CÁC HỆ THỐNG FBWA LOẠI WIMAX
2.1 GIỚI THIỆU
Trong chương một chúng ta đã giới thiệu lý thuyết chung về can nhiễu, các phương pháp phân tích nhiễu và các biện pháp phòng chống nhiễu cho các hệ thống FBWA. Chương này sẽ cụ thể hoá các phương pháp chống nhiễu nêu trên cho các hệ thống thiết bị FBWA theo tiêu chuẩn IEEE 802.16d, nhằm:
- Kiểm soát và giảm thiểu can nhiễu giữa các hệ thống WiMax của các nhà khai thác cùng hoạt động trong một vùng với các băng tần kế cận hay cùng dùng chung băng tần số vô tuyến trong các vùng gần nhau.
- Đảm bảo cùng tồn tại và cùng khai thác hiệu quả cho các hệ thống WiMax và các hệ thống vô tuyến khác đang hoạt động trong vùng
Do có sự khác biệt về tính chất vật lý của các dải tần số sử dụng, nên trong chương này các nguyên tắc phối hợp hoạt động cho các hệ thống được xét riêng cho 3 băng tần cơ bản:
- Các hệ thống FBWA PMP dải tần 23,5-43,5 GHz - Các hệ thống FBWA PMP dải tần 2-11 GHz
- Các hệ thống FBWA PMP và PTP dải tần 23,5-43,5 GHz Nội dung của chương 2 bao gồm:
- Tóm tắt các khuyến nghị và các hướng dẫn áp dụng khuyến nghị - Tổng quan về cấu trúc hệ thống và môi trường truyền lan sóng điện từ - Các thông số thiết kế cho hệ thống, thiết bị
- Phương pháp triển khai và phối hợp hoạt động giữa các hệ thống
- Các kỹ thuật giảm nhiễu CoCh, AdjCh giữa các hệ thống đang khai thác trong các vùng kế cận và mức tín hiệu có hại do các hiện tượng tự nhiên khác gây ra
Điều cốt lõi trong chương này là định lượng được các thông số thiết kế cho thiết bị và
các khuyến nghị thực tiễn triển khai các mạng FBWA, dựa trên việc phân tích, mô
phỏng hệ thống, kinh nghiệm của các nhà khai thác mạng FBWA. Một khi các nhà chế tạo và nhà khai thác tuân thủ các khuyến nghị này thì các hệ thống của họ hoàn toàn có thể hoạt động tốt trong một môi trường chung với mức can nhiễu tương hỗ chấp nhận được
2. 2 TỔNG QUAN VỀ CAN NHIỄU GIỮA CÁC HỆ THỐNG FBWA
FBWA thuộc loại các hệ thống vô tuyến cố định phục vụ cho việc tải các dịch vụ băng rộng giữa các khu nhà thuê bao và các mạng lõi. Khái niện “băng rộng” ở đây, tương tự như thuật ngữ trong ITU-T, là tốc độ truyền dự liệu lớn hơn 1,5 Mbit/s được tải qua nhiều mạng FBWA; các mạng này có khả năng hỗ trợ các tốc độ dự liệu rất lớn. Trên thực tế các hệ thống FBWA có tốc độ truyền dự liệu cao hơn giá trị này nhiều lần.
Thông thường, các mạng FBWA đảm bảo kết nối cho nhiều khu nhà thuê bao trong vùng phục vụ, bằng phương pháp cung cấp băng thông tần số dùng chung cho các đối tượng. Nhu cầu của các đối tượng được đáp ứng với mức tương quan thấp, theo nguyên tắc phân bổ băng thông động, nhằm sử dụng hiệu quả nhất phổ tần số vô tuyến điện. Lĩnh vực ứng dụng FBWA rất rộng, bao gồm cả thoại, dự liệu và các dịch vụ giải trí…. Mỗi thuê bao có thể yêu cầu các hình loại dịch vụ khác nhau; dòng lưu lượng có thể một chiều, hoặc 2 chiều, đối xứng, không đối xứng,...thay đổi theo thời gian
2.2.1 Cấu trúc hệ thống
Đa phần, các hệ thống FBWA có cấu trúc đa điểm (MP). Khái niệm đa điểm bao gồm cả điểm-đa điểm (PMP) và đa điểm-đa điểm (MP-MP). Nhóm nghiên cứu IEEE 802.16 về truy nhập không dây băng rộng đã đề xuất bộ các chuẩn vô tuyến cho các hệ thống PMP, trong đó các trạm gốc và trạm thuê bao kết nối với nhau qua giao diện không gian, tương tự tiêu chuẩn PMP cho HIPERACCESS của dự án ETSI BRAN 7.
Một mạng FBWA điển hình bao gồm các trạm gốc (BSs), các trạm thuê bao (SSs), thiết bị đầu cuối (TE), thiết bị mạng lõi, các tuyến giữa các Ô phục vụ (Intercell links) và các trạm chuyển tiếp (RSs).
Hình 2.2.1 Các nguồn nhiễu trong FBWA
Mô hình chuẩn của một hệ thống FBWA được cho trên hình 2.2.1 thể hiện một cách đầy đủ quan hệ kết nối giữa các thành phần của hệ thống FBWA. Một mạng FBWA tối thiểu phải có một BS và các SS. Trên hình vẽ các đường vô tuyến được thể hiện bằng đường zizăc. Các tuyến nối giữa các Ô phục vụ (Cell), dùng để kết nối 2 hay nhiều BS với nhau, có thể là vô tuyến, cáp quang hoặc cáp đồng. Cũng có thể dùng công nghệ PTP trong băng sử dụng, để làm trung kế tốc độ từ DS-3 đến OC-3. Một số hệ thống PMP có dùng thêm các trạm RSs để tăng cường vùng phủ sóng cho các vùng BS bị che khuất (NLOS) hoặc mở rộng, kéo dài cho các vùng xa. RS chuyển tiếp thông tin từ BS cho một hoặc nhiều nhóm các SSs, hoặc kết nối cho một SS nội hạt. RS thường dùng các tần số đường xuống
của trạm gốc BS hoặc các tần số cấp phép khác. Trong các hệ thống PMP, phần lớn các trạm RSs có kết nối với các SSs nội hạt.
Biên của mạng FBWA là các điểm giao diện F và G trên hình 2.2.1. Các giao diện F là các điểm kết nối với mạng lõi (giao diện mạng) đều được chuẩn hoá; điều này không bắt buộc đối với các giao diện G, giữa SSs và thiết bị TE
2.2.1.1 Các hệ thống điểm-đa điểm ( PMP)
PMP là mạng liên kết các BSs và các trạm SSs, đôi khi bao gồm cả các trạm RSs. BSs dùng các anten búp sóng rộng, được chia thành một hoặc nhiều rẻ quạt (sector). Để bao phủ cả 360o có thể phải dùng nhiều anten và để phủ kín toàn vùng phục vụ rộng phải dùng nhiều trạm gốc. Việc kết nối giữa các trạm gốc không thuộc lĩnh vực FBWA. Các trạm gốc này được kết nối với nhau theo phương thức cáp quang, vô tuyến, hoặc các tuyến truyền dẫn tương đương. Cũng có thể dùng một phần phổ tần số được phân bổ của hệ thống cho các tuyến nối PTP giữa các trạm gốc. Việc định tuyến lưu lượng đến các BS thích hợp là nhiệm vụ mạng lõi.
Các trạm thuê bao dùng anten định hướng về phía trạm gốc và dùng chung kênh vô tuyến theo các kỹ thuật TDMA hoặc CDMA…hoặc cũng có thể dùng các kênh tần số riêng FDMA (tần số trực giao)
2.2.1.2 Các hệ thống đa điểm-đa điểm (MP)
Hệ thống MP (Mesh) có các chức năng tương tự hệ thống PMP. Các trạm gốc ngoài việc kết nối với mạng lõi còn kết nối theo phương thức vô tuyến với các trạm gốc khác. Thông thường, các trạm thuê bao là thiết bị đầu cuối hoặc thiết bị lặp RSs. Lưu lượng có thể qua một hoặc vài trạm lặp mới đến thuê bao.
2.2.1.3 Các hệ thống anten
Hệ thống anten phụ thuộc vào băng tần sử dụng của từng loại trạm. Mẫu bức xạ anten cho trạm thuê bao và trạm gốc cần được chọn cho từng trường hợp cụ thể. Trong trường hợp bị che chắn (NLOS) thì phải dùng các trạm lặp và cần trang bị anten có độ định hướng cao. Thông thường, đối với các hệ thống dùng sóng Micromet người ta dùng anten SS có độ định hướng rất cao cho trường hợp có tuyến truyền sóng trực xạ (LOS). Trong các hệ thống MP người ta thường dùng nhiều anten, vì vậy, cần có thêm các phương tiện cân chỉnh anten từ xa. Đối với các hệ thống dùng sóng Milimet nhất thiết phải có thêm các bộ phối hợp anten (AA) cho các BSs để nâng cao đặc tính anten. Anten SSs cũng có độ định hướng cao, nhưng thấp hơn trường hợp dùng sóng Micromet, để có thể khai thác thống trong điều kiện cận hoặc không trực xạ (NLOS). Anten SSs thường đa hướng
2.2.2 Môi trường truy nhập
Truyền lan sóng điện từ trong dải tần số 2-66 GHz không bị tán sắc, nhưng lại bị suy hao trong mưa. Mức suy hao này phụ thuộc vào tần số. Ngoài ra, sóng điện từ dải này còn bị hấp thụ mạnh bởi các vật cản, các công trình nhân tạo, vì vậy, để đảm bảo mức tín hiệu thu được, tốt nhất là cố gắng thiết kế được các tuyến truyền sóng trực xạ (LOS). Ngoài ra, các hệ thống vô tuyến hoạt động trong dải tần này còn bị ảnh hưởng bởi tạp âm nhiệt và can nhiễu trong hệ thống, nên cự ly thông tin thường chỉ đạt vài km (do suy hao trong không
gian và suy hao trong mưa lớn). Trong khi đó, do nhu cầu về dung lượng truyền dự liệu buộc người ta phải sử dụng các mạch điều chế bậc cao có tỷ số C/I lớn; điều đó gây ra can nhiễu lẫn nhau, cả trong và ngoài dải tần bức xạ.
2.2.3 Các tình huống nhiễu
2.2.3.1 Các dạng nhiễu
Có thể phân chia nhiễu thành 2 loại chính: Nhiễu trong kênh (CoCh) và nhiễu ngoài kênh (OutCh) như trên hình 2.2.2. Hình 2.2.2 mô tả phổ công suất tín hiệu có ích và công suất nhiễu.
Hình 2.2.2 Các dạng nhiễu cơ bản
Ở đây, băng thông của nhiễu có thể rộng, hoặc hẹp hơn băng thông tín hiệu. Khi băng thông tín hiệu nhiễu lớn hơn băng thông tín hiệu cần thu, thì chỉ một phần năng lượng của nó rơi vào băng thông của bộ lọc máy thu. Trong trường hợp đó can nhiễu được đánh giá bằng cách tính công suất đến anten máy thu nhân với một hệ số, bằng tỷ số băng thông bộ lọc thu và băng thông nhiễu.
Đối với nhiễu ngoài băng, sử dụng 2 họ tham số để xác định mức nhiễu tổng:
- Phần các búp phụ của phổ nhiễu hoặc phần nền nhiễu ra của máy phát rơi vào kênh cùng với tín hiệu có ích, ví dụ, nằm trong dải thông của bộ lọc máy thu. Phần này chúng ta không có cách nào loại bỏ được, vì vậy, mức nhiễu này sẽ được xác định ở phía máy phát gây nhiễu. Bằng cách định lượng mật độ phổ công suất búp phụ và nhiễu nền máy phát theo mức búp chính của tín hiệu có ích, ta có thể tính được nhiễu này, tương tự như tính nhiễu CoCh, nhưng với một hệ số suy hao bổ sung, bù cho việc nén năng lượng phổ theo búp chính của tín hiệu nhiễu. Bộ lọc máy thu bị hại không thể nén được hoàn toàn búp nhiễu chính.
- Vì trên thực tế không có bộ lọc thu lý tưởng, nên công suất dư vẫn qua phần băng chặn của bộ lọc và hiển diện như là tạp âm trắng, tạo thành mức CoCh bổ sung. Mức nhiễu này được xác định như là nhiễu OutCh của máy thu bị hại. Đôi khi nó được lấy làm mức “khoá” (blocking) máy thu. Dạng nhiễu này cũng được ước lượng tương tự như cách tính CoCh, nhưng với hệ số suy hao bổ sung, phụ thuộc vào khả năng của bộ lọc chặn băng ở tần số nhiễu. Cần xác định một cách định lượng các thông số đầu vào của thiết bị thu để đánh giá 2 loại nhiễu kể trên.
2.2.3.2 Mức nhiễu cho phép (chấp nhận được)
Đặc điểm chung của bất kỳ hệ thống FBWA dùng dải tần milimet là đều cần độ dự phòng tuyến (độ dự trữ) để duy trì độ tin cậy cho trước. Trong trường hợp xấu nhất, mức tín hiệu thu được đúng bằng mức tạp âm nhiệt, kTBF, (k - hằng số Bozman, T - nhiệt độ Kelvin của máy thu, B - băng thông bộ lọc thu, F - tạp âm máy thu) cộng với tỷ số S/N của máy thu. Cách tính nhiễu ở đây là xác định tỷ số giữa mức sóng mang và tạp âm cộng nhiễu, C/ (N+I)
2.2.3.3 Các tuyến nhiễu a. BS bị hại (Victim BS) a. BS bị hại (Victim BS)
Hình 2.2.3 mô tả các nguồn nhiễu chính đến máy thu bị hại thuộc trạm gốc FBWA có anten phủ sóng dạng rẻ quạt (sector). BS bị hại được biểu thị bằng hình tam giác màu đen bên trái. Trường hợp xấu nhất, tín hiệu từ máy phát SS mong muốn truyền qua Ô bị mưa và được thu với mức cường độ trường nhỏ nhất, vì vậy các mức nhiễu gần với nền tạp âm nhiệt trở nên quan trọng.