến di động được xét ở trên, ta thấy khi máy phát và máy