Thông thường, kênh vô tuyến của một hệ thống truyền thông không dây được mô tả hoặc ở kiểu tầm nhìn thẳng (LOS) hoặc không theo tầm nhìn thẳng (NLOS). Trong một đường truyền LOS, tín hiệu đi theo đường trực tiếp và không có chướng ngại vật giữa phía phát và phía thu. Một đường truyền LOS yêu cầu phải có đặc tính là toàn bộ miền Fresnel thứ nhất không hề có chướng ngại vật (hình 1), nếu đặc tính này không được đảm bảo thì cường độ của tín hiệu sẽ suy giảm đáng kể. Không gian miền Fresnel phụ thuộc vào tần số hoạt động và khoảng cách giữa trạm phát và trạm thu.
Hình 4.1: Miền Fresnel cho trường hợp LOS
Trên một đường truyền NLOS, tín hiệu tới phía thu thông qua sự phản xạ, tán xạ và nhiễu xạ. Các tín hiệu nhận được ở phía thu bao gồm sự tổng hợp các
thành phần nhận được từ đường đi trực tiếp, các đường phản xạ, năng lượng tán xạ và các thành phần nhiễu xạ. Những tín hiệu này có những khoảng trễ, sự suy giảm, sự phân cực và trạng thái ổn định liên quan tới đường truyền trực tiếp là khác nhau.
Hình 4.2. Truyền sóng trong điều kiện NLOS
Hiện tượng đa đường cũng có thể là nguyên nhân dẫn đến sự thay đổi phân cực tín hiệu. Do đó sử dụng phân cực cũng như sử dụng lại tần số mà được thực hiện bình thường trong triển khai LOS lại khó khăn trong các ứng dụng NLOS.
Làm thế nào để một hệ thống vô tuyến sử dụng những tín hiệu đa đường này để cung cấp một dịch vụ đảm bảo trong điều kiện NLOS. Một sản phẩm đơn thuần chỉ tăng công suất để xuyên qua được vật cản (đôi khi gọi là “gần tầm nhìn thẳng”) không phải là công nghệ NLOS bởi vì cách tiếp cận này vẫn dựa vào cường độ tín hiệu đi trực tiếp (direct path) mà không tính đến cường độ của tín hiệu đi gián tiếp (indirect path). Điều kiện phủ sóng của cả LOS và NLOS bị chi phối bởi các đặc tính truyền sóng của môi trường, tổn hao đường truyền (path loss) và quỹ đường truyền vô tuyến.
Một số ưu điểm mà NLOS mong muốn triển khai được. Ví dụ, các yêu cầu hoạch định chính xác và các hạn chế độ cao anten thường không cho phép anten được đặt ở các vị trí thuận lợi cho LOS. Do mạng tế bào không ngừng mở rộng trong khi sử dụng lại tần số ngày càng có hạn, hạ thấp các anten chính là ưu điểm để giảm nhiễu đồng kênh giữa các cell lân cận. Tuy nhiên điều này lại làm cho các trạm gốc phải hoạt động trong điều kiện NLOS. Các hệ thống LOS không thể hạ thấp độ cao của anten bởi làm thế sẽ ảnh hưởng đến tầm nhìn thẳng từ CPE (thiết bị tại nhà khách hàng) tới trạm gốc.
Công nghệ NLOS cũng giảm được chi phí cài đặt do CPE có thể cài đặt được ở nhiều điều kiện địa hình phức tạp. Không những thế, công nghệ này cũng
giảm thiểu được yêu cầu khảo sát vị trí trạm (trước khi lắp đặt) và nâng cao độ chính xác của các công cụ hoạch định NLOS.
Hình 4.3. Vị trí CPE ở điều kiện không theo tầm nhìn thẳng NLOS
Chính công nghệ NLOS và các đặc tính cao cấp trong WiMAX làm nó có thể sử dụng thiết bị tại nhà của khách hàng – CPE. Điều này có hai trở ngại chính: thứ nhất là phải khắc phục được tổn hao thâm nhập toà nhà, thứ hai là phủ sóng được tới các khoảng hợp lý với công suất phát thấp hơn và độ lợi anten phù hợp với các CPE trong nhà. WiMAX cho phép thực hiện được điều này và phạm vi phủ sóng của NLOS còn có thể được cải tiến hơn nữa nhờ sử dụng các tính năng tuỳ chọn của WiMAX.
4.2.1 Các giải pháp công nghệ NLOS
Công nghệ WiMAX đã giải quyết hoặc làm giảm nhẹ các trở ngại do NLOS bằng cách sử dụng:
Công nghệ OFDM
Kênh con hoá (sub-channelization)
Anten định hướng
Phân tập thu và phát
Điều chế thích nghi
Các kỹ thuật hiệu chỉnh lỗi
Điều khiển công suất
4.2.2 Công nghệ OFDM
Công nghệ ghép kênh phân chia theo tần số trực giao – OFDM đem lại cho các nhà khai thác hiệu quả đáng kể khả năng khắc phục khó khăn khi truyền sóng trong điều kiện NLOS. Dạng sóng OFDM trong WiMAX có ưu điểm là hoạt động được trong môi trường NLOS với trễ lan truyền lớn. Nhờ ưu điểm của thời biểu trưng OFDM và sử dụng một tiền tố vòng, dạng sóng OFDM đã loại bỏ được các vấn đề nhiễu liên biểu trưng (inter-symbol interference – ISI) và sự phức tạp của sự cân bằng thích nghi. Bởi vì dạng sóng OFDM bao gồm nhiều sóng mang trực giao băng hẹp, fading lựa chọn được định vị cho một tập con các
sóng mang tương đối dễ cân bằng. Một ví dụ chỉ ra dưới đây sẽ so sánh giữa một tín hiệu OFDM và một tín hiệu sóng mang đơn, với thông tin được gửi song song cho OFDM và hàng loạt sóng mang đơn.
Vùng nét chấm biểu diễn phổ phát,vùng nét liền biểu diễn đầu vào phía thu
Hình 4.4 Sóng mang đơn và tín hiệu thu OFDM
Khả năng khắc phục trễ, đa đường và ISI một cách có hiệu quả cho phép tăng tốc độ dữ liệu. Một ví dụ chỉ ra việc cân bằng các sóng mang OFDM riêng lẻ dễ dàng hơn so với việc cân bằng tín hiệu sóng mang đơn.
Vì tất cả những lý do này, các tiêu chuẩn quốc tế đần đây (IEEE, 802.16, ETSI BRAN, ETRI) thiết lập OFDM như một công nghệ để lựa chọn.
4.2.3 Kênh con hóa
Kênh con hoá (sub-channelization) trên đường lên là tuỳ chọn trong công nghệ WiMAX, khi không sử dụng kênh con hoá, những sự hạn chế điều tiết và yêu cầu các CPE chi phí hiệu quả gây lên quỹ đường truyền không đối xứng, điều này cũng dẫn đến phạm vi hệ thống trên đường truyền lên bị hạn chế. Kênh con hoá cho phép quỹ đường truyền được cân bằng làm cho độ lợi (gain) của hệ thống là tương tự nhau đối với cả đường truyền lên và xuống. Kênh con hoá tập trung ông suất phát vào một vài sóng mang OFDM; điều này làm tăng độ lợi hệ thống và mở rộng hệ thống, khắc phục được tổn hao thâm nhập toà nhà hoặc giảm công suất tiêu thụ của CPE. Việc sử dụng kênh con hoá còn được mở rộng hơn trong truy nhập đa sóng mang phân chia theo tần số trực giao (OFDMA) cho phép sử dụng linh hoạt hơn tài nguyên cung cấp cho di động.
Hình 4. 5: Hiệu ứng kênh con hoá (sub channelization) 4.2.4 Anten trong các ứng dụng không dây cố định
Các anten định hướng tăng độ dự trữ (fade margin) bằng cách thêm vào độ lợi, điều này làm tăng độ khả dụng của đường truyền được chỉ ra bởi hệ số K - hệ số so sánh giữa anten định hướng và anten đẳng hướng. Độ trễ truyền dẫn sẽ giảm bởi anten định hướng tại cả trạm gốc và CPE. Mô hình anten ngăn bất kỳ tín hiệu đa đường nào nhận được tại búp sóng chính (sidelobes) và búp sóng phụ (backlobes). Mức độ hiệu quả của phương pháp này được chứng minh và thể hiện ở việc triển khai thành công dịch vụ vận hành dưới sự ảnh hưởng đáng kể của fading NLOS.
Các hệ thống anten thích ứng (Adaptive antenna systems – AAS) là một phần tuỳ chọn trong chuẩn 802.16. Chúng có các thuộc tính tạo tia mà có thể hướng sự tập chung vào một hoặc nhiều hướng xác định. Điều này có nghĩa là trong khi truyền, tín hiệu có thể bị giới hạn tới hướng yêu cầu của bộ thu như một tia sáng. Ngược lại khi thu, hệ thống AAS có thể được thiết kế để chỉ tập chung vào hướng tín hiệu đến. Chúng cũng có đặc tính khử nhiễu đồng kênh từ các trạm khác. Các hệ thống AAS được coi là sự phát triển trong tương lai và thậm chí có thể cải tiến đế tái sử dụng lại phổ và dung lượng của mạng WiMAX.
4.2.5 Phân tập thu phát
Nguyên lý phân tập được sử dụng để thu những tín hiệu đa đường và phản xạ xuất hiện trong trường hợp truyền NLOS. Phân tập là một đặc điểm tuỳ chọn trong WiMAX. Thuật toán phân tập được cung cấp bởi WiMAX trên cả phía phát và phía thu làm tăng độ khả dụng của hệ thống. Tuỳ chọn phân tập trong WiMAX sử dụng mã hoá không gian thời gian để cung cấp tính độc lập nguồn phát; điều này làm giảm yêu cầu về dự trữ suy giảm và chống nhiễu. Đối với phân tập thu, các kỹ thuật kết hợp khác nhau có sẵn cải thiện được độ khả dụng của hệ thống. Ví dụ, tỉ số truyền kết hợp cực đại (Maximum Radio Combining – MRC) mang lại lợi ích cho hai chuỗi thu khác nhau giúp khắc phục fading và giảm tổn hao đường truyền. Phân tập đã được chứng minh là một công cụ hiệu quả cho truyền NLOS.
4.2.6 Điều chế thích nghi
Điều chế thích nghi (adaptive modulation) cho phép hệ thống WiMAX điều chỉnh nguyên lý điều chế tín hiệu theo tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) của đường truyền vô tuyến. Khi đường truyền vô tuyến có chất lượng cao, nguyên lý điều chế cao nhất được sử dụng làm tăng thêm dung lượng hệ thống. Trong quá trình suy giảm tín hiệu, hệ thống WiMAX có thể chuyển sang một nguyên lý điều chế thấp hơn để duy trì chất lượng và sự ổn định của đường truyền. Đặc điểm này cho phép hệ thống khắc phục hiệu ứng fading lựa chọn thời gian. Đặc điểm quan trọng của điều chế thích nghi là khả năng tăng dải sử dụng của nguyên lý điều chế ở mức độ cao hơn, do đó hệ thống có tính mềm dẻo đối với tình trạng fading thực tế.
Tương quan bán kính cell trong điều chế thích nghi
Hình 4.6. Bán kính cell
4.2.7 Các kỹ thuật hiệu chỉnh lỗi
Các kỹ thuật hiệu chỉnh lỗi đã được kết hợp vào WiMAX để giảm yêu cầu tỉ lệ SNR của hệ thống. Mã hoá xoắn vòng Reed Solomon FEC và các thuật toán ghép xen được sử dụng để phát hiện và hiệu chỉnh các lỗi để cải tiến thông lượng. Các kỹ thuật hiệu chỉnh lỗi tốt giúp khôi phục lại các khung bị lỗi đó là các khung bị mất do fading lựa chọn tần số hoặc lỗi cụm. Thuật toán yêu cầu tự động gửi lại – ARQ được sử dụng để hiệu chỉnh các lỗi mà không sửa được bằng thuật toán FEC. Thuật toán này đã cải tiến đáng kể hiệu suất BER đối với cùng một mức ngưỡng.
4.2.8 Điều khiển công suất
Các thuật toán điều khiển công suất được sử dụng để cải tiến hiệu suất tổng thể của hệ thống, nó được thực hiện nhờ trạm gốc gửi thông tin điều khiển công suất tới từng CPE để ổn định mức công suất phát sao cho mức thu được tại trạm gốc luôn ở mức định trước.
Trong một môi trường fading thay đổi không ngừng mức hiệu suất định trước này có nghĩa là CPE chỉ truyền đủ công suất theo yêu cầu, ngược lại mức công suất phát của
CPE sẽ không phù hợp. Công suất phát sẽ làm giảm năng lượng tiêu thụ tổng của CPE và nhiễu tiềm ẩn từ các trạm gốc lân cận. Với LOS, công suất phát của CPE xấp xỉ tỉ lệ với khoảng cách của nó tới trạm gốc, với NLOS nó phụ thuộc rất nhiều vào khoảng trống và trướng ngại vật.
4.2.9 Các mô hình truyền NLOS
Trong một kênh NLOS, tín hiệu có thể bị tán xạ, nhiễu xạ, thay đổi sự phân cực, và suy giảm do phản xạ. Các nhân tố này sẽ ảnh hưởng đến cường độ của tín hiệu thu. Trong kênh LOS, những suy giảm này thường không xuất hiện ở phía phát và thu.
4.2.9.1 Các mô hình NLOS
Trong những năm vừa qua, nhiều loại mô hình đã được phát triển nhằm đặc tính hoá môi trường vô tuyến và dự đoán cường độ tín hiệu vô tuyến. Những mô hình kinh nghiệm này được sử dụng để dự đoán vùng phủ sóng diện rộng cho các hệ thống truyền thông vô tuyến trong các ứng dụng mạng tế bào. Những mô hình này đã ước tính được tổn hao đường truyền (path loss) có tính đến khoảng cách giữa phía thu và phía phát, yếu tố địa hình, độ cao anten thu phát và tần số sóng mang. Nhưng không một cách tiếp cận nào trong số trên chỉ ra được nhu cầu mạng không dây cố định băng rộng một cách hợp lý.Nhóm Wireless AT&T đã thu thập thêm dữ liệu hiện trường từ một số khu vực tại Mỹ để ước lượng một cách chính xác hơn môi trường vô tuyến RF không dây cố định. Mô hình của nhóm Wireless AT&T đã được phê chuẩn (tương phản với các hệ thống vô tuyến cố định) và thu được kết quả đáng kể. Mô hình này là cơ sở của mô hình thừa nhận công nghiệp (industry-accepted) và được sử dụng chính cho các chuẩn IEEE802.16. Sự thừa nhận của IEEE với mô hình của nhóm Wireless AT&T được gọi là IEEE802.16.3c- 01/29r4. “Các mô hình kênh cho các ứng dụng vô tuyến cố định của Erceg”
4.2.9.2 Các mô hình SUI
Mô hình SUI (Stanford University Interim) chính là mô hình mở rộng của nhóm Wireless AT&T và Erceg.
Nó sử dung ba loại địa hình cơ bản:
Loại A - Đồi núi/ có mật độ cây cối từ vừa đến rậm rạp
Loại B - Đồi núi/ mật độ cây cối thưa hoặc địa hình phẳng/ có mật độ cây cối từ vừa đến rậm rạp
Loại C - Địa hình phẳng/ mật độ cây cối thưa
Các loại địa hình trên cung cấp một phương pháp đơn giản để đánh giá chính xác hơn suy hao đường truyền của các kênh vô tuyến (RF channel) trong điều kiện NLOS. Mô hình đã được thống kê trong thực tế và chứng tỏ nó có thể biểu diễn đúng dải suy hao trong một đường truyền vô tuyến thực tế.
Các mô hình kênh SUI đã được lựa chọn để thiết kế, xây dựng và kiểm thử cho công nghệ WiMAX với 6 kịch bản khác nhau (từ SUI-1 đến SUI-6). Sử dụng các mô hình kênh này có thể dự đoán chính xác khả năng phủ sóng của một
sector trạm gốc, và các ước tính khả năng phủ sóng lại được sử dụng để tiếp tục hoạch định mạng. Lấy ví dụ, nó có thể được sử dụng để xác định số các trạm gốc cần thiết cung cấp dịch vụ cho một vùng địa lý xác định. Các mô hình này không phải là các hoạch định chi tiết của trạm nhưng nó có thể đưa ra một ước tính trước khi quá trình hoạch định bắt đầu. Điều này rất quan trọng cho các hoạt động quy hoạch tần số vô tuyến RF mà có tính đến các tham số do môi trường, nhiễu đồng kênh, và các hiệu ứng địa hình, nhiễu.
4.2.10 Dự đoán khả năng phủ sóng
Trong các điều kiện LOS, khoảng cách phủ sóng phụ thuộc vào mức độ LOS nhờ độ trong suốt của vùng Fresnel. Trong các điều kiện LOS, có một khái niệm độ sẵn sàng che phủ (được tính bằng tỉ lệ % ) cho biết xác suất thống kê mà các khách hàng tiềm năng trong vùng phủ sóng dự đoán có thể được phục vụ. Ví dụ, xác suất che phủ 90% có nghĩa là 90% khách hàng tiềm năng ở trong vùng che phủ dự đoán sẽ có chất lượng tín hiệu đảm bảo. Việc chuẩn hoá đường truyền vô tuyến WiMAX sẽ cho phép các nhà cung cấp công cụ hoạch định tần số vô tuyến phát triển các ứng dụng cụ thể các dự đoán NLOS theo thời gian. Ngoài ra, nếu có 100 khách hàng tiềm năng đồng ý một bản đồ che phủ dự đoán NLOS, thì sẽ có 90 trong số họ có thể sẽ được cung cấp ngay cả khi có nghẽn giữa trạm gốc và CPE. Yêu cầu hoạch định tần số vô tuyến và dự đoán vùng che phủ được tích hợp công nghệ NLOS đã cho phép đánh giá chính xác mức độ ưu tiên đối với những khách hàng nào.
4.2.11 Phạm vi phủ sóng của WiMAX
Phần này sẽ trình bầy hai kiểu trạm gốc chính và tính năng của chúng.Kiểu trạm gốc với tính năng cơ bản (standard base station)
Thực hiện chức năng WiMAX cơ bản (chỉ có những tính năng bắt buộc).
Công suất đầu ra RF cơ bản cho một trạm gốc giá thành thấp (theo nhà cung cấp thiết bị).
Kiểu trạm gốc với đầy đủ tính năng (full featured base station)
Công suất đầu ra RF cao hơn trạm gốc cơ bản (theo nhà cung cấp thiết bị).