Khác với một mạng truyền dẫn có dây, tín hiệu kênh truyền trong thông tin vô tuyến bị tác động bởi nhiều yếu như: fading, nhiễu xạ hay tán xạ do các công trình kiến trúc nằm giữa thiết b
Đặc tính kênh truyền vô tuyến trong hệ thống OFDM
Sự suy giảm tín hiệu (Attenuation)
Sự suy giảm tín hiệu là sự suy hao mức công suất tín hiệu trong quá trình truyền từ điểm này đến điểm khác Điều này có thể là do đường truyền dài, do các tòa nhà cao tầng và hiệu ứng đa đường Hình 1.1 222 cho thấy một số nguyên nhân làm suy giảm tín hiệu Bất kì một vật cản nào trên đường truyền đều có thể làm suy giảm tín hiệu
Hình 1.1: Ảnh hưởng của môi trường vô tuyến lên suy giảm tín hiệu
Hiệu ứng đa đường
Trong đường truyền vô tuyến, tín hiệu RF từ máy phát có thể bị phản xạ từ các vật cản như đồi, nhà cửa, xe cộ…sinh ra nhiều đường tín hiệu đến máy thu (hiệu ứng đa đường) dẫn đến lệch pha giữa các tín hiệu đến máy thu làm cho biên độ tín hiệu thu bị suy giảm Hình 1.2 chỉ ra một số trường hợp mà tín hiệu đa đường có thể xảy ra
Hình 1.2: Ảnh hưởng của môi trường vô tuyến lên hiệu ứng đa đường
Sự tương quan về pha giữa các tín hiệu phản xạ có thể dẫn đến nhiễu có cấu trúc hoặc không cấu trúc Mức suy giảm tín hiệu có thể thay đổi 10-30dB trong một khoảng cách ngắn do fading nhanh này, thường chỉ bằng một nửa bước sóng mang Hình 1.3 minh họa các mức độ suy giảm khác nhau do fading.
Hình 1.3: Fading Rayleigh khi thiết bị di động di chuyển (ở tần số 900MHz)
Phân bố Rayleigh được sử dụng để mô tả thời gian thống kê của công suất tín hiệu thu Nó mô tả xác suất của mức tín hiệu thu được do fading Bảng 1.1 chỉ ra xác suất của mức tín hiệu đối với phân bố Rayleigh
Bảng 1.1: Sự phân bố lũy tích đối với phân bố Rayleigh
Xác suất của mức tín hiệu nhỏ hơn giá trị cho phép (%)
• Fading lựa chọn tần số
Trong bất kỳ đường truyền vô tuyến nào, đáp ứng phổ không bằng phẳng do có sóng phản xạ đến đầu vào máy thu Sự phản xạ có thể dẫn đến tín hiệu đa đường của công suất tín hiệu tương tự như tín hiệu trực tiếp gây suy giảm công suất tín hiệu thu do nhiễu Toàn bộ tín hiệu có thể bị mất trên đường truyền băng hẹp nếu không có đáp ứng tần số xảy ra trên kênh truyền Có thể khắc phục bằng hai cách :
- Truyền tín hiệu băng rộng hoặc sử dụng phương pháp trải phổ như CDMA nhằm giảm bớt suy hao
- Phân toàn bộ băng tần thành nhiều kênh băng hẹp, mỗi kênh có một sóng mang, mỗi sóng mang này trực giao với các sóng mang khác (tín hiệu OFDM) Tín hiệu ban đầu được trải trên băng thông rộng, không có phổ xảy ra tại tất cả tần số sóng mang Kết quả là chỉ có một vài tần số sóng mang bị mất Thông tin trong các sóng mang bị mất có thể khôi phục bằng cách sử dụng các kỹ thuật sửa lỗi thuận FEC
Tín hiệu vô tuyến thu được từ máy phát bao gồm tín hiệu trực tiếp và tín hiệu phản xạ từ các vật cản như các tòa nhà, đồi núi…Tín hiệu phản xạ đến máy thu chậm hơn so với tín hiệu trực tiếp do chiều dài truyền lớn hơn Trải trễ là thời gian trễ giữa tín hiệu đi thằng và tín hiệu phản xạ cuối cùng đến đầu vào máy thu
Trong hệ thống số, trải trễ có thể dẫn đến nhiễu liên ký tự ISI Điều này do tín hiệu đa đường bị trễ chồng lấn với ký hiệu theo sau, và nó có thể gây ra lỗi nghiêm trọng ở các hệ thống tốc độ bit cao, đặc biệt là khi sử dụng ghép kênh phân chia theo thời gian TDMA
Hình 1.4: Trải trễ đa đường
Tốc độ bit truyền đi càng cao thì nhiễu liên kí tự (ISI) tăng đáng kể, đặc biệt khi độ trễ lớn hơn khoảng 50% thời gian bit (chu kỳ bit).
Bảng 1.2 đưa ra các giá trị trải trễ thông dụng đối với các môi trường khác nhau Trải trễ lớn nhất ở môi trường bên ngoài xấp xỉ là 20μs, do đó nhiễu liên kí tự có thể xảy ra đáng kể ở tốc độ thấp nhất là 25Kbps
Bảng 1.2: Các giá trị trải trễ thông dụng
Môi trường Trải trễ Chênh lệch quãng đường đi lớn nhất của tín hiệu
Nhiễu ISI có thể được tối thiểu hóa bằng nhiều cách:
• Giảm tốc độ ký tự bằng cách giảm tốc độ dữ liệu cho mỗi kênh ( như chia băng thông ra nhiều băng con nhỏ hơn sử dụng FDM hay OFDM)
• Sử dụng kỹ thuật mã hóa để giảm nhiễu ISI như trong CDMA.
Dịch Doppler
Khi nguồn tín hiệu và bên thu chuyển động tương đối với nhau, tần số tín hiệu thu không giống bên phía phát Khi chúng di chuyển cùng chiều (hướng về nhau) thì tần số nhận được lớn hơn tần số tín hiệu phát, và ngược lại khi chúng di chuyển ra xa nhau thì tần số tín hiệu thu được là giảm xuống Đây gọi là hiệu ứng Doppler
Khoảng tần số thay đổi do hiệu ứng Doppler tùy thuộc vào mối quan hệ chuyển động giữa nguồn phát và nguồn thu và cả tốc độ truyền sóng Độ dịch Doppler có thể được tính theo công thức: f c f ≈ ± o ν Δ
Trong đó Δf là khoảng thay đổi tần số của tần số tín hiệu tại máy thu ν là tốc độ thay đổi khác nhau giữa tần số tín hiệu và máy phát f o là tần số tín hiệu, c là tốc độ ánh sáng
Biến đổi Doppler lại là một vấn đề nan giải trong trường hợp các kỹ thuật truyền sóng bị nhiễu bởi tần số sóng mang (chẳng hạn như OFDM) hoặc tốc độ tương đối giữa đầu thu và đầu phát ở mức cao như trường hợp vệ tinh quay quanh Trái Đất trên quỹ đạo thấp.
Nhiễu AWGN
Nhiễu tồn tại trong tất cả các hệ thống truyền dẫn Các nguồn nhiễu chủ yếu là nhiễu nền nhiệt, nhiễu điện từ các bộ khuếch đại bên thu, và nhiễu liên ô (inter- cellular interference) Các loại nhiễu này có thể gây ra nhiễu liên kí tự ISI, nhiễu liên sóng mang ICI và nhiễu liên điều chế IMD (Inter-Modulation Distortion) Nhiễu này làm giảm tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR, giảm hiệu quả phổ của hệ thống
Và thực tế là tùy thuộc vào từng loại ứng dụng, mức nhiễu và hiệu quả phổ của hệ thống phải được lựa chọn
Hầu hết các loại nhiễu trong các hệ thống có thể được mô phỏng một cách chính xác bằng nhiễu trắng cộng Hay nói cách khác tạp âm trắng Gaussian là loại nhiễu phổ biến nhất trong hệ thống truyền dẫn Loại nhiễu này có mật độ phổ công suất là đồng đều trong cả băng thông và biên độ tuân theo phân bố Gaussian Theo phương thức tác động thì nhiễu Gaussian là nhiễu cộng Vậy dạng kênh truyền phổ biến là kênh truyền chịu tác động của nhiễu Gaussian trắng cộng
Nhiễu nhiệt (sinh ra do sự chuyển động nhiệt của các hạt tải điện gây ra) là loại nhiễu tiêu biểu cho nhiễu Gaussian trắng cộng tác động đến kênh truyền dẫn Đặc biệt, trong hệ thống OFDM, khi số sóng mang phụ là rất lớn thì hầu hết các thành phần nhiễu khác cũng có thể được coi là nhiễu Gaussian trắng cộng tác động trên từng kênh con vì xét trên từng kênh con riêng lẻ thì đặc điểm của các loại nhiễu này thỏa mãn các điều kiện của nhiễu Gaussian trắng cộng.
Nhiễu liên ký tự ISI
Nhiễu ISI và ICI là hai loại nhiễu thường gặp nhất do ảnh hưởng của kênh truyền ngoài nhiễu Gaussian trắng cộng Như đã giới thiệu ở trên, ISI gây ra do trải trễ đa đường Để giảm ISI, cách tốt nhất là giảm tốc độ dữ liệu Nhưng với nhu cầu hiện nay là yêu cầu tốc độ truyền phải tăng nhanh Do đó giải pháp này là không thể thực hiện được Đề nghị đưa ra để giảm ISI và đã được đưa vào ứng dụng thực tế là chèn tiền tố lặp CP vào mỗi ký tự OFDM Ngoài nhiễu ISI, nhiễu ICI cũng tác động không nhỏ đến chất lượng tín hiệu thu được, do đó việc tìm hiểu nó cũng rất quan trọng để nâng cao chất lượng của hệ thống OFDM
Trong môi trường đa đường, ký tự phát đến đầu vào máy thu với các khoảng thời gian khác nhau thông qua nhiều đường khác nhau Sự mở rộng của chu kỳ ký tự gây ra sự chồng lấn giữa ký tự hiện thời với ký tự trước đó và kết quả là có nhiễu liên ký tự (ISI) Trong OFDM, ISI thường đề cập đến nhiễu của một ký tự OFDM với ký tự trước đó.Trong hệ thống OFDM, để giảm được nhiễu ISI, phương pháp đơn giản và thông dụng nhất là đưa vào tiền tố lặp CP.
Nhiễu liên sóng mang ICI
Trong OFDM, phổ của các sóng mang chồng lấn nhưng vẫn trực giao với sóng mang khác Điều này có nghĩa là tại tần số cực đại của phổ mỗi sóng mang thì phổ của các sóng mang khác bằng không Máy thu lấy mẫu các ký tự dữ liệu trên các sóng mang riêng lẻ tại điểm cực đại và điều chế chúng tránh nhiễu từ các sóng mang khác Nhiễu gây ra bởi các dữ liệu trên sóng mang kế cận được xem là nhiễu xuyên kênh (ICI) như ở hình 1.5
ICI xuất hiện khi kênh đa đường thay đổi theo thời gian ký tự OFDM Hiệu Doppler trên mỗi thành phần đa đường gây ra sự dịch chuyển tần số ở mỗi sóng mang, dẫn đến mất tính trực giao giữa chúng Hơn nữa, ICI xảy ra khi ký tự OFDM bị nhiễu ISI Cuối cùng, sự lệch tần số giữa sóng mang của máy phát và máy thu cũng gây ra nhiễu ICI trong hệ thống OFDM.
Hình 1.5: Lỗi dịch tần số gây nhiễu ICI trong hệ thống OFDM
Phân bố Rayleigh và Ricean
Khi nghiên cứu các kênh vô tuyến di động, thường các phân bố Rayleigh và Ricean được sử dụng để mô tả tính chất thống kê thay đổi theo thời gian của tín hiệu phading phẳng Trong phần này, ta sẽ xét các phân bố này và đưa ra các tính chất của chúng
Trong các đường truyền vô tuyến, tín hiệu RF từ nơi truyền sẽ bị phản xạ bởi nhà cửa và các vật chắn trên đường truyền … Điều này sẽ làm tăng bội số đường truyền tại máy thu
Nếu giữa anten phát và anten thu không có đường truyền tầm nhìn thẳng (LOS) thì tia phát được thu bằng nhiều đường cong khác nhau do phản xạ, nhiễu xạ, tán xạ Do vậy điện trường tổng hợp thu được lớn hơn nhiều so với tia tương tự truyền trong không gian tự do
Ngoài ra, các thăng giáng tức thời của điện trường thu được phức tạp hơn so với tương tác 2 tia do nhiễu từ nhiều đường truyền thông Hiện tượng này gọi là phading Rayleigh
Ta có thể xem phân bố phading Rayleigh là phân bố đường bao của tổng 2 tín hiệu phân bố GAUSS vuông góc Hàm mật độ xác suất (PDF) của phân bố phading Rayleigh được biểu diễn như sau:
Trong đó, β là biến ngẫu nhiên của điện áp đường bao tín hiệu thu và r là giá trị của biến này, σ là giá trị trung bình quân phương của tín hiệu thu của từng thành phần Gauss, σ 2 là công suất trung bình theo thời gian của tín hiệu thu của từng thành phần Gauss
Giá trị trung bình, β tb của phân bố Rayleigh trở thành: π σ σ β 1,253
Phương sai của phân bố Rayleigh, σ r 2 (thể hiện thành phần công suất xoay chiều trong đường bao) được xác định như sau:
Khi tín hiệu thu có thành phần ổn định (không bị phading) vượt trội, đường truyền trực tiếp (Line of sight), phân bố phading đường bao phạm vi hẹp có dạng phân bố Ricean
Trong phân bố Ricean, các thành phần đa đường đến máy thu theo các góc khác nhau và xếp chồng lên tín hiệu vượt trội này
Phân bố Ricean được biểu diễn như sau:
Trong đó A là biên độ đỉnh của tín hiệu vượt trội và I 0 (.)là hàm Bessel cải tiến loại một bậc 0 được xác định như sau: dt e y
(1.6) Phân bố Ricean thường được mô tả bằng thừa số K như sau:
K=(Công suất trong các đường vượt trội/công suất trong các đường tán xạ)= 2
Khi K tiến đến 0 thì kênh suy thoái thành kênh Rayleigh, khi K tiến đến vô hạn thì kênh chỉ có đường trực tiếp
Hình 1.6: Pdf Ricean với K=0(rayleigh), và K=2,4,8,16,32
Hình 1.7: Xác suất P(A 2