Toàn bộ các yếu tố liên quan đến kênh truyền dựa trên 3 nguyên tắc cơ bản 1.Xác định rõ môi trường: vùng ngoại ô lớn, thành phố lớn, thành phố nhỏ 2. Các thông số thu được liên quan đến môi trường
3. Tạo ra hệ số kênh truyền dựa trên các thông số
Trong khi mạng băng rộng cố định với nhiều công nghệ sẵn có thì mạng vô tuyến chỉ có thể cung cấp khả năng phủ sóng tầm nhìn thẳng (line of sight – LOS).
Hình 3.16: Hệ thống WiMax truyền sóng trong LOS và NLOS
Vì thế nền tảng công nghệ WiMax đã được tối ưu hoá để cho ra đời khả năng phủ sóng không theo tầm nhìn thẳng (non line of sight – NLOS). Công nghệ tiên tiến
Vùng ngoại ô lớn Vùng đô thị lớn LOS
Vùng đô thị nhỏ LOS
Pathloss: Hata Pathloss: Walfish-Ikegami
87
WiMax có thể cung cấp tốt nhất về khoảng cách phủ sóng lên tới 50km dưới các điều kiện tầm nhìn thẳng – LOS và bán kính cell lên tới 8km dưới các điều kiện không theo tầm nhìn thẳng – NLOS.
• Truyền sóng LOS và NLOS:
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, 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. 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 từđường 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.
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. [13]
Làm thế nào để một hệ thống vô tuyến sử dụng những tín hiệu đa đường này để cung cấp một dịch vụđảm bảo trong điều kiện NLOS. Một sản phẩm đơn thuần chỉ tăng công suất để xuyên qua được vật cản (đôi khi gọi là “tương tự 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 chếđộ 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
88
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 [7]
Hình 3.17: Vị trí thuê bao LOS và NLOS Vị trí CPE ởđiều kiện không theo tầm nhìn thẳng NLOS
• Các giải pháp công nghệ cho 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 a. Công nghệ OFDM
Công nghệ ghép kênh phân chia theo tần số trực giao – OFDM đem lại cho các nhà khai thác hiệu quảđáng 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
89
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-ký hiệu 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, pha-đinh 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.
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.
Hình 3.18: Sóng mang đơn và tín hiệu thu OFDM
Hình bên trái là sóng mang đơn, nét chấm biểu diễn phổ phát, vùng nét liền biểu diễn đầu vào phía thu.
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 nghệđể lựa chọn.
• Kênh con hóa:
Kênh con hoá (sub-channelization) trên đường lên là tuỳ chọn trong công nghệ WiMax, khi không sử dụng kênh con hóa, những sự hạn chếđiều tiết và yêu cầu các CPE chi phí hiệu quả gây lên quỹđường 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 tăng ích (gain) của hệ thống là tương tự nhau đối với cảđường truyền lên và xuống. Kênh con hoá tập trung công suất phát vào một vài sóng mang OFDM; điều này làm tăng độ tăng ích hệ thống và mở rộng
90
hệ thống, khắc phục được tổn hao thâm nhập tòa 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 3.19: Hiệu ứng kênh con hoá (sub channelization)
b. Anten trong các ứng dụng không dây cốđịnh
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 sựảnh hưởng đáng kể của pha-đinh 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 thểđược thiết kếđể 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.
91
Hình 3.20: Ứng dụng của hệ thống anten mimo đối với các trường hợp sử dụng khác nhau
• 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 pha-đinh và giảm tổn hao đường truyền. Phân tập đã được chứng minh là một công cụ hiệu quả cho truyền NLOS.
• 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
92
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 pha-đinh 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 pha-đinh thực tế. Hình dưới mô tả tương quan bán kính cell trong điều chế thích nghi
Hình 3.21: Bán kính cell • Các kĩ 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 pha-đinh lựa chọn tần số hoặc lỗi cụm. Thuật toán yêu cầu tựđộng 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
• 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 pha-đinh 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,
93
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.
c. Các định nghĩa, các tham số và các giả thiết tổng quát
Tín hiệu nhận được tại MS bao gồm: N lần trễđa đường của tín hiệu truyền
“N paths” này được xác định bằng năng lượng và trễđược lựa chọn ngẫu nhiên theo kênh truyền thông thường. Mỗi đường truyền bao gồm M đường truyền phụ
Hình 3.22: Các thông số góc của trạm gốc và thuê bao Thông số góc của trạm gốc và thuê bao:
: chùm tia định hướng của anten BS, xác định bằng sự lệch giữa toàn bộ các hướng của mạng anten BS và hướng tham chiếu chính Bắc.
: hướng LOS AoD giữa trạm gốc và thuê bao với toàn bộ các hướng của mạng anten trạm gốc
, AoD: AoD cho đườ ề (n = 1, 2,…,N) tương ứng với LOS AoD
, , : AoD của đườ ề ụ (m = 1, 2,...,M) của đườ ề tại trạm gốc tương ứng với toàn bộ các hướng của mạng anten trạm gốc.
: chùm tia định hướng của anten thuê bao, được xác định bằng toàn bộ các hướng mạng anten thuê bao và hướng tham chiếu chính bắc.
: góc xác định giữa BS-MS LOS và MS broadside.
, AoA: góc tới của đườ ề (n = 1, 2,….,N) tương ứng với LOS AoA , , , : khoảng cách thẳng góc với đường chính cho đườ ề ụ (m = 1, 2,….,M) của đườ ề , AoA.
94
, , : hướng chính của góc tới AoA cho đườ ề ụ đườ ề ụ của đườ ề tại trạm gốc tương ứng với toàn bộ các hướng của mạng anten trạm gốc
v: tốc độ di chuyển của thuê bao
: góc của vectơ vận tốc tương ứng với toàn bộ các hướng của mạng anten thuê bao
arg