Tài liệu trình bày khái niệm và phân loại Fading trong thông tin vô tuyến cũng như các biện pháp khắc phục những hạn chế của chúng. Mời các bạn cùng tham khảo bài viết để nắm chi tiết nội dung.
Fading thơng tin vơ tuyến 1. Fading là gì? Fading là hiện tượng sai lạc tín hiệu thu mơt cách bất thường xảy ra đối với các hệ thống vơ tuyến tác đông mơi trường truyền dẫn. Các yếu tố gây ra Fading đối với các hệ thống vơ tuyến măt đất như: Sự thăng giáng của tầng điện ly đối với hệ thống sóng ngắn Sự hấp thụ gây bởi các phân tử khí, hơi nước, mưa, tuyết, sương mù hấp thụ này phụ thc vào dải tần số cơng tác đăc biệt là dải tần cao (>10Ghz) Sự khúc xạ gây bởi sự khơng đổng đều của mật đơ khơng khí Sự phản xạ sóng từ bề măt trái đất, đăc biệt trong trường hợp có bề măt nước và sự phản xạ sóng từ các bất đổng nhất trong khí quyển. Đây cũng là mơt yếu tố dẫn đến sự truyền lan đa đường Sự phản xạ, tán xạ và nhiễu xạ từ các chướng ngại trên đường truyền lan sóng điện từ, gây nên hiện tượng trải trễ và giao thoa sóng tại điểm thu do tín hiệu nhận được là tổng của rất nhiều tín hiệu truyền theo nhiều đường. Hiện tượng này đăc biệt quan trọng trong thơng tindi động Trích dẫn 1 bài viết của thày bình dị thì : 1. Phađinh chỉ có hại chứ sao lại có lợi? Phađinh là sự thăng giáng một cách ngẫu nhiên tín hiệu tại điểm thu. Chỉ cần nói thế này là bạn thấy ngay thơi: Giữa một kênh khơng có phađinh (như kênh hữu tuyến chẳng hạn) và một kênh có phađinh (như kênh vơ tuyến trong bầu khí quyển gần mặt đất, trong đó phađinh là một yếu tố có tính chất cố hữu) thì kênh khơng có pha đinh phải tốt hơn kênh có phađinh chứ? Kênh khơng có phađinh thì tác động tới chất lượng tín hiệu chỉ còn có tạp âm nhiệt AWGN (nên gọi là kênh Gaussian) và là kênh được xem là tốt nhất trong các loại kênh (trường hợp kênh Gaussian rất hãn hữu mới gặp trong thực tế với các kênh vơ tuyến, khi chỉ có một tia LOS giữa máy thu và máy phát, khơng có các tia phụ do phản xạ, nhiễu xạ, khúc xạ hệ số Rice K của kênh rất lớn) 2. Như đã nói, phađinh là một yếu tố có tính chất cố hữu đối với các kênh vơ tuyến trong bầu khí quyển gần mặt đất, khi đó kênh có phađinh dễ xử lý nhất là kênh phađinh phẳng (flat fading) vì phađinh phẳng có thể khắc phục dễ dàng nhờ AGC (Automatic Gain Control) và pha đinh khi đó khơng gây ra cái hiện tượng khốn nạn nhất trong truyền dẫn tín hiệu số là ISI do méo tuyến tính tín hiệu gặp phải với các kênh có phađinh chọn lọc theo tần số (selective fading) rất thường gặp với các kênh có băng thơng tín hiệu rộng (có độ rộng băng tín hiệu lớn hơn độ rộng băng kết hợp hay nhất qn theo cách dịch của các thày bên bưu điện coherent bandwidth of the channel). Mạch san bằng (Equalizer), hay cân bằng theo cách gọi bên bưu điện, lúc đó chỉ có trách nhiệm bù sửa ISI gây bởi trải trễ mà thơi. Tức là phađinh phẳng chỉ là loại phađinh ít khó chịu nhất trong các loại phađinh chứ khơng có nghĩa là phađinh phẳng thì khơng gây hại gì, lại khơng phải tốt cho truyền dẫn tín hiệu 2. Phân loại fading Fading phẳng Fading chọn lọc tần số Fading nhanh Fading chậm Các khái niệm băng tần và băng thơng có thể xem ở đây Chúng được phân loại theo chu kỳ của tín hiệu và băng thơng của tín hiệu dãi nền như sau: Fading phẳng Là Fading mà suy hao phụ thuộc vào tần số là khơng đáng kể và hầu như là hằng số với tồn bộ băng tần hiệu dụng của tín hiệu Fading phẳng thường xảy ra đối với các hệ thống vơ tuyến có dung lượng nhỏ và vừa, do độ rộng băng tín hiệu khá nhỏ nên fading do truyền dẫn đa đường và do mưa gần như là xem khơng có chọn lọc theo tần số Fading phẳng do truyền dẫn đa đường: hình thành do phản xạ tại các chướng ngại cũng như sự thay đổi của độ khúc xạ của khí quyển cường đơ trường thu được ở đầu thu bị suy giảm và di chuyển trong q trình truyền dẫn Trong các hệ thống chuyển tiếp số LOS (LineOfSight), sự biến thiên của đọ khúc xạ là ngun nhân chủ yếu dẫn đến hiện tượng truyền dẫn đa đường mà kết quả của nó là tổn hao Fading thay đổi theo tần số. Tuy nhiên, hệ thống có băng tín hiệu nhỏ nên tín hiệu suy hao fading đa đường là nhỏ nên có thể bỏ qua và fading đa đường được xem là fading phẳng Đối với fading đa đường, việc thực hiện được đánh giá bằng đo cơng suất tín hiệu thu được tại một tần số trong băng tín hiệu. Đặc trưng thống kê của fading phẳng đa đường là phân bố thời gian fading vượt q một mức nào đó Fading phẳng do hấp thụ: Là hiện tượng sóng điện từ bị hấp thụ và bị tán xạ do mưa, tuyết, sưong mù.hay các phần tử khác tổn tại trong mơi trường truyền dẫn nên các tín hiệu vào đầu thu bị suy giảm. Nói chung hiện tượng fading này thay đổi phụ thuộc vào thời gian. Ảnh hưởng của flat fading tác động lên tồn bộ dải tần tín hiệu truyền trên kênh là như nhau, do đó việc tính tốn độ dự trữ fading (fading margin) dễ dàng hơn (các tần số trong băng tần đều bị tác động như nhau thì chỉ việc tăng thêm phát cho tất cả băng tần. Thực tế thì có bộ gọi là tự động điều chỉnh độ lợiAGC (Auto Gain Control) sẽ điều chỉnh mức bù nhiễu này) Fading lựa chọn tần số ( selective fading ) Xảy ra khi băng tần của tín hiệu lớn hơn băng thơng của kênh truyền. Do đó hệ thống tốc độ vừa và lớn có độ rộng băng tín hiệu lớn (lớn hơn độ rộng kênh) sẽ chịu nhiều tác động của selectivefading Nói chung là đối tồn bộ băng thơng kênh truyền thì nó ảnh hưởng khơng đều, chỗ nhiều chỗ ít, chỗ làm tăng chỗ làm giảm cường độ tín hiệu. Loại này chủ yếu do fading đa đường gây ra Tác hại lớn nhất của loại fading này là gây nhiễu lên kí tự ISI. Selective fading tác động lên các tần số khác nhau (trong cùng băng tần của tín hiệu) là khác nhau, do đó việc dự trữ như flat fading là khơng thể. Do đó để khắc phục nó, người ta sử dụng một số biện pháp: 1/Phân tập (diversity): khơng gian (dùng nhiều anten phát và thu) và thời gian (truyền tại nhiều thời điểm khác nhau) 2/ Sử dụng mạch san bằng thích nghi, thường là các ATDE (Adaptive Time Domain Equalizer) với các thuật tốn thích nghi thơng dụng là Cưỡng ép khơng ZF (Zero Forcing) và Sai số trung bình bình phương cực tiểu LMS (Least Mean Square error); 3/Sử dụng mã sửa lỗi để giảm BER (vốn có thể lớn do selective fading gây nên); 4/Trải phổ tín hiệu (phađinh chọn lọc thường do hiện tượng truyền dẫn đa đường (multipath propagation) gây nên, trải phổ chuỗi trực tiếp, nhất là với máy thu RAKE, có khả năng tách các tia sóng và tổng hợp chúng lại, loại bỏ ảnh hưởng của multipath propagation); 5/Sử dụng điều chế đa sóng mang mà tiêu biểu là OFDM (cái của nợ này ngày nay được ứng dụng khắp nơi, trong di động 3G, trong WIFI, WIMAX hay trong truyền hình số mặt đất DVB T ) Nói chung là fading phẳng do mưa mù và đa đường (nếu do hiện tượng đa đường thì chỉ với các kênh băng thơng hẹp), fading chọn lọc thì chủ yếu do fading đa đường và kênh truyền rộng (những ngun nhân khác thì khơng rõ nhưng khi học thì mình chỉ biết là do đa đường thơi) Hiện tượng fading nhiều đường có 1 bài viết riêng ở đây Fading nhanh và fading chậm a/ Ngun nhân: Fading nhanh (fast fading) hay còn gọi là hiệu ứng Doppler, ngun nhân là có sự chuyển động tương đối giữa máy thu và máy phát dẫn đến tần số thu được sẽ bị dịch tần đi 1 lượng delta_f so với tần sơ phát tương ứng f_thu = f_phát. (c + v_thu) / (c+v_phát) => delta_f=abs[f_thuf_phát]=abs[v/(c+v_phát)].f_phát Mức độ dịch tần sẽ thay đổi theo vận tốc tương đối (v) giữa máy phát và thu (tại cùng 1 t/s phát). Do đó hiện tượng này gọi là fading nhanh Tuy nhiên, đó khơng phải là tồn bộ nội dung của fading nhanh mà các hiệu ứng đa đường (multipath) cũng có thể kéo theo sự biến đổi nhanh của mức nhiễu tại đầu thu gây ra fast fading Fading chậm (slow fading): Do ảnh hưởng của các vật cản trở trên đường truyền. VD: tòa nhà cao tầng, ngọn núi, đồi…làm cho biên độ tín hiệu suy giảm, do đó còn gọi là hiệu ứng bóng râm (Shadowing) Tuy nhiên, hiện tượng này chỉ xảy ra trên một khoảng cách lớn, nên tốc độ biến đổi chậm. Hay sự khơng ổn định cường độ tín hiệu ảnh hưởng đến hiệu ứng cho chắn gọi là suy hao chậm. Vì vậy hiệu ứng này gọi là Fading chậm (slow fading) Như vậy, slow fading và fast fading phân biệt nhau ở mức độ biến đổi nhiễu tại anten thu b/ Khắc phục: bằng cách tính tốn đọ dự trữ fading Dự trữ fading che khuất chuẩnlog (dự trữ fading chậm Slow/Shadowing Fading Margin) Khoản này tính được dựa trên xác suất rớt cuộc gọi cho phép do fading chậm gây nên, thường nó là 1% theo nhiều tài liệu. Lượng dự trữ fading chậm này tính được nếu ta có được đường cong mật độ xác suất fading che khuất (dạng chuẩnlog). Cái đường cong mật độ này có được nhờ phương pháp thống kê (nhờ đo bằng drivingtest để có được độ lệch qn phương (zigma) hay còn gọi là độ lệch chuẩn standard deviation của biến ngẫu nhiên mức fading che khuất, và một phân bố chuẩn có kỳ vọng bằng khơng hồn tồn xác định được pdf của nó nếu biết zigma) Dự trữ fading nhanh (Multipath Fading Margin) Cái này có rắc rối hơn đơi chút. Với các hệ thống băng hẹp như GSM (tốc độ dữ liệu trên kênh thấp do chủ yếu chỉ phục vụ dịch vụ thoại và dữ liệu tốc độ thấp) thì multipath fading xem được là flatfading. Khi đó dự trữ fading nhanh có thể xác định được theo phân bố của mức fading nhanh. Với các mơi trường khác nhau, sẽ có các phân bố khác nhau, trải từ phân bố chuẩn (kênh Gauss) hay Ricean (kênh Rice) cho tới Rayleigh (kênh Rayleigh), trong đó kênh Rayleigh là kênh tồi nhất, rất hay gặp trong mơi trường macro khu vực đơ thị. Do vậy, khi tính tốn thiết kế vơ tuyến (tính tốn phủ sóng) người ta thường tính với trường hợp xấu nhất là với kênh Rayleigh. Pdf(Probability Density Function hàm mật độ xác suất) Rayleigh của biến ngẫu nhiên là mức fading nhanh cũng hồn tồn xác định được nếu có được độ lệch qn phương zigma của nó. Cái này (zigma) cũng phải xác định bằng đo lường (drivingtest). Từ đó ta có thể xác định được độ dự trữ fading nhanh để bảo đảm xác suất rớt cuộc gọi do fading nhanh gây ra thấp dưới một mức nào đó, cũng thường là 1% ... gọi là suy hao chậm. Vì vậy hiệu ứng này gọi là Fading chậm (slow fading) Như vậy, slow fading và fast fading phân biệt nhau ở mức độ biến đổi nhiễu tại anten thu b/ Khắc phục: bằng cách tính tốn đọ dự trữ fading Dự trữ fading che khuất chuẩnlog (dự trữ fading chậm Slow/Shadowing Fading Margin)... Fading thay đổi theo tần số. Tuy nhiên, hệ thống có băng tín hiệu nhỏ nên tín hiệu suy hao fading đa đường là nhỏ nên có thể bỏ qua và fading đa đường được xem là fading phẳng Đối với fading đa đường, việc thực hiện được đánh giá bằng đo cơng suất tín hiệu thu được tại... Tác hại lớn nhất của loại fading này là gây nhiễu lên kí tự ISI. Selective fading tác động lên các tần số khác nhau (trong cùng băng tần của tín hiệu) là khác nhau, do đó việc dự trữ như flat fading là khơng thể. Do đó để khắc phục nó, người ta sử dụng một số biện pháp: