Nhiễu đồng kênh (Co-channel interference)

2.6. CÁC LOẠI NHIỄU TRONG MẠNG TRUYỀN THƠNG HỢP TÁC

2.6.4 Nhiễu đồng kênh (Co-channel interference)

- Khái niệm: Nhiễu đồng kênh hay giao thoa đồng kênh là nhiễu xảy ra khi hai bộ

phát vơ tuyến phát cùng một tần số [24-25]. Như trong hình 2.10, bộ thu điều chỉnh ở kênh này sẽ thu được tín hiệu ở cả hai bộ phát với cường độ phụ thuộc vào vị trí của bộ thu so với hai bộ phát. Nhiễu đồng kênh thường xảy ra trong hệ thống vơ tuyến số cellular bởi vì sự tái sử dụng tần số tại các cell. Trong mạng di động GSM, mỗi trạm BTS được cấp phát một nhĩm tần số vơ tuyến, các trạm BTS lân cận cũng được cấp phát các nhĩm kênh vơ tuyến khơng trùng với các kênh của BTS liền kề. Đặc trưng cho nhiễu đồng kênh đĩ là tỉ số sĩng mang trên nhiễu (C I/ ). Tỉ số này được định nghĩa là cường độ tín hiệu mong muốn trên cường độ tín hiệu nhiễu sau lọc cao tần và nĩ thể hiện mối quan hệ giữa cường độ tín hiệu mong muốn so với nhiễu đồng kênh từ các trạm BTS khác. Tỷ số C I/ được tính theo cơng thức: C I/ 10logP Pc i, với Pc là cơng suất tín hiệu mong muốn, Pi là cơng suất nhiễu thu được. Trong thực tế, yêu cầu đối với tỉ số

/

C I trong mạng vơ tuyến là C I/ 12dB .

Hình 2. 10 Mơ hình tác động nhiễu đồng kênh

- Nguyên nhân gây ra nhiễu đồng kênh: Trong thơng tin di động tế bào (GSM và

hệ thống LTE), phổ tần số là một tài nguyên quý giá được chia thành các băng tần khơng chồng chéo đến các tế bào khác nhau. Tuy nhiên, sau khoảng cách địa lý nhất định, dải tần số được tái sử dụng, tức là cùng một băng tần được phân bổ lại cho các tế bào ở xa. Sự giao thoa đồng kênh phát sinh trong các mạng di động tế bào do hiện tượng tái sử dụng tần số. Vì vậy, bên cạnh những tín hiệu dự định từ bên trong các tế bào, tín hiệu ở cùng tần số (tín hiệu đồng kênh) đến bộ thu từ các bộ phát khơng mong muốn ở một số tế bào khác dẫn đến sự suy giảm chất lượng trong hoạt động thu.

35

Điều kiện thời tiết bất lợi: Trong một điều kiện thời tiết nhất định, tín hiệu sẽ truyền qua khí quyển một cách bình thường. Khi thời tiết thay đổi, tầng đối lưu sẽ làm cho các tín hiệu truyền qua theo nhiều đường hơn và sẽ gây nhiễu cho các bộ phát địa phương trong khu vực bị ảnh hưởng.

Quy hoạch tần số: lập kế hoạch phân bố tần số của các đài truyền hình cĩ thể gây ra nhiễu đồng kênh, mặc dù điều này là rất hiếm.

Quá đơng đúc phổ tần số sĩng vơ tuyến: Ở nhiều khu dân cư, cĩ quá nhiều phổ tần số sĩng vơ tuyến. Đến mức người ta cĩ thể nghe to và rõ ràng hai, ba, hoặc nhiều kênh trên cùng một tần số trong cùng một lúc. Nhiễu đồng kênh cĩ thể được kiểm sốt bởi các chương trình quản lý tài nguyên vơ tuyến khác nhau.

- Nguyên lý tái sử dụng tần số: Một hệ thống vơ tuyến tổ ong làm việc dựa trên

nguyên tắc tái sử dụng lại tần số. Nguyên lý cơ bản khi thiết kế hệ thống vơ tuyến tổ ong là các mẫu tái sử dụng tần số. Tổng băng thơng cĩ trên mạng được phân chia giữa các tế bào trong một cụm. Cụm này sau đĩ cĩ thể được sử dụng để xác định số cuộc gọi cĩ thể được hỗ trợ trong mỗi tế bào. Bằng việc giảm số lượng các tế bào trong một cụm, dung lượng của hệ thống cĩ thể tăng lên vì cĩ thể cĩ thêm nhiều kênh hơn trong mỗi tế bào. Tuy nhiên mỗi lần giảm kích thước cụm sẽ gây nên một lần giảm khoảng cách sử dụng lặp tần, do vậy hệ thống rất cĩ nguy cơ trở thành giao thoa đồng kênh. Theo định nghĩa tái sử dụng lại tần số là việc sử dụng các kênh vơ tuyến ở cùng một tần số sĩng mang để phủ sĩng cho các vùng địa lý khác nhau. Các vùng này phải cách nhau một cự ly đủ lớn để mọi nhiễu giao thoa đồng kênh ở mức chấp nhận được. Tỉ số sĩng mang trên nhiễu

/

C I phụ thuộc vào vị trí tức thời của thuê bao di động do địa hình khơng đồng nhất, số lượng và kiểu tán xạ. Phân bố tỉ số C I/ cần thiết ở hệ thống xác định số nhĩm tần số F

mà ta cĩ thể sử dụng. Nếu tồn bộ số kênh quy định N được chia thành F nhĩm thì mỗi nhĩm sẽ chứa N F kênh. Vì tổng số kênh N là cố định nên số nhĩm tần số F nhỏ hơn sẽ dẫn đến nhiều kênh hơn ở một nhĩm và một đài trạm. Vì vậy, việc giảm số lượng các nhĩm tần số sẽ cho phép mỗi đài trạm tăng lưu lượng, nhờ đĩ giảm số lượng các đài trạm cần thiết cho tải lưu lượng định trước. Ta biết rằng sử dụng lại tần số ở các cell khác nhau thì bị giới hạn bởi nhiễu đồng kênh giữa các cell đĩ nên C I/ sẽ là một vấn đề chính cần được quan tâm. Với mỗi kích thước cell cố định, khoảng cách sử dụng lại tần số phụ

36

thuộc vào số nhĩm tần số N . Nếu N càng lớn, khoảng cách sử dụng lại tần số càng lớn

và ngược lại.

- Các thơng số tái sử dụng tần số

Việc sử dụng lặp tần số cĩ thể được xác định theo phương trình sau cho mỗi kích thước cụm tế bào:

3

D

N

R  (2.23)

Trong đĩ: D là khoảng cách trung bình sử dụng lặp tần. R Là bán kính tế bào.

N là kích cỡ cụm.

Hình 2. 11 Mơ hình tính tốn thơng số tái sử dụng tần số

- Một số giải pháp để hạn chế loại nhiễu đồng kênh trong các hệ thống cellular như sau: Khơng thể dùng bộ lọc để loại bỏ giao thoa đồng kênh do các bộ phát sử dụng

cùng một tần số. Chỉ cĩ thể tối ưu hĩa nhiễu đồng kênh bằng cách thiết kế mạng cellular phù hợp. Tức là thiết kế sao cho các cell trong mạng cĩ sử dụng cùng nhĩm tần số khơng ảnh hưởng tới nhau dẫn đến khoảng cách các cell cùng tần số phải đủ lớn.

Sử dụng lại tần số là việc cấp phát cùng một nhĩm tần số vơ tuyến tại các vị trí địa lý khác nhau trong mạng mà khơng làm ảnh hưởng chất lượng kết nối tại giao tiếp vơ tuyến do nhiễu đồng kênh và nhiều kênh lân cận gây nên.

Xem các nhiễu đồng kênh này là tín hiệu khơng mong muốn và do đĩ ta cần thiết kế bộ thu sao cho chỉ tập trung vào tách tín hiệu mong muốn. Phương pháp này được sử

37

dụng rộng rãi trong thực tế do việc thực hiện đơn giản. Tuy nhiên, nĩ khơng thể đạt được dung lượng kênh tối đa.

Nếu cơng suất tín hiệu nhiễu này đủ lớn thì ta cĩ thể giải mã và sau đĩ trừ vào tín hiệu nhận được. Tuy nhiên, đối với những hệ thống cĩ hơn hai người sử dụng thì phương pháp này trở nên rất phức tạp. Phương pháp này cho phép tránh được nhiễu bằng cách khai thác các kênh trực giao, trong đĩ tín hiệu truyền được lựa chọn để khơng chồng lấn trong miền thời gian, tần số hoặc khơng gian. Phương pháp tiêu biểu là đa truy cập phân chia theo thời gian, tần số và khơng gian. Trong phương pháp này, mỗi người sử dụng chia sẻ một phần dung lượng của hệ thống.

Trong các kênh can nhiễu, khi khơng cĩ sự hợp tác giữa các người dùng thì mỗi người dùng cĩ xu hướng tối đa hĩa tốc độ của riêng mình. Tuy nhiên, hướng tiếp cận đĩ làm cho tổng tốc độ đạt được cho tất cả cặp người dùng khơng được cải thiện so với tốc độ của kênh cĩ một cặp người dùng duy nhất. Mặt khác, các bộ phát cĩ thể hợp tác với nhau để giảm can nhiễu bằng cách chia sẻ tất cả trạng thái thơng tin của kênh truyền của các luồng tín hiệu cho tất cả các người dùng. Nhược điểm chính của phương pháp này là yêu cầu nghiêm ngặt về việc phối hợp giữa các người dùng, yêu cầu cao về băng tần thơng tin của các liên kết truyền dẫn.

Tài liệu [26] đã chứng minh rằng tổng dung lượng cho mỗi người dùng trong một mạng với số lượng người dùng tùy ý cĩ thể đạt một nửa dung lượng của mỗi người dùng trong trường hợp khơng cĩ can nhiễu. Kết quả quan trọng này đạt được bằng kỹ thuật sắp xếp can nhiễu. Ý tưởng chính của sắp xếp can nhiễu là giới hạn các tín hiệu can nhiễu trong một khơng gian con riêng ở mỗi bộ thu, trong khi các tín hiệu mong muốn cĩ thể được truyền trên khơng gian con khơng bị can nhiễu.