Trong các hệ thống đa truy nhập vô tuyến, tất cả các đầu cuối cùng chia sẻ phƣơng tiện truyền dẫn. Để tránh nhiễu và truyền dẫn chồng chéo cần phải có sự điều khiển sự truy nhập vào phƣơng tiện truyền. Các phƣơng pháp đa truy nhập và song công đƣợc dùng để cho phép nhiều ngƣời dùng cùng chia sẻ đồng thời một số dải sóng hữu hạn .
3.4.1. Các phƣơng pháp song công
Trong các hệ thống điểm - đa điểm, hiện nay tồn tại 2 kỹ thuật song công (hoạt động theo 2 chiều: chiều xuống - downstream và chiều lên - upstream):
Chia theo tần số (Frequency Division Duplexing FDD): Kỹ thuật này chia dải tần số sử dụng ra làm 2 kênh riêng biệt, một kênh cho chiều xuống và một kênh cho chiều lên.
Chia theo thời gian (Time Division Duplexing - TDD ): Kỹ thuật này mới hơn, cho phép lƣu lƣợng thông theo 2 chiều trong cùng một kênh, nhƣng tại các khe thời gian khác nhau.
Việc lựa chọn phƣơng pháp song công thƣờng độc lập với việc đa truy nhập và các phƣơng pháp điều chế. Lựa chọn kỹ thuật nào, FDD hay TDD, phụ thuộc vào mục đích sử dụng chính của hệ thống: ứng dụng đối xứng (thoại - voice) hoặc không đối xứng (dữ liệu - data). Kỹ thuật FDD sử dụng băng thông không hiệu quả
đối với các ứng dụng dữ liệu. Trong hệ thống sử dụng kỹ thuật FDD, băng thông cho mỗi chiều đƣợc phân chia cố định.
Đối với kỹ thuật TDD, số lƣợng khe thời gian cho mỗi chiều thay đổi thƣờng xuyên. Khi lƣu lƣợng chiều lên nhiều, số lƣợng khe thời gian dành cho chiều lên sẽ đƣợc tăng lên, và ngƣợc lại. Với sự giám sát số lƣợng khe thời gian cho mỗi chiều, hệ thống sử dụng kỹ thuật TDD hỗ trợ cho sự bùng nổ thông lƣợng truyền dẫn đối với cả 2 chiều.
Nhƣợc điểm chủ yếu của kỹ thuật TDD là việc thay đổi chiều của lƣu lƣợng tốn thời gian, việc cấp phát khe thời gian là vấn đề phức tạp cho hệ thống phần mềm. Hơn nữa, kỹ thuật TDD yêu cầu sự chính xác về thời gian. Tất cả các máy trạm trong khu vực của một hệ thống sử dụng kỹ thuật TDD cần có một điểm thời gian tham khảo để xác định chính xác các khe thời gian. Điều này giới hạn phạm vi bao phủ đối với các hệ thống điểm - đa điểm.
3.4.2. Các phƣơng pháp đa truy nhập
Các phƣơng pháp đa truy nhập đƣợc sử dụng để tách rời ngƣời sử dụng với nhau trong một kênh truyền. Các phƣơng pháp đa truy nhập phổ biến nhất đƣợc sử dụng trong các hệ FBWA bao gồm đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA), đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA), đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA), đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA), và đa truy nhập nhạy cảm sóng mang (CSMA).
3.5. KỸ THUẬT TRẢI PHỔ
Khi tài nguyên vô tuyến ngày càng trở nên cạn kiệt, ngƣời ta bắt đầu phải áp dụng kỹ thuật trải phổ nhằm nâng cao hiệu năng sử dụng tần số. Có hai kỹ thuật trải phổ thông dụng nhất hiện nay là FHSS và DSSS.
3.5.1. Trải phổ chuỗi trực tiếp DSSS
Các hệ thống DSSS mang lại truyền dẫn tin cậy với các tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm tƣơng đối nhỏ. Bản chất của DSSS là thực hiện trải năng lƣợng tín hiệu trên một
dải tần rộng. Năng lƣợng trên một đơn vị xung giảm xuống. Do đó nhiễu do hệ thống DSSS tạo ra nhỏ hơn rất nhiều so với các hệ thống băng hẹp. Nhờ vậy cho phép các tín hiệu DSSS phân chia cùng một băng tần. Đối với một bộ thu bất kỳ, các tín hiệu DSSS xuất hiện nhƣ là nhiễu băng rộng công suất thấp và đƣợc loại bỏ nhờ các bộ thu băng hẹp. Gi¶i tr¶i phæ DSSS lµm gi¶m nhiÔu C«ng suÊt TÇn sè TÝn hiÖu gi¶i tr¶i phæ DSSS TÝn hiÖu nhiÔu C«ng suÊt TÇn sè TÝn hiÖu tr¶i phæ chuçi trùc tiÕp truyÒn dÉn chuçi trùc tiÕp Cã nhiÔu C«ng suÊt TÇn sè TÝn hiÖu DSSS TÝn hiÖu nhiÔu
Hình 3.9: Trải phổ chuỗi trực tiếp
Mỗi bít số liệu đƣợc chuyển đổi (ánh xạ - mapping) với một mẫu chung mà chỉ có máy phát và máy thu đã định hƣớng biết trƣớc đƣợc. Mẫu bít này đƣợc gọi là mã giả tạp âm (pseudo-noise ) và mỗi bít trong mã đƣợc gọi là một bộ chip. Thứ tự của các chip trong một chu kỳ bít là ngẫu nhiên nhƣng trình tự giống nhau đƣợc lặp đi lặp lại, nhƣ vậy tạo ra chuỗi giả ngẫu nhiên hoặc ngẫu nhiên từng phần. Tốc độ chip của mã giả tạp âm n bit là lớn hơn n lần tốc độ số liệu. Tốc độ cao nhƣ vậy gây ra băng thông rất rộng.
Tại bộ thu các chip đƣợc giải trải phổ bởi cùng một mã giả tạp âm và chuyển đổi ngƣợc trở lại thành các bit số liệu gốc. Tuy nhiên trong quá trình truyền dẫn năng lƣợng của nhiễu và giao thoa có thể bị cộng thêm vào, năng lƣợng này bị loại
bỏ bởi mã giả tạp âm. Ngoài việc biết mã giả tạp âm trong máy phát, bộ thu cũng phải đồng bộ với pha của mã cũng nhƣ của tốc độ chíp. Nhƣ vậy chức năng đặt ra cơ chế định thời trong tiêu đề của một gói DSSS để cho phép máy thu đồng bộ pha đúng của mã cũng nhƣ tốc độ của chíp. Nhƣ vậy chức năng đặt ra cơ chế định thời trong tiêu đề của một gói DSSS để cho phép máy thu đồng bộ pha đúng của mã giả nhiễu trong thời gian ngắn nhất. Vì quá trình truyền gói không đồng bộ nên mọi gói DSSS phải có một tiêu đề đồng bộ.
Phƣơng pháp DSSS dùng trong WiMAX khác với đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA). Phân chia mã liên quan tới các truyền dẫn với các mã giả tạp âm trực giao và các truyền dẫn này có thể chồng lấn lên nhau nhƣng không ảnh hƣởng tới nhau. Các nút khác nhau phát đi bằng mã riêng. Mỗi bộ thu phù hợp với mã của một kênh truyền, các tín hiệu khác (dùng mã khác) xuất hiện nhƣ là nhiễu nền. Trong quá trình giải trải phổ (despread) nhiễu này sẽ bị loại bỏ. Một hệ thống CDMA truy nhập ngẫu nhiên yêu cầu các máy thu phức tạp sao cho các máy thu này có thể đồng bộ và giải điều chế tất cả các mã giả ngẫu nhiên. Các WiMAX DSSS sử dụng cùng một mã giả ngẫu nhiên và do đó không có tập hợp mã khả dụng nhƣ đối với CDMA. Một mã duy nhất cho phép thông tin quảng bá dễ dàng.
Trải phổ chuỗi trực tiếp cho thông lƣợng cao hơn và chống đƣợc can nhiễu tốt hơn so với trải phổ nhảy tần. Nhƣng DSSS lại tiêu tốn nhiều năng lƣợng gấp hai đến ba lần nên tốn kém hơn. Các nhà sản xuất giải pháp cho mạng WiMAX tách thành hai xu hƣớng khác nhau là sử dụng DSSS hoặc FSSS.
3.5.2. Trải phổ nhảy tần FSSS
FHSS trải tín hiệu bằng việc phát một trùm ngắn trên một kênh tần số và sau đó thay đổi (nhảy) sang một kênh khác trong một thời gian ngắn khác theo một mẫu đã định nghĩa trƣớc mà cả máy phát và máy thu đều biết. Không giống nhƣ DSSS trải tín hiệu trên một miền tần số, sử dụng nhiều kênh tần số đồng thời, FHSS chia tín hiệu trên một miền thời gian và sử dụng nhiều kênh tần số ngẫu nhiên. FHSS dùng một sóng mang băng hẹp thay đổi tần số theo một mẫu mà cả máy thu và mát phát
đều biết. Vì các kênh tần số là băng hẹp nên chúng có tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm rất tốt và các bộ lọc băng hẹp có thể đƣợc sử dụng để loại bỏ nhiễu.
truyÒn dÉn nh¶y tÇn TÇn sè C«ng suÊt Thêi gian Khe tÇn sè 1 2 3 4 5 6 7 0 20 40 60 80 Hình 3.10: Trải phổ nhảy tần
Mẫu nhảy tần xác định các kênh tần số đã chọn và thứ tự các kênh đƣợc sử dụng. Đồng bộ giữa máy phát và máy thu đƣợc yêu cầu và phải duy trì sao cho chúng đang cùng nhảy tần trên cùng một kênh tần số tại cùng một thời điểm. Đối với các hệ thống FHSS độ lợi xử lý đƣợc định nghĩa nhƣ là tỷ lệ của toàn bộ băng thông bao trùm các kênh tần số trên băng thông tín hiệu.
Tỷ lệ giữa tốc độ nhảy và tốc độ số liệu tạo ra 2 phƣơng thức của FHSS. Khi tỷ lệ nhảy lớn hơn tốc độ số liệu hệ thống đƣợc xem nhƣ nhảy tần nhanh. Ngƣợc lai khi tốc độ nhảy tần thấp hơn hệ thống thì đƣợc gọi là hệ thống nhảy tần chậm. Tốc độ nhảy tần có ảnh hƣởng rất sâu tới chất lƣợng mạng của hệ thống FHSS. Đối với các hệ thống FHSS chậm thì có thể dễ bị mất các gói số liệu. Vì vậy nhảy tần nhanh thƣờng thực hiện tốt hơn nhảy tần chậm ngay cả khi có cùng độ lợi xử lý. Khác với DSSS là sử dụng mã giả ngẫu nhiên, FHSS có thể sử dụng nhiều hơn một mẫu nhảy tần để tăng dung lƣợng mạng. Ý tƣởng dùng nhiều mẫu nhảy tần tƣơng đƣơng với sử dụng nhiều mã giả tạp âm khác nhau.
3.5.3. So sánh FHSS và DSSS
FHSS không có quá trình xử lý độ lợi do tín hiệu không đƣợc trải phổ. Vì thế nó sẽ phải dùng nhiều công suất hơn để có thể truyền tín hiệu với cùng mức S/N so với tín hiệu DSSS. Tuy nhiên tại băng tần ISM theo quy định có mức giới hạn công
suất phát, do đó FHSS không thể đạt đƣợc S/N giống nhƣ DSSS. Bên cạnh đó việc dùng FHSS rất khó khăn trong việc đồng bộ giữa máy phát và máy thu vì cả thời gian và tần số đều yêu cầu cần phải đƣợc đồng bộ. Trong khi DSSS chỉ cần đồng bộ về thời gian giữa các chip. Chính vì vậy FHSS sẽ mất nhiều thời gian để tìm tín hiệu hơn, làm tăng độ trễ trong việc truyền dữ liệu hơn so với DSSS. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Như vậy chúng ta có thể thấy DSSS là kỹ thuật trải phổ có nhiều ưu điểm hơn FHSS.
3.6. MÔ HÌNH KÊNH CỦA MẠNG WIMAX [24, 25] 3.6.1. Giới thiệu chung 3.6.1. Giới thiệu chung
Mô hình kênh (Channel Models) là một công cụ cơ bản trong thiết kế một mạng không dây. Về cơ bản, mô hình dự đoán đƣợc sự suy hao và méo dạng tín hiệu radio khi truyền từ bên phát đến bên nhận. Mô hình kênh có thể phân chia thành 3 nhóm cơ bản: Mô hình lý thuyết, mô hình vật lý (Physical), mô hình thống kê.
Mô hình lý thuyết dựa trên sự giả định lý thuyết về điều kiện, hoàn cảnh truyền sóng. Mô hình này phù hợp với việc phân tích nghiên cứu sự hoạt động của hệ thống truyền thông, nhƣng không phù hợp với việc thiết kế hệ thống truyền thông để phục vụ cho một khu vực cụ thể.
Mô hình kênh vật lý dự báo đƣợc sự suy hao, tắt dần của tín hiệu và đáp ứng kênh dựa trên cơ chế vật lý của sự truyền sóng điện từ. Mô hình này đƣợc sử dụng rộng rãi trong thiết kế mạng FBWA thực tế. Mô hình này quan tâm đến các điều kiện truyền sóng cụ thể nhƣ: độ cao của địa hình, độ cao của các toàn nhà hay cây cối, tỷ lệ cƣờng độ mƣa,... trong từng trƣờng hợp cụ thể.
Mô hình kênh thống kê dựa trên sự đo đạc và quan sát trong điều kiện truyền sóng thực tế. Mô hình này cung cấp một sự dự báo đơn giản cho những hoàn cảnh truyền sóng khác nhau mà không cần biết tới chi tiết điều kiện truyền sóng thực tế. Sự đơn giản của mô hình này làm nảy sinh vấn đề khó khăn để đo đạc hệ thống, và thực tế theo mô hình này thì chúng ta chỉ có thể biết đƣợc số lƣợng và vị trí cần đặt của các BS cho một khu vực một cách gần đúng.
3.6.2. Mô hình kênh SUI (Stanford University Interim)
Mô hình kênh SUI là kết quả nghiên cứu làm việc của AT&T Wireless và Erceg. Trong mô hình này có 6 kênh đƣợc chọn bởi 3 vùng địa hình khác nhau đặc trƣng trên toàn cầu. Mô hình này có thể sử dụng để mô phỏng, thiết kế, phát triển và kiểm tra tính tƣơng thích của các công nghệ cho các ứng dụng không dây băng rộng. Các tham số cho mô hình đƣợc lựa chọn dựa trên các mô hình thống kê. Bảng 3.3 và 3.4 mô tả các đặc tính của kênh SUI:
Loại địa hình Kênh SUI
C (Bằng phẳng, ít cây) SUI-1, SUI-2
B (Mức giữa, vừa phải) SUI-3, SUI-4
A (Đồi núi, cây to) SUI-5, SUI-6
Bảng 3.3: Mô hình kênh SUI phân loại theo địa hình
Doppler Trải trễ thấp Trải trễ vừa Trải trễ cao
Thấp SUI-1, 2, 3 SUI-5
Cao SUI-4 SUI-6
Bảng 3.4: Đặc tính chung của các kênh SUI
Tại Việt Nam, do điều kiện địa hình phức tạp có nhiều đồi núi che chắn, khí hậu nhiệt đới gió mùa, cƣờng độ mƣa cao, … nên có thể áp dụng mô hình kênh vật lý kết hợp với mô hình kênh thống kê để thiết kế hệ thống. Khu vực đồng bằng tƣơng ứng với địa hình loại C (kênh SUI-1, SUI-2), khu vực trung du tƣơng ứng với địa hình loại B (kênh SUI-3, SUI-4) và khu vực miền núi tƣơng ứng với địa hình loại A (Kênh SUI-5, SUI-6).
3.7. MÔ HÌNH SUY HAO ĐƢỜNG TRUYỀN [18, 20]
Nhƣ chúng ta đã biết, đƣờng truyền vô tuyến khác đƣờng truyền hữu tuyến bởi nhiều yếu tố nhƣ đa đƣờng, fading, suy giảm, chuyển động của nguồn thu phát, nhiễu,… Suy hao đƣờng truyền trong hệ thống WiMax có thể đƣợc xem xét và phân tích dƣới hai dạng mô hình chính đó là:
- Mô hình suy hao đƣờng truyền kích thƣớc lớn: Đây là mô hình cho phép dự đoán mức tín hiệu thu trung bình tại một khoảng cách xác định với nguồn phát giúp cho việc thiết kế anten phủ sóng. Khoảng cách giữa hai điểm Phát - Thu (T-R) thƣờng là vài trăm đến hàng ngàn mét ở môi trƣờng outdoor hay vài mét đến vài chục mét ở môi trƣờng indoor và là vùng trƣờng xa.
- Mô hình suy hao đƣờng truyền kích thƣớc nhỏ: Đây là mô hình biểu diễn sự thăng giáng của tín hiệu thu đƣợc khi xê dịch vị trí thu một khoảng nhỏ (vài bƣớc sóng) hoặc trong một thời gian nhỏ (cỡ giây).
Sau đây sẽ xem xét và phân tích chi tiết từng mô hình suy hao nêu trên.
3.7.1. Mô hình suy hao đƣờng truyền kích thƣớc lớn [1, 19]
3.7.1.1. Các phương thức lan truyền cơ bản
Công suất thu đƣợc (hoặc đối ngƣợc là công mất mát) là thông số quan trọng nhất trong việc dự đoán theo mô hình lan truyền kích thƣớc lớn dựa trên ba cơ chế vật lý: Phản xạ, nhiễu xạ, tán xạ (Xem hình 3.11). Suy giảm kích thƣớc nhỏ và hiệu ứng đa đƣờng cũng có thể đƣợc mô tả bởi ba cơ chế này.
a) Phản xạ:
Phản xạ xảy ra khi sóng điện từ đập vào đối tƣợng có kích thƣớc lớn so với bƣớc sóng truyền. Nếu vật gây phản xạ là điện môi hoàn hảo: có một phần sóng phản xạ, một phần sóng truyền qua và không có mất mát năng lƣợng (không có hấp thụ). Nếu vật gây phản xạ là vật dẫn hoàn hảo: Tất cả bị phản xạ và không có mất mát. Nói chung phần phản xạ và truyền qua liên hệ với sóng tới thông qua hệ số phản xạ Fresnel, nó là hàm của vật liệu, cực tính, góc tới và tần số sóng.
Mô hình phản xạ mặt đất:
Mô hình khá phổ biến và dự đoán tƣơng đối chính xác độ mạnh tín hiệu thu tại khoảng cách vài km với bộ phát đặt cao (>50 m đối với môi trƣờng di động), cũng nhƣ kênh LOS trong môi trƣờng thành phố (Xem hình 3.12) (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hình 3.12: Mô hình phản xạ mặt đất Ta có: ETOT = ELOS + Eg ETOT(d,t) = 2 2 sin 2 sin '' ' '' ' 0 0 d d t c d d d d E c c (3.1) Sử dụng các gần đúng: d h h d d'' ' 2 t r ; c c . 2 d h h c d d t r c 2 2 2 sin 2 sin ' ''
Xấp xỉ này khá đúng khi /2 < 0,3 rad, hay là khi hthr hthr