3.3.5.1 Đặc tính định hướng của Anten.
Việc lựa chọn anten ảnh hưởng lớn tới công suất và độ bao phủ của các hệ
thống không dây cốđịnh. Sự lựa chọn này được dựa trên tần số hiệu dụng (efficitent frequency), dải thông và các đặc tính định hướng của anten. Đối với người thiết kế
hệ thống, các đặc tính quan trọng nhất của anten là mô hình phát xạ (radiation pattern), đặc tính định hướng (directivity), và hệ số tăng ích (gain). Ngoài ra, dải thông (bandwidth) và độ phân cực (polarization) của anten cũng cần được xem xét khi thiết kế hệ thống.
3.3.5.2 Vùng phủ sóng của anten trạm gốc
Một mạng điểm – đa điểm (PMP) bao gồm nhiều vùng phủ sóng trạm gốc, mỗi vùng kết nối tới nhiều CPE. Trong trạm gốc, mỗi anten khu vực phục vụ cho một vùng phủ sóng theo một hướng nhất định nào đó.
Anten khu vực (sector antens): là anten có tính định hướng với góc mở của anten thay đổi từ 150 đến 3600. Góc mở của anten phụ thuộc vào cả hai yếu tố: vùng dịch vụ và dung lượng yêu cầu của hệ thống. Vùng phủ sóng của Sector Antenna
được chỉ ra trong hình 3.8:
Hình 3.8: Vùng phủ sóng của Sector Antenna
Anten đẳng hướng: Trường sóng bức xạ của Anten ra mọi hướng là như nhau. Một trạm gốc chỉ sử dụng một anten vô hướng omni (góc mở 3600) (omnidirectional anten) sẽ có dung lượng chỉ bằng 1/4 hệ thống sử dụng 4 anten khu vực, mỗi anten có góc mở 900. Hình 3.9 thể hiện vùng phủ sóng của một Omni Antenna.
Hình 3.9: Vùng phủ sóng của Omni Antenna
Loại anten được dùng trong anten khu vực phụ thuộc vào băng tần sốđược sử dụng. Tại dải tần nhỏ hơn 10 GHz, anten khu vực thường sử dụng thành mạng anten lưỡng cực hoặc khe, trong cả hai loại cấu hình tuyến tính hay hai chiều.
3.3.5.3 Anten của CPE
Loại anten của CPE phụ thuộc vào khả năng truyền NLOS của hệ thống. Trong mạng FBWA truyền trong tầm nhìn thẳng LOS, anten của CPE có tính định hướng cao và được đặt ngoài trời bởi một kỹ thuật viên chuyên nghiệp (vì nó đòi hỏi công đoạn tinh chỉnh hướng tính của anten tương đối phúc tạp mà không phải kỹ thuật viên nào cũng có thể làm được). Trong hệ thống NLOS, góc mở của các anten của CPE thường lớn, và trong trường hợp này người ta thường dùng anten Omni-directional. Hình 3.10 và 3.11 là hai loại anten khác nhau của CPE.
Hình 3.10: CPE với Anten tích hợp bên trong
Hình 3.11: CPE với Anten ngoài
3.3.5.4 Các công nghệ Anten nâng cao
Hệ thống Anten thông minh có liên quan tới loại công nghệ Anten được thiết kếđể tăng cường độ tín hiệu nhận được trong mạng truy cập không dây. Mục đích là để làm tăng CINR (carrier-to-interference plus noise ratio). Sử dụng công nghệ
Anten thông minh có thể vừa làm tăng cường độ tín hiệu nhận được và làm giảm mức độ nhiễu để tăng phần lớn công dụng trong một mạng giao tiếp di động.
Tạo chùm tia (Beam-Forming)
Việc truyền phát các tín hiệu đi từ nhiều ăngten ở các pha cân bằng cụ thể có thểđược sử dụng để tạo chùm tia hẹp hơn. Hiện tượng này gọi là beam forming.
Beam-forming mang đến các cải tiến đáng kể trong ngân sách đường kết nối theo cả 2 hướng uplink và downlink bằng cách tăng độ lợi của Anten, ngoài ra để
làm giảm sự suy giảm cường độ tín hiệu do tác động bởi nhiễu. Beam-forming yêu cầu thông tin về vị trí của thuê bao đặc biệt là đối với thuê bao đang di chuyển với tốc độ lớn. Tuy nhiên, theo số liệu thống kê mạng cellular, đa số thuê bao hoặc không chuyển động, hoặc chuyển động với tốc độ chậm, vì thế beam-forming mang
đến các lợi ích quan trọng cho hầu hết các mô hình sử dụng. Công nghệ tạo chùm tia đơn được thể hiện trong hình 3.12:
Hình 3.12: Công nghệ tạo chùm tia đơn
Ví dụ, cấu hình beam-forming gồm 4 ăngten có thể hỗ trợ tăng cường tín hiệu có độ lợi 6dB trong khi vẫn cải tiến được tín hiệu truyền phát bị suy giảm. Kết quả
là Beam-forming đem lại khả năng mở rộng hơn, thông lượng cao hơn và là tăng khả năng phủ sóng trong nhà (indoor). Với số lượng trạm gốc ít hơn để đạt được một dung lượng cụ thể trong môt hệ thống, beam-forming có thể tiết kiệm 50% chi phí đầu tư vốn và 30% chi phí vận hành.
Công nghệ Anten thông minh Beam forming được hợp nhất trong thông số kỹ
thuật WiMAX di động để tăng dung lượng hệ thống và tính năng trong các mạng di
Mã hoá không gian-thời gian
Mã hoá không gian- thời gian (STC - Space-time coding) là kỹ thuật thực hiện phân tập truyền phát (transmission diversity). Wimax di động sử dụng kỹ thuật phân tập truyền phát trên đường downlink để phân tập từng phần nhằm tăng cường chất lượng tín hiệu truyền đến một thuê bao cụ thể nằm tại bất cứ điểm nào trong dải chùm tia anten phát ra. Mặc dù cung cấp độ lợi tín hiệu thấp hơn beam-forming nhưng đối với người sử dụng di động thì sự phân tập truyền phát càng cần thiết hơn bởi vì nó không yêu cầu các kiến thức hiểu biết trước về đặc tính đường dẫn của kênh tần số cụ thể của một thuê bao. Công nghệ STC, được biết đến như Alamouti Code, được công bố vào năm 1998 và nó hợp nhất với chuẩn WiMAX.
Hình 3.13: Mã hóa không gian – thời gian
Space time BS ánh xạ và đánh giá kênh MISO (2 anten phía BS, 1 anten phía SU) tại phía phát tạo phân tập trên đường truyền, ổn định hệ thống và giảm fading từ 5 – 10 dB tùy thuộc vào môi trường truyền sóng.
Ghép kênh không gian (Spactial Multiplexing)
Công nghệ này hỗ trợ ghép kênh không gian để tận dụng tốc độ đỉnh cao hơn và tăng thông lượng. Nhờ ghép kênh không gian, nhiều luồng sẽ được truyền trên hệ thống nhiều anten. Nếu phía thu cũng có hệ thống nhiều anten, nó có thể phân tách các luồng khác nhau để đạt được thông lượng cao hơn so với các hệ thống đơn anten. Một trong những công nghệđó là công nghệ MIMO (Multi In Multi Out).
Công nghệđa cổng vào ra (MIMO) miêu tả các hệ thống sử dụng nhiều hơn 1 radio và hệ thống Anten tại một điểm cuối của đường kết nối không dây. Trước đây, chi phí để kết hợp nhiều anten và các radio trong một đầu cuối khách hàng là rất cao. Các cải tiến gần đây trong công nghệ tích hợp và triển khai quy mô nhỏ cho hệ
thống vô tuyến làm tăng tính khả thi và chi phí hiệu quả. Phối hợp nhiều tín hiệu nhận được sẽ đạt được các lợi ích tức thời khi tăng cường độ tín hiệu nhận được, tuy nhiên công nghệ MIMO cũng cho phép truyền phát các luồng dữ liệu song song
đểđạt được thông lượng lớn hơn.
Trong hệ thống Điểm-Đa điểm sử dụng MIMO, mỗi Anten trạm gốc phát đi luồng dữ liệu khác nhau và mỗi thiết bị đầu cuối khách hàng nhận nhiều thành phần của tín hiệu phát khác nhau với mỗi Anten thiết bị thuê bao khách hàng được minh hoạ trong hình 3.14 dưới đây.
Hình 3.14: Hệ thống Anten MIMO
Bằng cách sử dụng thuật toán thích hợp, thiết bị đầu cuối khách hàng có thể
phân chia và giải mã các luồng dữ liệu nhận được trong cùng một lúc.
Ví dụ, trong một MIMO 2x2 (tức là gồm 2 phần tử phát và 2 phần tử thu), với hệ thống Điểm - Điểm 2 phân cực, các tần số cấp cho carrier có thểđược sử dụng 2 lần , làm tăng tốc độ truyền dữ liệu gấp 2 lần, SM đã tăng tốc độ lên gấp đôi nhờ sử
dụng 2 luồng số liệu. Ở đường lên (UL), mỗi người dùng chỉ có một anten phát, 2 người dùng có thể truyền cùng với nhau trong cùng một khe thời gian giống như hai
luồng được ghép kênh không gian từ hai anten của cùng một người dùng. Quá trình như vậy gọi là UL hợp tác SM. Nhiều anten phát MS phát cùng 1 lúc tạo thành hệ
thống nhiều anten ảo,làm tăng dung lượng mạng.
Bảng 3.2 dưới đây tổng kết tốc độ dữ liệu đỉnh lý thuyết với các tỉ lệ DL/UL khác nhau giảđịnh băng thông kênh la 10MHz, độ rộng khung là 5ms gồm 44 biểu trưng dữ liệu OFDM (trong tổng số 48 biểu trưng OFDM) và kênh con hoá kiểu PUSC. Bảng 3.2 Tốc độ dữ liệu cho các cấu hình SIMO/MIMO Tỷ số DL/UL 1:0 3:1 2:1 3:2 1:1 0:1 DL 31.68 23.04 20.16 18.72 15.84 0 SIMO (1 x 2) UL 0 4.03 5.04 6.05 7.06 17.11 DL 63.36 46.08 40.32 37.44 31.68 0 Tỷ lệ tối đa user (Mbps) MIMO (2 x 2) UL 0 4.03 5.04 6.05 7.06 16.11 DL 31.68 23.04 20.16 18.72 15.84 0 SIMO (1 x 2) UL 0 4.03 5.04 6.05 7.06 14.11 DL 63.36 46.08 40.32 37.44 31.6 0 Tỷ lệ tối đa sector (Mbps) MIMO (2 x 2) UL 0 8.06 10.08 12.10 14.12 28.22 Tốc độ dữ liệu đỉnh tối đa hướng xuống (DL) là 63.36 Mbps khi tất cả biểu trưng dữ liệu chỉ dành cho hướng xuống (DL). Với đường lên UL hợp tác SM, tốc
độ dữ liệu đỉnh sector UL được nhân đôi trong khi tốc độ dữ liệu đỉnh người dùng không đổi. Tốc độ dữ liệu đỉnh người dùng hướng lên và tốc độ dữ liệu đỉnh sector lần lượt là 14.11 Mbps và 28.22 Mbps khi tất cả các biểu trưng dữ liệu chỉ dành cho hướng lên (UL). Bằng cách áp dụng các tỉ lệ DL/UL khác nhau, băng thông có thể được điều chỉnh giữa DL và UL để cung cấp các mẫu lưu lượng khác nhau. Chuẩn Wimax hỗ trợ tỉ số DL/UL trong phạm vi từ 3:1 đến 1:1 để cung cấp các chuẩn lưu lượng khác nhau.
Chuẩn Wimax di động bao gồm công nghệ mã hoá MIMO cho tới 4 Anten tại mỗi điểm cuối đường kết nối, (4x4 MIMO) được thể hiện trong hình 3.15 dưới đây.
Hình 3.15: Hệ thống Anten MIMO 4x4
Lựa chọn MIMO thích nghi
WiMAX di động hỗ trợ khả năng chuyển đổi lựa chọn thích nghi để khai thác tối đa lợi ích của các công nghệ anten thông minh trong các tình trạng kênh truyền khác nhau. Ví dụ, SM cải thiện thông lượng đỉnh. Mặc dù, điều kiện kênh không tốt, tỉ lệ lỗi gói tin PER có thể cao và do vậy vùng phủ sóng với tỉ lệ PER yêu cầu sẽ
bị hạn chế. Còn STC theo 1 cách khác sẽ cung cấp khả năng phủ sóng rộng bất chấp tình trạng kênh truyền nhưng lại không cải thiện được tốc độ dữ liệu gói.
WiMAX di động còn hỗ trợ lựa chọn MIMO thích nghi (Adaptive MIMO Switching – AMS) giữa các chế độ đa MIMO để sử dụng tối đa hiệu suất phổ mà vùng phủ sóng không bị giảm. Hình 3.16 chỉ ra cấu trúc hỗ trợ các đặc tính anten thông minh.