d. Đồng bộ mỏy phỏt dựng kỹ thuật bự trễ động
3.2 Xây dựng mô hình mạng đơn tần
3.2.1 Mạng đơn tần diện rộng
Khi cần phủ súng cho một diện tớch lớn với cựng một dũng chương trỡnh (vớ dụ chương trỡnh phỏt quốc gia) thỡ hỡnh thành nờn mạng đơn tần diện rộng.
Để giảm giỏ thành một mạng diện rộng thỡ khoảng cỏch giữa cỏc mỏy phỏt cần phải lớn. Đối với mạng đơn tần diện rộng do khụng sử dụng lại tần số nờn cú thể bỏ qua được nhiễu ngoại. Với những miền nhỏ, vấn đề nhiễu ngoại lại xảy ra
ở những vựng rỡa và cần lưu tõm đến cả nhiễu nội. Để chống ISI trong mạng đơn tần diện rộng thỡ khoảng bảo vệ lớn hơn với mạng diện hẹp.
Mạng đơn tần diện rộng phủ súng cho cả một vựng rộng lớn, khoảng cỏch giữa cỏc mỏy phỏt là lớn, cho nờn khoảng bảo vệ cũng lớn, nờn sử dụng mode 8k.
Trong mạng đơn tần diện rộng, việc xõy dựng hệ thống dựa trờn việc bố trớ mỏy phỏt trải đều để cho độ phủ đồng đều trờn toàn vựng dịch vụ. Mỗi mỏy phỏt được đặt tại tõm hỡnh lục giỏc như hỡnh vẽ 3.1.
R: bỏn kớnh vựng dịch vụ.
D: khoảng cỏch giữa hai mỏy phỏt. 3.2.2 Mạng đơn tần diện hẹp
Kớch thước mạng đơn tần cung cấp khả năng tiết kiệm tần số trong một vựng lớn. Khi chỉ cần phõn phỏt chương trỡnh cho một vựng nhỏ sử dụng ớt mỏy phỏt thỡ sử dụng mạng đơn tần diện hẹp. Trỏi lại với mạng đơn tần diện rộng thỡ
ở đõy, chỳng ta phải lưu tõm đến nhiễu ngoại từ những mạng lõn cận. Trong mạng diện hẹp, luụn tồn tại cả nhiễu nội và nhiễu ngoại.
Đối với mạng đơn tần diện hẹp, do diện tớch vựng dịch vụ là nhỏ, cho nờn để phỏt huy được độ tăng ớch của mạng thỡ nờn xõy dựng mật độ mỏy phỏt dày đặc (khoảng cỏch mỏy phỏt là ngắn). Do chỉ cần khoảng bảo vệ nhỏ nờn sử dụng mode 2k là thớch hợp.
Giả thiết vựng dịch vụ là một tập cỏc hỡnh lục giỏc đều như hỡnh vẽ 3.2. Mạng đơn tần diện hẹp bao gồm M hỡnh lục giỏc đều với một mỏy phỏt đặt tại tõm và anten vụ hướng. K là hệ số sử dụng lại tần số.
* Nhận xột chung cho cả hai mụ hỡnh mạng đơn tần:
Một yờu cầu của việc qui hoạch mạng là phải làm giảm thiểu nhiễu đến một mạng SFN lõn cận. Bằng việc sử dụng anten cú định hướng theo hướng vào tõm vựng dịch vụ sẽ khiến cho làm giảm nhiễu liờn mạng giữa cỏc SFN ở gần.
Đối với những mạng cú vựng dịch vụ nhỏ thỡ nờn sử dụng mỏy phỏt cú cụng suất vừa phải. Vấn đề đặt ra là đặc tớnh phủ của từng cấu hỡnh mạng riờng biệt, đỏnh giỏ ước lượng tớn hiệu nhận được từ một vài mỏy phỏt trong mạng diện rộng (chỉ cú nhiễu nội) và mạng diện hẹp (cú cả nhiễu nội và nhiễu ngoại).
Thụng thường để phủ một vựng diện tớch lớn thỡ phải dựng cụng suất lớn nhưng trong mạng đơn tần:
- Đối với SFN lớn thỡ dựng mỏy phỏt cú cụng suất vừa phải đó cú thể đem lại độ phủ tốt cũn với SFN nhỏ, cụng suất mỏy phỏt sử dụng cũn nhỏ hơn. - Đối với SFN diện rộng, khoảng cỏch giữa cỏc mỏy phỏt là lớn, cho nờn sử
dụng khoảng bảo vệ lớn và mode 8k là thớch hợp. Và ngược lại, với SFN diện hẹp chỳng ta nờn sử dụng mode 2k cú khoảng bảo vệ nhỏ.
Hỡnh vẽ 3.2 Cấu hỡnh khỏc nhau của mạng đơn tần diện hẹp được biểu thị bởi
hai thụng số M,K với hệ số sử dụng lại tần số K=3 và số mỏy phỏt là M = (1, 3, 7, 19)
Một vấn đề chớnh là vị trớ mỏy phỏt đặt ở đõu, như thế nào thỡ cho độ phủ tốt, nếu số mỏy phỏt ớt thỡ phải lưu ý đến cỏch bố trớ mỏy phỏt để đạt được tối ưu. Mặt khỏc, chỳng ta phải khẳng định là với số lượng mỏy phỏt nhiều, thỡ việc sắp xếp mỏy phỏt ngẫu nhiờn vẫn luụn cho độ phủ tốt.
3.3 Cơ sở OFDM trong mạng đơn tần
Kĩ thuật điều chế OFDM cho phộp tất cả cỏc mỏy phỏt trong mạng cú thể đồng thời phỏt một tớn hiệu ở cựng một block tần số đú là mạng đơn tần (single frequency network). Sau đõy, chỳng ta sẽ mụ tả phương phỏp điều chế OFDM làm nền tảng để xõy dựng mạng đơn tần, bắt đầu bằng việc mụ tả thuật toỏn điều chế và những thụng số của nú.
3.3.1 Thuật toỏn điều chế OFDM
Mụ tả quỏ trỡnh truyền tớn hiệu như trờn hỡnh vẽ 3.3. Một chuỗi dữ liệu d
được ỏnh xạ thành một tớn hiệu chũm sao x(t) trong bộ điều chế. Tớn hiệu được gửi đến một mỏy phỏt. Mộo kờnh truyền thời gian cú hàm truyền là h(t). Ở phớa thu, tớn hiệu thu được bao gồm cả nhiễu z(t) được thờm vào. Dữ liệu sau bộ giải
điều chế là d^ . Điều chế OFDM là một phương phỏp hết sức quan trọng cú thể chống lại được nhiễu đa đường và bằng cỏch kết hợp với mó sửa lỗi, nú cú thể sửa được những lỗi xấu trờn kờnh súng.
Điều chế OFDM dựa trờn phương phỏp biến đổi Fourier, tớn hiệu được điều chế bằng một phộp biến đổi Fourier ngược như sau:
Trong đú N là số lượng súng mang, Ttot là tổng thời gian một symbol và Dql là thụng tin mà symbol mang trờn súng mang l ở khung thứ q. Vớ dụ với điều chế QPSK thỡ:
1/ 2 1/ 2
, j
Dql
Việc định nghĩa thành phần pha Iq,l vàQq,l được rỳt ra từ (3.1). Sơ đồ điều chế OFDM được biểu diễn trờn hỡnh 3.2. Tớn hiệu được truyền đi x(t) gồm một
vài khung OFDM, được biểu diễn bởi q và mỗi khung cú độ dài Ttot, mỗi thụng tin symbol mang trờn cỏc tần số riờng biệt, vớ dụ fl= fo+ l/T
Tớn hiệu p(t) là xung hỡnh chữ nhật cú độ dài Ttot
Ttot = Tg+ T
T là thời gian hữu ớch, Tg là khoảng thời gian bảo vệ giữa hai khung OFDM. (3.1)
Hỡnh vẽ 3.4 Sơ đồ điều chế OFDM
Tại phớa thu cú một quỏ trỡnh ngược lại với bờn phỏt. Bộ giải điều chế tương quan ỏnh xạ tớn hiệu nhận được thành một symbol phức tạp, sau đú mỏy thu sẽ ước lượng chuỗi này như hỡnh vẽ 3.5.
Tớn hiệu đến mỏy thu luụn cú cỏc tớn hiệu phản xạ. Tớn hiệu đến phản xạ này luụn cú một độ trễ nhỏ và nhiễu giữa cỏc symbol (ISI) xuất hiện giữa cỏc khung OFDM liền kề. Khoảng bảo vệ trở nờn quan trọng để chống lại ISI. Khi mà trễ lớn nhất nằm trong khoảng bảo vệ thỡ ISI cú thể bỏ qua. Việc sử dụng khoảng bảo vệ làm giảm hiệu suất thụng tin nhưng khụng thể bỏ qua, nú quyết định việc đồng bộ khung ở bờn thu. Mật độ phổ năng lượng của tớn hiệu OFDM khi sử dụng khoảng bảo vệ là:
) ( sin ) ( 1 0 2 k N k f f c T f S
Biểu diễn phổ OFDM theo cụng thức 3.3 như trờn hỡnh vẽ 3.4.
Hỡnh vẽ 3.6 Phổ tớn hiệu súng mang
Nhỡn trờn hỡnh 3.6 ta dễ dàng thấy được phổ của tớn hiệu OFDM trực giao. Do khoảng cỏch giữa cỏc súng mang rất nhỏ nờn tớn hiệu OFDM nhạy cảm với lỗi tần số và dịch tần Doppler.
3.3.2 Xử lớ cỏc đường truyền đa đường
Tớn hiệu đến mỏy thu là một tổ hợp của rất nhiều đường truyền khỏc nhau, nú bao gồm cả tớn hiệu trực tiếp và tớn hiệu phản xạ. Tớn hiệu đến phản xạ này luụn cú một độ trễ nhỏ và làm xuất hiện nhiễu giữa cỏc symbol (ISI) của cỏc khung OFDM liền kề.
Phương phỏp điều chế OFDM cú thể khắc phục nhiễu đa đường phỏt sinh trong mạng đơn tần khi nhiều mỏy phỏt hoạt động ở cựng một tần số. Việc xuất hiện nhiễu nhõn tạo khi một mỏy phỏt thu cỏc tớn hiệu từ cỏc mỏy phỏt khỏc nhau và thời gian trễ của những tớn hiệu đến từ cỏc mỏy phỏt này là khỏc nhau và được mụ tả trờn hỡnh vẽ 3.7.
Mức độ trễ tớn hiệu này phụ thuộc vào khoảng cỏch từ mỏy thu đến cỏc mỏy phỏt khỏc nhau. Bằng việc sử dụng khoảng bảo vệ rộng, tớn hiệu OFDM khắc
phục được nhiễu phỏt sinh ở mạng. Băng thụng mất mỏt do sử dụng khoảng bảo vệ lớn khụng đỏng kể so với giỏ trị mà nú đem lại.
Bởi độ trễ truyền dẫn giữa cỏc mỏy phỏt và mỏy thu khỏc nhau nờn khoảng thời gian mà mỏy thu dựng để thu năng lượng tương ứng với symbol phỏt đi thường xuyờn lớn hơn thời gian để dũ (cửa sổ nhận) như hỡnh vẽ 3.8.
Mỏy thu cần chọn vị trớ đồng bộ thời gian cho cửa sổ này để thu được nhiều năng lượng nhất cú thể được từ những tớn hiệu nhận khỏc nhau.
a. Symbol đó phỏt đi b. Trễ truyền dẫn từ vài mỏy phỏt và cửa sổ thu cú độ dài T
3.4 Đặc tớnh kờnh truyền
Trong phần này mụ tả cỏc đặc tớnh của kờnh truyền, những thụng số ảnh hưởng đến đặc tớnh của kờnh. Đặc tớnh truyền dẫn của súng vụ tuyến trong mụi trường đặc trưng bởi phadinh, cú thể chia thành hai loại: phadinh che lấp (shadowing fading) và phadinh nhanh (sort term fading). Suy hao đường truyền một mặt phụ thuộc vào khoảng cỏch truyền súng và mặt khỏc, cũn phụ thuộc vào địa hỡnh truyền súng giữa nơi phỏt và nơi thu, do đú hỡnh thành nờn hai loại phadin núi trờn.
Tớn hiệu súng vụ tuyến khụng chỉ phụ thuộc vào suy hao khoảng cỏch đường truyền mà cũn phụ thuộc vào địa hỡnh truyền súng. Phadinh che lấp (Shadowing fading) phỏt sinh do những chướng ngại vật lớn địa hỡnh giữa mỏy phỏt và mỏy thu. Bờn cạnh đú, những phản xạ của cỏc loại tớn hiệu tỏn xạ khỏc nhau là nguyờn nhõn gõy ra đường truyền đa đường đến mỏy thu. Do đú, tớn hiệu thu được ở mỏy thu là tổng của cỏc tớn hiệu phản xạ khỏc nhau. Loại phadinh này được xem như là phadinh đa đường hay phadinh nhanh (sort term fading).
3.4.1 Phadinh nhanh (sort term fading)
Phadinh nhanh được tạo ra bởi những tỏn xạ ở vựng lõn cận của mỏy thu
cũn gọi là phadinh đa đường. Đặc tớnh kờnh của mỏy phỏt thứ i được xem như là
gồm M đường trễ khỏc nhau, ở đú mỗi một đường truyền là một phản xạ ở những vựng lõn cận của mỏy thu
) ( ) ( ( ) ( ) 1 c c i M c i t h t h
trong đú i(c) là trễ của đường truyền thứ i(c). Những trễ này là thuộc tớnh ngẫu nhiờn và được phõn bố đồng đều trong khoảng [i, i + T0], trong đú i là hằng
số định nghĩa như là trễ truyền dẫn giữa mỏy phỏt thứ i và mỏy thu. T0 là trễ trải trung bỡnh của kờnh. Hỡnh bao của kờnh đơn i(c) được xem như là phõn bố Rayleigh. hi(c) là hàm mật độ xỏc suất: 2 2 ) ( 2 / 2 ) ( m c a m i a a e h r P m 2
là hàm của năng lượng mong muốn ở mỏy thu Pr x (xem 3.8) Cho rằng năng lượng mong muốn ở mỗi kờnh đơn là một hằng số.
m = với mọi m. Đỏp ứng xung đặc trưng của SFN như hỡnh vẽ 3.9.
Hỡnh vẽ 3.9 Đỏp ứng xung trong SFN
Đặc tớnh của kờnh biến đổi nhanh cần phải được xem xột, đặc tớnh kờnh thay đổi khi mỏy thu di chuyển. Đặc tớnh kờnh được xem như là hằng số trong khoảng thời gian một symbol.
Đặc tớnh kờnh phụ thuộc vào thời gian được mụ tả như sau: 2 0 2 ) ( T c vf J T pt
trong đú J0(x) là hàm Bassel bậc 0, v là vận tốc mỏy thu di động, c là vận tốc
ỏnh sỏng.
Mối quan hệ sau phải được thoả món để trỏnh việc kờnh thay đổi quỏ nhanh:
tot c T vf c T 2 45 . 2 ) (
Hàm tương quan dần đến 0 khi tại J0(2,45)
Ttot là tổng thời gian một symbol OFDM.
Trong mạng đơn tần, giỏ trị của T0 phụ thuộc vào vị trớ mỏy thu. Tại cỏc điểm trong vựng dịch vụ, mọi tớn hiệu đều hầu như đến cựng một lỳc và trễ trải tự nhiờn quyết định trễ trải trung bỡnh. Bằng việc phõn tớch kờnh truyền dẫn, cú thể thấy rằng kờnh truyền dẫn thay đổi chậm và cú thể là xem phadinh chọn tần hoặc phadinh phẳng.
* Cụng suất thu ở mỏy thu
Cụng suất mỏy thu từ một mỏy phỏt i được cho bởi:
(3.6)
(3.7)
trong đú Pi là cụng suất thu được từ mỏy phỏt i cú khoảng cỏch ri đến mỏy thu.
L(ri) là suy hao đường truyền tuõn theo CCIR.
Perp là cụng suất năng lượng ảnh hưởng. Yi là giỏ trị thay đổi ngẫu nhiờn phụ thuộc phadinh che lấp. Quan hệ giữa cường độ trường và năng lượng cho một anten thu vụ hướng với độ lợi 1 là:
trong đú E (V/m) là cường độ trường và f là tần số sử dụng (Hz)
Suy hao trung bỡnh ở mỏy thu là:
Trong đú Ecctr(ri) được cho bởi đường cong CCIR hỡnh vẽ 3.10.
Năng lượng tương ứng 1kW (-30dB) từ đipol nửa súng (-2,15dB)
Vấn đề quan tõm là phạm vi phủ súng vụ tuyến. Khoảng cỏch phủ súng được xỏc định là:
Trong đú ht và hr là chiều cao anten mỏy phỏt và mỏy thu. (3.9)
(3.10)
Ảnh hưởng cuả tần số cao đến phạm vi phủ súng là rừ rệt được minh hoạ ở hỡnh 3.10, mà nhiễu ngoại phụ thuộc vào phạm vi phủ súng. Quan tõm đến độ bao phủ của vựng dịch vụ, chỳng ta dễ dàng cú độ bao phủ tốt nhờ vào việc sử dụng anten cao, tuy nhiờn lại phỏt sinh ra nhiễu ngoại ảnh hưởng đến SFN lõn cận. Bởi thế, độ cao anten được chọn để sao cho khoảng cỏch của phạm vi phủ súng lớn hơn khoảng cỏch lặp lại tần số.
Để giảm nhiễu, chỳng ta cần tăng cụng suất phỏt xạ của những mỏy phỏt khỏc nhau. Hỡnh dạng đường cong suy hao được duy trỡ dự mức độ cú giảm.
Hỡnh vẽ 3.10 Cường độ trường dB (V/m) cho 1kW sử dụng anten dipol nửa súng h = (37,5m 150m 300m).
3.4.2 Phadinh che lấp (Shadow fading)
Hiệu ứng phadinh che lấp (fading Shadow) xuất hiện khi cú chướng ngại vật lớn che lấp tớn hiệu từ vài mỏy phỏt khỏc nhau. Cụng thức của độ lợi phadinh
che lấp cho bởi mỏy phỏt thứ i là:
10 /
10 i
i
Y
Trong đú i là phõn bố chuẩn cú trung bỡnh bằng 0 và độ lệch tiờu chuẩn là:
= 8,3 dB.
Độ bao phủ của SFN phụ thuộc vào việc thu được nhiều tớn hiệu nhận được từ vài mỏy phỏt khỏc nhau, đú là độ tăng ớch của mạng. Thuộc tớnh tương quan giữa cỏc tớn hiệu thu cần được xem xột tỉ mỉ.
Trong mạng đơn tần, thường xuyờn cú tăng ớch phadinh che lấp khi mà cú những chướng ngại vật lớn che lấp tớn hiệu từ vài mỏy phỏt khỏc nhau như mụ tả ở hỡnh 3.11.
Hỡnh vẽ 3.11 Mụi trường Phadinh che lấp
Những thuộc tớnh tương quan của phadinh che lấp giữa mỏy thu và cỏc mỏy phỏt được tương ứng với gúc phương vị giữa chỳng.
Hỡnh vẽ 3.12 chỉ ra gúc giữa mỏy thu và hai mỏy phỏt với mỏy phỏt đặt tại
tõm mỗi cell. Vộc tơ giữa mỏy thu và mỏy phỏt i là ri. Hàm tương quan sau:
ri ri E ri ri R i
R , 1 1
trong đú i là gúc phương vị giữa vộc tơ ri , ri-1, được mụ tả trờn hỡnh vẽ 3.12.
Sự tương quan là phụ thuộc vào địa hỡnh, sự tương quan là khỏc nhau với những địa hỡnh khỏc nhau. Đối với địa hỡnh nhẵn thỡ cú được sự tương quan cao và ngược lại, đối với những địa hỡnh gồ ghề cú sự thay đổi lớn về độ cao thỡ cú sự tương quan nhỏ hơn.
Để cú tương quan về gúc, ta sử dụng hàm tương quan suy giảm đơn giản:
r,r 1 2a 0 a 1
R i
i
i
Hỡnh vẽ 3.12 Sự khỏc nhau về gúc của hai mỏy phỏt và mỏy thu
(3.13)
trong đú a: tham số tự động tương quan chuẩn hoỏ. Một dạng khỏc cho những mỏy phỏt khỏc nhau:
ri a i ri a iXi
1 1 2
trong đú Xi là đặc trưng của quỏ trỡnh ngẫu nhiờn Gauss độc lập với độ lệch