Độ lợi dung lƣợng kênh MIMO đƣợc tính toán với giả thiết ở điều kiện lý tƣởng khi các đầu vào ma trận kênh là biến số Gauss phức độc lập. Trong thực tế, kênh không ở dạng phận phối Rayleigh lý tƣởng nên độ lợi này có thể giảm. Có rất nhiều yếu tố là nguyên nhân làm giảm hiệu năng hệ thống MIMO. Trong phần này chúng ta sẽ trình bày hai nguyên nhân chính ảnh hƣởng đến dung lƣợng kênh là tƣơng quan fading và đƣởng truyền trực tiếp LOS.
2.10.1 Ảnh hưởng của sự tương quan Fading
Vấn đề tƣơng quan xuất hiện do khoảng cách giữa các phần tử anten ở trạm gốc BS. Thông thƣờng, khoảng cách này đƣợc phân cách vài cm trong khi khoảng cách gữa trạm BS và thiết bị cầm tay khoảng vài Km, Bởi vậy tín hiệu đến BS từ một bộ thu sẽ gần nhau và tạo ra sự tƣờng quan giữa chúng. Hệ số tƣơng quan tối đa là 1 và băng 0 khi chúng không tƣơng quan.
Trong trƣờng hợp có sự tƣơng quan, các phần tử của ma trận kênh đƣợc tƣơng quan và đƣợc thể hiện nhƣ sau:
Vec (H)= 1/ 2
-
( )
R vec H (2.35)
Với vector đƣợc tạo thành bởi các cột của H ( nếu =[h1,h2,...hnt] là ma trận
kích thƣớc ntxnt thi vec (H) = h h1T, 1T....hntT kích thích n n xr t 1 là ma trận kênh MIMO
không gian trắng phân phối độc lập ngẫu nhiên Rayleigh, kich thƣớc n n xr t 1 và R là
ma trân hiệp phƣơng sai kích thƣớc n n xn nr t t r, đƣợc mô tả nhƣ sau:
( ) ( H)
R vec H vec H (2.30)
Tích đơn giản hơn với việc sử dụng ma trận của hàm sau:
1/2 1/2
w t
H R H R (2.31)
Trong đó Rr là ma trận tƣờng quan thu kích thƣớc n n xr t r.và Rt là ma trận tƣơng quan phát kích thƣớc n n xr t t
Nếu giả thiết cả ma trận Rr, và Rt đêu đƣợc chuẩn hóa sao cho chúng có các
giá trị duy nhất dọc theo đƣờng chéo. Dung lƣợng kênh MIMO khi có mặt sự tƣơng quan tín hiệu fading là:
1/2 /2 2 log det( nr r w wH rH ) t P C I R H H R n (2.32)
Gỉa sử nr =nt=m, ở SNR cao,dung lƣợng đƣợc tính xâp xỉ là:
1/2
2 2 2
log det(P r w w ) log det(H r) log det( t)
C R H H R R
m (2.33)
Từ công thức 2.35 ta thấy các ma trận tƣơng quan và phát đều có ảnh hƣởng đến dung lƣợng kênh. 1 1 1 det( ) ( ) 1 m t i R R (2.34)
Nên log det(2 Rr) 0
Nhƣ vậy ta thấy dung lƣợng hệ thống khi có sự tƣơng quan tín hiệu sẽ giảm đi một lƣợng là (log det(2 Rt) log (2 Rt))
Hình vẽ 2.10 miêu tả dung lƣợng kênh MIMO 2x2 khi có tƣơng quan tín hiệu sẽ giảm đi một lƣợng là 0.8. Nhƣ vậy ma trận tƣơng quan thu là:
1 1
R
R với là hệ số tƣơng quan.
Từ hình vẽ ta thấy ở SNR cao, dung lƣợng trong kênh trong trƣờng hợp không tƣơng quan lớn hơn trƣờng hợp co tƣơng quan là 2.47dB. Nhƣ vậy, sự tƣơng quan thi không tốt chi kênh truyền hình.
Hình 2.10 Dung lƣợng Ergodic của kênh MIMO 2X2 trong trừơng hợp tƣơng quan và không tƣơng quan [10]
2.10.2 Ảnh hưởng của đường truyền trực tiếp LOS
Từ trƣớc ta chỉ xét kênh MIMO trong kênh i.i.d Rayleigh. Điều này chỉ khác xa trong thực tế vì trong vô tuyến di động, ngoài các đƣờng truyền phản xạ khác, đƣờng truyền trực tiếp có xác định ở phía thu. Do vậy, kênh thực tế đƣợc thể hiện là:
1/2 1/2
w
Ric r r H HL R H R
HRIC là thành phần Ricean hay thành phần LOS, Rt là ma trận tƣơng quan phát và Rr
là ma trận tƣơng quan thu. LOS là thành phần tồn tại ảo của một đƣờng truyền trực tiếp từ phía phát đến phí thu. LOS trong (2.34) có thể đƣợc biểu diễn thành phần cố định và thành phần bức xạ nhƣ sau: w 1 1 1 K H H H K K
Với K/ (1 K H) H là thành phần LOS của kênh và K/ (1 K H) wlà thành
phần fading và giải thích là fading không tƣơng quan, k là hệ số Ricenan của hệ thống, dùng đề xác định hệ số của công suất thành phần LOS và thành phần fading.
K= DT
PX P P
PDT: Công suất đƣờng truyền chính
PPx: Công suất đƣờng phản xạ
Khi K= 0, kênh là kênh Rayleigh, khi k tiến tới vô cùng, kênh trở thành kênh không fading.
Kênh fading Rayleigh là một tính năng tƣơng ứng với các ô lớn, Các ô này có đƣờng kính khoảng 2km có thể thể hiển cad fading Rayleigh lẫn fading Ricean, nhƣng thƣờng có k nhỏ. Khi sử dụng các ô nhỏ, K Sẽ lớn lên, nghĩa là tổn hao đƣờng truyền tốt hơn và fading it hơn. Trong hệ thống SISO, kênh Ricean cho hiệu năng tốt hơn kênh Rayleigh và K càng cao thi hiệu năng và dung lƣợng càng tốt hơn trong điều kiện các thông số khác nhau.
Tuy nhiên trong hệ số MIMO, khi k lớn, mức độ tự do củ không gian khả dụng sẽ thấp hơn và vì thế dung lƣợng sẽ thấp hơn khi giữ nguyên SNR không đổi. Vi thế các hệ thống MIMO không cải thiện dung lƣợng hay chất lƣợng dịch vụ ở gần trạm gốc so với SISo, nhƣng chúng cải thiện dụng lƣợng và chất lƣợng dịch vụ ở xã tram gốc. Hình 2.13 biểu diễn đƣờng cong hệ số K xác định theo dung lƣợng. Dung lƣợng càng nhỏ khi K cang lớn. Bởi vậy việc tối thiệu thành phần LOS là rât cần thiết trong các hệ thống MIMO.
Hình 2.11 Dung lƣợng Egrodic so với hệ số K của kênh MIMO Dung lƣợng giảm khi k tăng [10]
KẾT LUẬN CHƢƠNG 2
Trong chƣơng 2 chúng ta đã thấy đƣợc những ƣu điểm của hệ thống MIMO so với hệ thống SISO thông thƣờng cũng nhƣ yếu tố ảnh hƣởng đến dung lƣợng của hệ thống MIMO. Kỹ thuật MIMO. Kỹ thuật MIMO là một giải pháp cho phép tăng dung lƣợng hệ thống cũng nhƣ khả năng chống fading đa đƣờng thông qua việc sử dụng nhiều anten song song cho phát và thu. Từ đó cho thấy việc sử dụng và khai thác các hệ thống MIMO cho truyền thông không dây đang đƣợc rất nhiều nhà cung cấp dịch vụ quan tâm và hứa hẹn nhiệu triển vọng cho truyền thông băng rộng. Bên cảnh công nghệ OFDM , hệ thống WIMAX cố định cũng nhƣ WiMAX di động cũng áp dụng kỹ thuật MiMo. Chƣơng 3 ta sẽ đi nghiên cứu hệ thống WIMAX trƣớc khi đi vào việc tính toán thiết kế và triển khai WIMAX ở Việt nam nói chung và Hà nội nói riêng ở chƣơng 4.
CHƢƠNG 3. HỆ THỐNG WIMAX 3.1 Một số khái niệm về WIMAX
3.1.1 Công nghệ WIMAX
WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access - Khả năng tƣơng tác toàn cầu với truy nhập vi ba dựa trên cơ sở hệ thống tiêu chuẩn kỹ thuật IEEE 802.16 ) có nhiều đặc điểm nổi trội hơn về tốc độ, phạm vi phủ sóng so với chuẩn kết nối không dây hiện nay là Wifi. Không giống nhƣ Wifi chỉ có thể phủ sóng trong một khu vực nhỏ. Wimax có thể phủ sóng một vùng rộng hơn và đạt tốc độ cao hơn gấp nhiều lần. Phiên bản 802.16a có triển vọng đƣợc sử dụng trong các kết nối không dây cố định. Các phiên bản mới hơn đƣợc dự kiến cung cấp kết nối cho thiết bị di động: máy tính xách tay và điện thoại di động. Sử dụng Wimax về cơ bản sẽ mang lại khả năng kêt nối không dây cho toàn bộ một thị trấn. Giải pháp này giúp thu ngắn khoảng cách giữa vùng quê xa xôi heo lánh với những vùng thành thị
hiện đại. Dƣới đậy là một số các tính năng có trong Wimax;
- Kiến trúc linh động (Flexble Architecture): Wimax hỗ trợ một nhiều kiến trúc bao gồm điểm tới điểm (P2P), điểm tới đa điểm (PMP). Lớp MAC Wimax hỗ tợ cấu trúc PMP bởi việc lập lịch các khe thời gian cho các trạm thuê bao SS. Nếu chỉ có trạm SS trong mạng BS trao đổi với SS theo cơ cấu P2P. Trạm BS trong cấu trúc P2P có thể sử dụng chùm anten hẹp hơn trong PMP để có đƣợc độ bao phủ rộng hơn.
- Bảo mật cao (High seccurty): Wimax hỗ trợ cả hai thuật toán AES và 3DES. Bằng cách mã hõa các liên kết giữa BS và SS, Wimax cung cấp cho các thuê bao sự bảo vệ toàn cầu qua giao diện không gian.
- Chất lƣợng dịch vụ (QOS: Quality of service): Wimax hỗ trợ 4 dạng dịch vụ UGS, RtPS,NrtPS, BE
+ Dịch vụ cấp phát tự nguyện UGS ( Unsolicited grant service ) đƣợc thiết
kế cho các luồng dữ liệu thời gian thực có chiều dài cố định nhƣ các luồng T1/E1 hoặc VoiP. Các gói tin đƣợc phát đi đều đặn theo chu kì. Đặc điểm của loại dịch vụ này là dữ liệu loại này có tộc độ cao, độ ổn định hơn.
+ Dịch vụ quay vòng thời gian thực RtPS ( Realtime polling service ) đƣợc thiết kế cũng cho các luồng dữ liệu thời gian thực nhƣng các gói tín có chiều dài thay đổi nhƣ MPEG video. Loại dịch vụ này dữ liệu có tốc độ lơn hơn, độ ƣu tiên, độ ổn định cao.
+ Dịch vụ quay vòng thời gian không thực NrtPS (Non realtime polling
service) đƣợc thiết kế cho các luồng dữ liệu co chiều dài thay đổi mà khả năng chịu đƣợc độ trễ cao, tốc độ nhỏ. Nó đặc biệt thích hợp cho các dịch vụ dữ liệu cơ bản nhƣ FPT (File transfer protocol), email
+ Nỗ lực cao nhất BE (Best effort) đƣợc thiết kế cho các luồng dữ liệu mà không có yêu cầu cụ thể về chất lƣợng dịch vụ, dữ liệu luôn đƣợc truyền trong khả năng tốt nhất có thể.
- Triển khai nhanh chóng (Quicky Deployment): so sánh với triển khai mạng có dây thì Wimax yêu cầu cấu trúc đơn gian hơn nhiều. Ví dụ đào hố chôn cáp là không cần thiết. Trong nhiều trƣờng hợp việc triển khai một mạng Wimax chỉ mất có vài giờ.
- Dịch vụ đa cấp (multi –level service ): Thông thƣờng dựa trên sự đồng ý mức dịch vụ SLA (Service level agreement) giữa nhà cung cấp dịch vụ và ngƣời dùng cuối. Xa hơn, một nhà cung cấp dịch vụ có thể đƣa ra các SLA khác nhau cho các thuế bao khac nhau hay thậm chí cho các ngƣời dùng khác nhau trong một SS.
- Tính liên thống ( Interopera bility): Wimax xây dựng dựa trên chuẩn quốc tế làm cho ngƣời dùng cuối dễ dàng tƣơng thích trong các vùng địa lý khác nhau, các nhà cung cấp dịch vụ khác nhau. Tính liên thông ngăn cản độc quyền bởi vậy ngƣời dùng có thể mua thiết bị từ các nhà sản xuất khác nhau và từ đó giá thành thiết bị sẽ giả xuống.
- Di động xách tay (Portability): Khi SS tham gia vào mạng SS tự dộng thiết lập các liên kết với BS sau đó SS sẽ đƣợc đăng ký vào cơ sở dữ liệu của hệ thống.
- Tính di động ( Mobility): Chuẩn IEEE802.16e đƣợc thêm vào các tính năng để hỗ trợ khả năng di động.
- Hiệu quả chi phí ( Cost effect ): Wimax là một chuẩn mở và do vậy gia cả sản xuất chipset ngày càng giảm.
- Bảo phủ rộng ( Wider coverage): Wimax hỗ trợ nhiều mức điều chế bao gồm BPSK,QPSK, 16 – QMA và 64- QAM. Hệ thống Wimax có thể bao phủ một vùng rộng địa lý rộng lớn nếu khoảng cách giữa BS và SS không có vật cản.
- Tầm nhìn không thẳng: ( NLOS: Non Light of sight ): Wimax hoạt động dựa trên công nghệ OFDM mà có khả năng hoạt động không trong tầm nhìn thẳng.
- Dung lƣợng cao( High capacity): sử dụng điều chế mức cao và độ rộng kênh lớn giúp cho Wimax có thể cung cấp băng thông lớn tới ngƣời dùng.
3.1.2 Diễn đàn Wimax ( WIMAX forrum).
Diễn đàn đƣợc thành lập chính thức vào năm 2003 nhằm thông qua tiêu chuân bằng cách đảm bảo sự tƣơng thích giữa các bộ phận của hệ thống do các nhà sản xuất sản phẩn đầu cuối gốc xây dựng. Là một tổ chức phi lợi nhuận. Wimax sẽ xây dựng các kế hoạch đo thử tiêu chuẩn chọn lựa các phòng thí nghiệm đƣợc cấp chứng chỉ và tổ chức các sự kiện phối hợp cho các nhà mạng cung cấp thiết bị IEEE802.16. Bằng cách định nghĩa và tiến hành thử nghiệm sự tƣơng thích và trao “chứng chỉ Wimax” cho các hệ thống của nhà sản xuất, diễn đàn sẽ đi tiên phong cũng với liên minh WiFI đê thúc đẩy lĩnh vực LAN không dây.
Vào giữa năm 2004, các sản phẩm đã đƣợc Wimax chứng nhận để hỗ trợ các băng tần đƣợc cấp phép hoặc không (không chồng tên) các băng tần đã đƣợc WIFI sử dụng. Các mạng Wimax sẽ hỗ trợ WiFI bằng cách cung cấp hành trình ngƣợc băng rộng cần thiết (thay cho DSL hoặc T1) cho những diểm nóng này cung cấp băng rộng dặm cuối cần thiết cho các gia đình và các doanh nhiệp. Với những cải tiến trong tƣơng lai (chuẩn di động 802.16e) và thích hợp với các bộ phận WiFi, các giải pháp Wimax sẽ hỗ trợ các dịch vụ di động, máy cầm tay ở thành phố, ở những điểm công cộng và trên các phƣơng tiện đi lại.
Với hơn 400 nhà khai thác đang triển khai và thử nghiệm và hơn 1700 giấy phép sử dụng tần số vô tuyến điện đã đƣợc cấp cho Wimax trên toàn thế giới. Liệu các nhà dẫn dắt thị trƣờng Wimax có thể phát triển chúng trở thành một công nghệ tiên phong trong thế giới của 4G hay không? Và tƣơng lai của họ sẽ nhƣ thế nào? Sau đây là một số nhận định của Adlane Fellah – Giám đốc điều hành đồng thời là nhà sáng lập ra Công ty nghiên cứu và phân tích thị trƣờng viễn thông Maravedis.
Wimax đang đấu tranh để duy trì đà phát triển nhƣ là một công nghệ dẫn đầu trong các mạng vô tuyến thế hệ tiếp theo để chúng ngày một đƣợc tích hợp chặt chẽ hơn với công nghệ thông tin và hệ thống mạng.
Sự ra đi của các nhà cung cấp Wimax hàng đầu nhƣ Telsima và việc rời bỏ thị trƣờng của Nortel cùng với một số nhà cung cấp khác đã góp phần tạo nên một sức ép nặng mà WiMAX đã phải trải qua trong vài tháng qua.
Diễn đàn WiMAX đã công bố có hơn 400 nhà khai thác đang triển khai và thử nghiệm WiMAX và hơn 1700 giấy phép tần số đã đƣợc cấp trong các băng tần dành cho WiMAX trên toàn thế giới. Trong số đó có khoảng 470 giấy phép đƣợc cấp độ rộng phổ tần số 50 MHz hoặc nhiều hơn hoặc đủ để triển khai dịch vụ băng rộng trong một thời gian dài. Nhƣng liệu với phổ tần số thuận lợi nhƣ vậy sẽ có bao nhiêu nhà khai thác có đủ tiềm lực tài chính để trở thành những nhà khai thác mạng 4G thực sự trong tƣơng lai? Đây là một câu hỏi khó mà hiện nay vẫn chƣa có câu trả lời hoàn chỉnh.
Song song với sự phát triển của WiMAX thì đối thủ cạnh tranh của WiMAX là LTE cũng khẳng định hiện tại có hơn 100 nhà khai thác di động đã cam kết triển khai LTE trong đó bao gồm nhiều nhà khai thác mạng CDMA.
Trong cuộc điều tra của Maravedis đối với 22 nhà khai thác trên toàn thế giới có khả năng triển khai hoặc bỏ qua WiMAX trong 2 năm tới cho thấy có khoảng 46% nhà khai thác đƣợc cấp độ rộng phổ tần số 50MHz hoặc nhiều hơn, trong khi đó có 45% nhà khai thác có số tiền hơn 100 triệu đô la. Ngoài nhà khai thác lớn nhƣ Clearwire của Hoa kỳ, Maravedis cũng tin tƣởng sẽ có nhà một số nhà khai thác tiềm năng nhƣ Scartel của Nga và các nhà khai thác chiến lƣợc khác nhƣ UQ
Communications của Nhật Bản, Far EasTone của Đài Loan, BSNL của Ấn độ và Telmex International của Mexico.
Danh sách 22 nhà khai thác WiMAX hàng đầu trên thế giới (xếp theo thứ tự Alphabet) bao gồm:
1. Axtel (Mêxicô)
2. Bayanat Al Oula (Ả rập Xê út) 3. Bollore Telecom (Pháp)
4. BSNL (Ấn độ) 5. Cleaewire (Hoa Kỳ) 6. Digicel Group (Caribe) 7. Enforta (Nga)
8. Far EasTone (Đài loan) 9. Inukshuk (Ca na đa)
10. Korea Telecom (Hàn Quốc) 11. Mobilink (Pakistan)
12. Neovia (Brazil)
13. Packet One Networks (Malaysia) 14. RWW (Anh)
15. Scartel (Nga)
16. SK Telecom (Hàn quốc) 17. Sprint (Hoa Kỳ)
18. Tata Communications (Ấn độ)
19. Telmex International (liên doanh của 5 quốc gia) 20. UK Broadband (Anh)
21. UQ Communications (Nhật Bản) 22. Zain Bahrain (Bahrain)
Dựa trên kế hoạch của các nhà khai thác và ƣớc tính của Maravedis, hy vọng 22 nhà khai thác hàng đầu sẽ thu hút khoảng 2,5 triệu thuê bao vào cuối năm 2009, tăng lên từ 1,24 triệu thuê bao hiện nay và tăng lên đến 4 triệu vào cuối năm 2010.
Thị phần lớn của các thuê bao này sẽ xuất phát từ các mạng độc quyền lớn mà hy vọng chuyển đổi sang WiMAX vào năm 2010 nhƣ Clearwire của Hoa kỳ, Inukshuk của Canada. Một điều đáng chú ý đó là 42% các nhà khai thác này đang quan tâm
hoặc có kế hoạch triển khai LTE.