2.3 Các biện pháp chống pha đinh
Đe chống pha đinh người ta sử dụng các biện pháp sau đây:
❖ Trải phổ:
Trải phổ là làm cho độ rộng của tín hiệu tăng lên nhiều lần so với độ rộng ban đầu. Thực ra phương pháp trải phổ là thực hiện điều chế lần 2 của dữ liệu đã được điều chế sử dụng sóng mang băng rộng. Đầu tiên kĩ thuật trải phổ được sử dụng trong các hệ thống truyền thông quân sự với ý tưởng là chỉ để bảo mật tín hiệu, về sau kỹ thuật này đã được sử dụng trong dân sự với chức năng đa truy xuất. Có 3 hệ thống trải phổ cơ bản là: Chuồi trực tiếp (Direct Sequence-DS), nhảy tần (Frequence Hopping-FH), nhảy thời gian (Time Hopping-TH).
Hệ thống trải phổ có một số ưu điểm sau: Khả năng chóng nhiễu cao, giảm thiểu ảnh hưởng của pha đinh, sử dụng chung băng tần giống nhau, tính bảo mật cao.
❖ Mã hóa kênh chống lỗi kết hợp vói đan xen tín hiệu:
Hai dạng mã hóa kênh chống lỗi được sử dụng ở thông tin di động: - Mã phát hiện lỗi: Mã khối tuyến tính
Mã sửa lỗi: Mã xoắn hoặc mã turbo
❖ Sử dụng nhiễu sóng mang (MC: Multi Carier):
Kỹ thuật phát nhiễu sóng mang (MC) được áp dụng cho các hệ thong thông tin di động CDMA thế hệ ba. Ở kỳ thuật này luồng số sau trải phổ được chia thành ba luồng với tốc độ trải phổ mỗi luồng bằng 1/3 tốc độ trải phổ chính. Sau đó mồi luồng được đưa lên điều chế ba sóng mang với ba tần số khác nhau. Các nghiên cứu cho thấy chế độ phát MC không những cho phép chống pha đinh mà còn chống cả nhiễu.
❖ Phân tập:
Là một phương pháp dùng trong viễn thông dùng để nâng cao độ tin cậy của việc truyền tín hiệu bằng cách truyền một tín hiệu giống nhau trên nhiều kênh truyền khác nhau để đầu thu có thể chọn trong số những tín hiệu thu được hoặc kết hợp những tín hiệu đó thành một tín hiệu tốt nhất. Việc này nhàm chống lại pha đinh và nhiễu là do những kênh truyền khác nhau sẽ chịu pha đinh và nhiễu khác nhau. Người ta có thể sử dụng mã sửa lỗi FEC (Forward Error Correction) cùng với kỹ thuật phân tập. Lợi dụng việc truyền trên nhiều kênh mà ta có được độ lợi phân tập, thường được đo bằng dB.
Kỳ thuật phân tập đã được sử dụng từ lâu trong thông tin vô tuyến để chống pha đinh. Tồn tại các phương pháp phân tập sau đây ở các hệ thống truyền dẫn viba số:
- Phân tập không gian:
Phân tập không gian là dạng phân tập được sử dụng phổ biến nhất ở thông tin di động. Các hệ thống thông tin di động FDMA và TDMA sử dụng FDD (ghép song công phân chia theo tần số) chỉ cho phép sử dụng phân tập không gian thu (Receiving Diversity) ở BTS. Các hệ thống thông tin di động sử dụng TDD (ghép song công phân chia theo thời gian) và CDMA cho phép sử dụng cả phân tập không gian thu lẫn phân tập không gian phát (Transmitting Diversity). Đây là một ưu điểm lớn vì phân tập
không gian thu chỉ áp dụng cho BTS mà không thể áp dụng cho MS. Phân tập không gian phát sẽ áp dụng cho MS. Ở thơng tin di động có thể coi nhảy tần ở GMS và MC ở CDMA là một dạng của phân tập tần số. Ở đây cũng có thể coi đan xen Ịà một dạng cải tiến của phân tập thời gian.
- Phân tập tần số:
Tín hiệu được truyền trên nhiều tần số khác nhau hoặc trên một dãy phổ tần rộng bị tác động bởi pha đinh lựa chọn tần so (frequency-selective pha đinh).
OFDM: được sử dụng kết hợp với ghép xen và mã sửa lồi FEC Trải phổ: ví dụ như trải phổ nhảy tần hoặc trải phổ trực tiếp.
- Phân tập phân cực:
Tín hiệu được truyền đi bằng cách dùng những sóng phân cực khác nhau (cái này sẽ chia nhỏ tín hiệu vì tín hiệu phải chia đều cho các nhánh) -> chất lượng thu sẽ giảm.
Phân tập góc
Phân tập thời gian:
Tín hiệu được truyền đi ở những thời điểm khác nhau. Người ta dùng mã sửa lỗi FEC và trải tín hiệu ra theo thời gian bằng bộ ghép xen (bit-interleaving).
Nhược điểm của việc phân tập theo thời gian: ở bên phía thu phải chờ một khoảng thời gian để xử lý tín hiệu -> với các ứng dụng thời gian thực thì việc đó nên tránh.
❖ Cân bằng thích ứng và máy thu RAKE:
Bộ cân bằng thích ứng áp dụng cho GMS được gọi là bộ cân bang Viterbi. Bộ cân bằng này cho phép xử lý tín hiệu phản xạ trễ đến 15/ZS (4 bit). Các máy thu CDMA không sử dụng các bộ cân bằng này mà thay vào đó chúng sử dụng máy thu RAKE. Máy thu RAKE cho phép cân bằng pha của các tín hiệu đến từ các đường khác nhau và tổ hợp chúng thành một tín hiệu tốt nhất. Biện pháp này không những chống được pha đinh mà cịn lợi dụng được nó.
2.4 Đồng chỉnh thời gian và giảm nhiễu do hiện tượng gần xa
Hiện tượng gần-xa là hiện tượng xảy ra khi MS di động thay đổi khoảng cách so với BS phục vụ nó. Hiện tượng này gây ra các ảnh hưởng khác nhau ở hệ thống thông tin di động TDMA và CDMA. Ở hệ thống TDMA hiện tượng này làm mất đồng chỉnh pha của các khe thời gian thu được ở BTS còn ở hệ thống CDMA hiện tượng này làm tăng nhiễu đồng kênh.
❖ Đồng chỉnh thời gian
Sử dụng TDMA ở vơ tuyến dẫn đến vấn đề “ gần-xa” vì MS chỉ được phát trong khoảng khe thời gian dành cho nó và chỉ thu ở thời gian cịn lại. Neu khơng nó sẽ gây nhiễu cho các cuộc gọi từ các MS khác sử dụng các khe thời gian khác nhưng cùng tần số. Chẳng hạn một MS đã được ấn định khe thời gian 3 (TS3) rất gần với BTS. Trong quá trình gọi MS này chuyển động ra xa trạm gốc vì thế thơng tin mà nó nhận từ BTS sẽ muộn hon và muộn hơn, cũng như vậy thơng tin mà nó trả lời BS cũng được BS nhận muộn hơn và muộn hơn. Neu khơng có biện pháp, thì trễ sẽ tăng dần và dẫn đến rằng khe TS3 do MS này phát sẽ chồng lấn lên khe TS4 của một MS khác ở BTS. Vì thế trong quá trình gọi, thời gian đến BTS của khe thời gian được giám sát và BTS sẽ phát đi các lệnh để các MS phát sớm hơn khi chúng rời xa BTS. Quá trình này được gọi định thời trước (Timing Advance).
❖ Các phương pháp điều khiển công suất ở các hệ thống thông tin di động tổ ong CDMA
Ở các hệ thống thông tin di động tổ ong CDMA, các máy di động đều phát chung một tần số ở cùng thời gian nên chúng gây ra nhiễu đồng kênh đối với nhau. Chất lượng truyền dẫn của đường truyền vô tuyến đối với từng người sử dụng trong môi trường đa người sử dụng phụ thuộc vào tỷ số Eb/N0, trong đó Eb là năng lượng bit còn No là mật độ tạp âm trắng Gausơ cộng bao gồm tự tạp âm và tạp âm quy đổi từ máy phát của các người sử dụng khác. Để đảm bảo tỷ số Eb/N0 không đổi và lớn hơn ngưỡng yêu cầu cần điều khiển công suất của các máy phát của các người sử dụng theo khoảng cách của nó với trạm gốc. Nếu như ở các hệ thống FDMA và TDMA việc điều chỉnh cơng suất này khơng bắt buộc thì ở hệ thống CDMA điều chỉnh công suất là bắt buộc và điều chỉnh công suất phải nhanh nếu không dung lượng của hệ thống sẽ bị giảm. Chẳng hạn nếu công suất thu được của một người sử dụng nào đó ở trạm gốc lớn
hơn mười lần công suất phát của người sử dụng khác, thì nhiễu giao thoa đồng kênh do người sử dụng này gây ra cũng lớn gấp mười lần nhiễu của các người sử dụng khác. Như vậy dung lượng của hệ thống sẽ giảm đi một lượng bằng 9. Công suất thu được ở trạm gốc phụ thuộc vào khoảng cách của các máy di động so với trạm gốc và có thể thay đổi đến 80dB.
Dung lượng của một hệ thống di động CDMA đạt gía trị cực đại nếu cơng suất phát của máy di động được điều khiển sao cho ở trạm gốc công suất thu được là như nhau đối với tất cả các người sử dụng. Điều khiển công suất được sử dụng cho đường lên để tránh được hiện tượng gần-xa và giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu lên dung lượng hệ thống.
Đối với công suất đường xuống không cần điều khiển cơng suất ở hệ thống đơn ơ, vì nhiễu gây ra do tín hiệu của các người sử dụng khác ln ở mức khơng đổi đối với tín hiệu hữu ích. Tất cả các tín hiệu đều được phát chung và vì thế khơng xảy ra sự khác biệt về tổn hao truyền sóng như ở đường lên. Ngồi việc giảm hiện tượng gần-xa, điều khiển cơng suất cịn được sử dụng để giảm hiện tượng che tối và duy trì cơng suất phát trên một người sử dụng, cần thiết để đảm bảo tỷ số bit lỗi ở mức cho trước, ở mức tói thiểu. Như vậy điều khiển cơng suất còn cho một cái lợi khác là kéo dài tuổi thọ của ắc qui trong các máy cầm tay.
Một phương pháp điều khiển công suất là đo để tự điều khuếch (AGC: Automatic Gain Control) ở máy thu di động. Trước khi phát, trạm di động giám sát tổng công suất thu được từ trạm gốc. Công suất đo được cho thấy tổn hao đường truyền đối với từng người sử dụng. Trạm di động điều chỉnh cơng suất phát của mình tỷ lệ nghịch với tổng cơng suất mà nó thu được. Có thể phải điều chỉnh công suất ở một dải động lên tới 80dB. Phương pháp này được gọi là điều chỉnh cơng suất vịng hở (Open-loop Power Control), ở phương pháp này trạm gốc không tham gia vào các thủ tục điều khiển công suất.
Trở ngại khi sử dụng đo để tự điều khuếch để điều chỉnh công suất là sự thay đổi rất lớn tổn hao ở đường truyền lên và xuống. Tần số trung tâm của các đường lên và xuống thông thường nằm ở các băng tần khác nhau. Trong trường họp này khơng cịn tính đảo lẫn giữa hai đường. Vì thế tổn hao đường truyền ở hai đường sẽ khác nhau.
Thí dụ ở hệ thống thơng tin tổ ong IS-95 hai tần số trung tâm này khác nhau 45MHz, tổn hao đường truyền của hai đường có thể khác nhau tới vài dB.
Có thể đạt được điều khiển cơng suất trung bình thời gian dài hiệu quả hơn bằng sơ đồ điều khiển cơng suất vịng kín (Closed-loop Power Control). Phương pháp này đòi hỏi trạm gốc phải thường xuyên liên hệ với trạm di động để nó thay đổi cơng suất một cách thích ứng. Trạm gốc đánh giá cơng suất tín hiệu của người sử dụng đường lên và so sánh nó với cơng suất ngưỡng danh định. Trên cơ sở mức thu cao hay thấp hơn ngưỡng, trạm gốc phát lệnh một bít đến trạm di động để hạ thấp hoặc nâng cao công suất phát của trạm di động lên một nấc cố định biểu thị bằng dB (IdB chẳng hạn).
Phương pháp này gọi là điều khiển “Bang - Bang”.
Vịng nói trên sẽ gây trễ bằng tổng của thời gian phát lệnh và thời gian cần thiết để thực hiện hiện lệnh ở máy phát của trạm di động.
Ở một hệ thống thực tế người ta có thể sử dụng kết họp điều khiển vịng hở và kín. Cơng suất danh định có thể được gắn với mức cơng suất cần thiết để đạt được tỷ số bit lỗi cho trước. Tuy nhiên do hiện tượng che tối mức cơng suất này có thể thay đổi. Vì thế cần thêm một vịng điều chỉnh cơng suất được gọi là vịng ngồi (Outer Loop) để điều chỉnh mức công suất định danh đến tỷ số bit lồi yêu cầu.
Tốc độ thực hiện điều chỉnh công suất phụ thuộc vào việc hàm điều chỉnh công suất được thiết kế theo sự che tối luật logarit chuẩn chậm hay chỉ theo sự thay đổi tổn hao đường truyền . Nếu điều chỉnh công suất tuân theo pha đinh đa tia nhanh, thì tốc độ điều chỉnh công suất phải lớn hơn tốc độ pha đinh cực đại 10 lần. Neu điều chỉnh công suất được thiết kế theo thay đổi logarit chuẩn chậm do che tối thì tín hiệu thu được sẽ thể hiện pha đinh Rayleigh nhanh sau khi điều chỉnh cơng suất.
Hình 2.5 cho thấy các dạng sóng mẫu của các tín hiệu được điều chỉnh công suất khi sử dụng sơ đồ điều khiển cơng suất vịng kín theo từng bước cố định. Tốc độ lấy mẫu điều chỉnh công suất 1/Tp được coi là gấp 10 lần tốc độ pha đinh cực đại R<j. Đê điều khiển cơng suất hồn hảo, cơng suất tín hiệu phát là đảo ngược của sự thay đổi kênh như thấy ở hình vẽ. Tuy nhiên do có sự thay đổi của pha đinh trong kênh nhanh, cơng suất tín hiệu phát khơng kịp đảo ngược của sự thay đổi kênh. Vì thể sẽ cịn lại một lượng pha đinh dư đáng kể ở tín hiệu thu sau khi điều chỉnh cơng suất (hình 2.5b)
Các lệnh điều khiển công suất được phát ở đường xuống không được mã hóa kiểm sốt lỗi để giảm thiểu trễ vịng.
Trong các hệ thống thực tế, việc điều chỉnh công suất không đạt được như lý thuyết. Các thay đổi của tín hiệu thu ở trạm gốc sau khi điều chỉnh công suất tuân theo quy luật gần giống như phân bố logarit chuẩn tắc (theo các kết quả ghi nhận thực nghiệm). Độ lệch tiêu chuẩn của tỷ số tín hiệu trên tạp âm thơng thường trong khoảng
IdB và 2dB.