Đề tài Nguyên tắc phối hợp hoạt động để cùng tồn tại cho các hệ thống FBWA loại Wimax

Giải pháp phối hợp hoạt động để cùng tồn tại giữa các hệ thống FBWA 0. THUẬT NGỮ VÀ CHỮ VIẾT TẮT 1. CÁC THUẬT NGỮ 1.1 Băng thông cấp phép (Authorized band) Dải các tần số nhà khai thác được phép thu và phát sóng Vô tuyến điện 1.2 Băng rộng (Broadband) Băng thông lớn hơn 1MHz, hỗ trợ tốc độ dự liệu lớn hơn 1,5 Mbit/s 1.3 Bức xạ ngoài nhóm (Out-of-block emissions-OOS) Các bức xạ ở rìa băng thông cấp phép tính đến 200 % băng thông chiếm dụng, tính từ biên của băng thông cấp phép, cho cả biên trên và dưới 1.4 Bức xạ giả (Spuriuos emissions) Bức xạ lớn hơn 200 % băng thông chiếm dụng, tính từ biên băng thông cấp phép 1.5 Bức xạ không muốn/Bức xạ có hại (Unwanted emissions) Các bức xạ ngoài băng, các bức xạ giả, và các hài bậc cao 1.6 Đa điểm (Muitipoint-MP) Thuật ngữ chung cho các hệ thống điểm-đa điểm, đa điểm-đa điểm hoặc các kết hợp cả hai hệ thống này. Đa điểm là Tôpô không dây, trong đó hệ thống cung cấp dịch vụ ghép đường theo phân bố địa lý các trạm thuê bao. Việc chia sẻ tài nguyên gồm cả trong miền tần số lẫn thời gian, hoặc cả hai. 1.7 Điểm- đa điểm (Point-to-muitipoint-PMP) Trong các hệ thống không dây, Tôpô mạng trong đó trạm các trạm thuê bao riêng rẽ và mỗi trạm thuê bao chỉ liên kết với một trạm gốc 1.8 Điểm-điểm (Point-to-point) Tôpô mạng trong đó tuyến vô tuyến được duy trì giữa 2 trạm 1.9 Điều khiển tự động công suất phát (Automatic transmit power control-ATPC) Phương pháp dùng trong các hệ thống BWA để điều chỉnh thích ứng công suất máy phát, nhằm duy trì mức tín hiệu thu trong dải mong muốn. 1.10 Độ phân cực (Cross-polar discrimination-XPD) Độ phân cực của Anten (XPD) theo một hướng xác định. Đây là độ lệch, tính theo dB, giữa mức khuyếch đại đồng cực và khuyếch đại trực giao của anten theo hướng đã cho 1.11 Độ rộng băng thông chiếm dụng (Occupied bandwith) Đối với một sóng mang băng thông chiếm dụng Bo là độ rộng của băng tần, sao cho dưới mức giới hạn thấp nhất của nó và trên mức giới hạn cao nhất của nó thì công suất trung bình bức xạ chỉ bằng 5 % tổng công suất bức xạ. Điều này có nghĩa là 99% công suất bức xạ nằm trong băng thông Các hệ thống truyền dẫn đa sóng mang dùng nhiều tầng khuếch đại, vì vậy độ rộng băng thông chiếm dụng được xác định như sau: Bom = Bou + Bol + (Fou - Fol) Trong đó: Bom - Độ rộng băng thông chiếm dụng cho hệ thống đa kênh Bou-Băng thông chiếm dụng của một sóng mang của sóng mang cao nhất Bol- Băng thông chiếm dụng của một sóng mang cho sóng mang thấp nhất Fou-Tần số trung tâm của sóng mang con cao nhất Fol -Tần số trung tâm của sóng mang con thấp nhất 1.12 Đường bao mẫu bức xạ (Radiation pattern envelope-RPE) Đồ thị thể hiện các mức cực đại của búp anten trong băng tần xác định 1.13 Đường xuống (Downlink) Hướng từ trạm gốc đến trạm thuê bao 1.14 Hệ thống đa sóng mang (Muiticarrier system) Hệ thống dùng hai hoặc nhiều sóng mang để cung cấp dịch vụ từ một máy phát 1.15 Hỗn hợp/lưới (Mesh) Tôpô mạng không dây Đa điểm-Đa điểm, trong đó số trạm thuê bao trong một vùng địa lý được kết nối và làm việc như các trạm lặp. Điều này cho phép thay đổi định tuyến giữa mạng lõi và và trạm thuê bao. Theo ngữ cảnh thông thường, các hệ thống lưới không có các trạm gốc. 1.16 Kênh bảo vệ (Guard Band Channel) Phần không dùng trong phổ tần giữa hai sóng mang gần nhau nhất của hai nhà khai thác mạng khác nhau. 1.17 Khoảng tần 1 (Frequency range 1) Trong tài liệu này khoảng tần 1 từ 10 đến 23,5 GHz 1.18 Khoảng tần 2 (Frequency range 2) Trong tài liệu này khoảng tần 2 từ 23,5 đến 43,5 GHz 1.19 Khoảng tần 3 (Frequency range 3) Trong tài liệu này khoảng tần 3 từ 43,5 đến 66 GHz 1.20 Mật độ thông lượng phổ công suất (Power spectral flux density-psfd) Thông lượng phổ công suất bức xạ trên một đơn vị băng thông và diện tích 1.21 Nhiễu loại A (Class A Interference) Nhiễu (và các lớp con dưới nó A1, A2, A3 và A4) giữa hai hệ thống P-MP của 2 nhà khai thác mạng khác nhau. 1.22 Nhiễu loại B (Class B Interference) Nhiễu (và các lớp con dưới nó B1,B2, B3 và B4) giữa một hệ thống P-MP và một hệ thống P-P của 2 nhà khai thác khác nhau 1.23 Nhóm/cụm tần số (Frequency block) Phần gần kề của phổ tần, nằm trong băng tần con hoặc cả băng tần, thường được ấn định cho một nhà khai thác Chú ý: Tập các nhóm tần có thể hình thành băng tần con hoặc một băng tần 1.24 Nhóm tần số (Frequency Block) Băng thông tần số do cơ quan quản lý ấn định cho một nhà khai thác hệ thống P-MP trong một vùng dịch vụ xác định 1.25 Song công theo tần số (Frequency division dupplex) Các mạch song công, trong đó tuyến lên và xuống dùng các tần số khác nhau và thường dùng đồng thời 1.26 Song công theo thời gian (Time-division dupplex-TDD) Mạch song công, trong đó truyền dẫn lên và xuống tại các thời điểm khác nhau, nhưng chung một tần số 1.27 Trạm gốc (Base station-BS) Tập hợp các thiết bị cung cấp khả năng kết nối, quản lý và điều khiển trạm thuê bao 1.28 Trạm lặp (Repeater station-RS) Trạm khác với BS, có các thiết bị thông tin quay về 2 hoặc nhiều hướng biệt lập khác nhau. Lưu lượng thu được từ một hướng có thể được phát lại từng phần hoặc toàn bộ theo hướng khác. Lưu lượng có thể kết thúc hay bắt đầu ở trạm lặp khác 1.29 Trạm thuê bao (Subsriber station-SS) Tập hợp các thiết bị cho phép thiết bị thuê bao đấu nối với trạm gốc 1.30 Truy nhập không dây băng rộng (Broadband wireless access-BWA) Truy nhập bằng phương thức vô tuyến, trong đó dung lượng kết nối là băng rộng 1.31 Truy nhập không dây cố định (Fixed wireless access) Một ứng dụng truy nhập vô tuyến trong đó trạm gốc và trạm thuê bao ở vị trí cố định khi khai thác 1.32 Vùng phục vụ (Service area) Vùng địa lý trong đó nhà khai thác có quyền phát sóng 1.33 Vùng % KO (% KO Area) Phần trăm của Ô phục vụ trong mạng P-MP, tại đó nhiễu có thể làm tê liệt máy thu 2. CÁC CHỮ VIẾT TĂT AdjCh  Adjacent channel   ATPC  Automatic transmit power control   Az  Azimuth   BER  Bit error rate   Bo  Ocupied bandwith   BRAN  Broadband radio access network   BS  Base station   BRAN  Broadband radio access netwok   BW  Bandwith   BWA  Broadband wireless access   CDF  Cumulative distribution function   CDMA  Code division multiple access   CEPT  European conference of postal and telecom. administration   C/I  Carrier-to-interference ratio   C/N  Carrier-to-noise ratio   C/(N+I)  Carrier-to-noise and interference ratio   CoCh  Co-channel   CS  Central station   CRS  Central radio station   CW  Continuous wave   DL  Downlink   DRS  Data relay satellite   D/U  Desired carrier-to-undesired carrier ratio   El  Elevation   EIRP  Effective isotropic radiated power   EN  European norm   ERC  European Radiocommunication Committee   FBWA  Fixed broadband wireless access   FB  Frequency block   FDD  Frequency division duplex   FDMA  Frequency division multiple access   FH-CDMA  Frequency Hopping Code Division Multiple Access   FSPL  Free space path loss   FWA  Fixed wireless access   GSO  Geostationary orbit   HP  Horizontal Polarization   IEC  International Electrotechnical Commission   IEEE  Institute of Electrical and Electronic Engineers   I/N  nterference-to-thermal noise ratio   ISI  Inter-System Interferenc   ISOP  nterference scenario occurrence probability   ITU  International Communication Union   IRCI  Inter-Cell interference   LMCS  Local muitipoint communication service   LMDS  Local muitipoint communication service   LOS  Line of sight   MAN  Metropolitan area netwwork   MCL  Minimum coupling loss   MP  Multipoint   MP-MP  Multipoint-to-muitipoint   MWS  Multimedea wireless system   NFD  Net filter discrmination   OuCh  Out channel interference   OFDM  Orthogonal frequency division muitiplexing   OOB  Out-of-block   PCS  Personal communication service   psd  power flux density   PMP  PMP point-to-multipoint   PTP  PTP point-to-point   QAM  Quardrature amplitude modulation   QPSK  Quardrature phase shift kying   RA  Radiocommunication Agency   RF  Radio frequency   RPE  Radiation pattern envelope   RS  Repeater station   RSS  Radio standard specification   Rx  Receive   SRSP  Standard radio system plan   SS  Subscriber station   TDD  Time division duplex   TDMA  Time division multiple access   TS  Terminal station   Tx  Transmit   UL  Uplink   VH  Vertical Polarization   XPD  Croos-polar discrimination   CHƯƠNG 1 PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH CAN NHIỄU TRONG CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN FBWA 1.1 PHÂN LOẠI CAN NHIỄU Can nhiễu vô tuyến điện là Hiện tượng sóng điện từ dải tần Vô tuyến gây ảnh hưởng đến hệ thống thiết bị vô tuyến đang khai. Có nhiều cách phân loại can nhiễu vô tuyến điện, nhưng thông dụng hơn cả là xết chúng thành 2 dạng: Nhiễu tự nhiên (có tính cố hữu, không thể loại bỏ) và Nhiễu nhân tạo (phần lớn có thể làm suy giảm hoặc kiểm soát được). Mục tiêu của chúng ta là cần xác định được nguồn gốc phát sinh nhiễu, mức độ ảnh hưởng và các phương pháp áp dụng trong thiết kế hệ thống để loại trừ hoặc giảm nhẹ chúng đến mức chấp nhận được, vì vậy trong phần này chúng ta phân can nhiễu theo bản chất ảnh hưởng của chúng trong các mạng truy nhập vô tuyến băng rộng loại cố định (FBWA) cho các dải tần số khác nhau Trong các hệ thống và mạng thông tin vô tuyến có 5 loại nhiễu cơ bản sau: - Nhiễu cùng kênh (CoCh) - Nhiễu kênh lân cận (AdjCh) - Nhiễu xuyên điều chế (IM) - Nhiều giao thoa giữa các ký tự (ISI) - Nhiễu do hiệu ứng “gần-xa” (N-FI) Vì chúng ta quan tâm đến nhiễu giữa các mạng FBWA, nên trong chương này chỉ cần xét nhiễu cùng kênh (CoCh) và nhiễu kênh lân cận (AdjCh); các loại nhiễu còn lại không thuộc phạm vi của đề tài 1.1.1 Nhiễu cùng kênh (CoCh) Nhiễu CoCh là tín hiệu vô tuyến điện có cùng tần số với tín hiệu mang thông tin có ích. Trong các mạng di động cấu trúc tế bào (Cellular), để tăng hiệu quả sử dụng phổ tần, các kênh tần số được dùng lại ở nhiều ô phục vụ, vì vậy thường xẩy ra hiện tượng là một trạm gốc (BS hay CRS) có thể thu tín hiệu cùng kênh tần số từ các ô lân cận. Trong các mạng thông tin vô tuyến FBWA điểm-điểm hoặc điểm-đa điểm hoạt động trên cùng tần số tại các vùng kế cận cũng xẩy ra hiện tượng nhiễu cùng kênh. Để phân tích nhiễu CoCh người ta dùng thước đo Xác suất có điều kiện nhiễu cùng kênh (CCIP), đôi khi gọi là xác suất “khoá” máy thu. Về bản chất, CCIP là xác suất có điều kiện công suất trung bình tín hiệu có hại vượt quá công suất trung bình tín hiệu có ích một mức tương ứng với hệ số phòng vệ
nào đó. Trong thông tin di động, hiệu ứng fađinh biên độ sóng mang thường tuân theo nhiều quy luật khác nhau. Ví dụ, giữa các toà nhà phân bố tín hiệu sóng di động tuân theo luật Rician (LOS); bên trong các toà nhà thì fađinh Reyleigh chiếm ưu thế (non-LOS); đây là trường hợp đặc biệt của phân bố Gausian. Một cách tổng quát, tín hiệu sóng vô tuyến di động là tổng hợp các tín hiệu tuân theo nhiều hàm phân bố khác nhau, được gọi chung là phân bố Nakagami, hay tín hiệu m chiều (m-distribution). Lúc đó số đo CCIP, Pc , được thể hiện như sau:
(1.1) Trong đó s là công suất trung bình (LMP) của tín hiệu có ích Ii là LMP của nhiễu thứ i
là hệ số phòng vệ k là số lượng tín hiệu nhiễu Trong thông tin vô tuyến điện, Pc là một hàm toán học phức tạp, vì vậy, để tính Pc người ta cần đơn giản hoá bài toán theo các điều kiện biên nào đó, nhưng vẫn phải đảm bảo thể hiện đầy đủ các tính chất của loại nhiễu xét. Biểu thức tính xác suất nhiễu CoCh gồm k nguồn nhiễu như sau [1]:
(1.2) Trong đó ms là công suất trung bình tín hiệu có ích trong vùng xét R là bán kính Ô có tuyến truyền dẫn hữu ích Ri là bán kính Ô có chứa nguồn nhiễu thứ i Di là khoảng cách từ nguồn nhiễu thứ i đến Ô khảo sát Để đảm bảo độ khả dụng của một mạng thông tin vô tuyến điện, chúng ta cần duy trì xác suất có điều kiện nhiễu cùng kênh, hay xác suất “khoá” máy thu dưới mức 2 % , với điều kiện là chất lượng truyền dẫn phải đảm bảo trên 90 % thời gian sử dụng 1.1.2 Nhiễu kênh lân cận (AdjCh) Nhiễu AdjCh là tín hiệu vô tuyến điện từ các kênh tần số khác, nhưng rất gần với kênh tần số đang sử dụng. Nguyên nhân phát sinh nhiễu AdjCh chủ yếu là do những hạn chế của các thành phần trong hệ thống thiết bị thu phát vô tuyến, như độ ổn định tần số phát, băng thông máy thu và các bộ lọc thu phát gây ra. Nhiễu AdjCh thường được phân thành nhiễu trong băng (InBand) và nhiễu ngoài băng (Out-Of-Band). Nhiễu trong băng xẩy ra khi tâm của độ rộng tần số gây nhiễu nằm trong băng thông của tín hiệu có ích. Nhiễu ngoài băng thuộc trường hợp tâm tần số của băng thông tín hiệu gây nhiễu nằm ngoài băng thông của tín hiệu cần thu Trong môi trường sóng di động, luôn có sự tương quan chặt chẽ giữa tín hiệu cần thu và tín hiệu kênh lân cận, vì vậy người ta phải dùng một hàm mật độ liên kết (kết hợp) để biểu thị xác suất có điều kiện Pc. Nếu gọi r1 là tín hiệu có ích và r2 là tín hiệu nhiễu, với r2

r1, thì ta có thể biểu diễn hàm mật độ xác suất nhiễu kênh lân cận như sau [1]:
(1.3) Trong đó,
(1.4)
là độ lệch tần số giữa tín hiệu có ích và nhiễu
là trải trễ thời gian G là mức tăng công suất ở đầu ra bộ lọc thu tín hiệu có ích so với công suất nhiễu kênh lân cận. Cần có nhận xét là, ngay cả trong trường hợp nhiễu AdjCh có độ lớn tương đương mức nhiễu CoCh thì ảnh hưởng nhiễu AdjCh vẫn yếu hơn CoCh nhiều lần 1.2 PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH NHIỄU VÔ TUYẾN ĐIỆN Một trong những mục tiêu cơ bản của bài toán thiết kế các mạng di động tế bào, các tuyến vệ tinh và vi ba mặt đất là cần đảm bảo dung lượng đường truyền theo yêu cầu, với một mức chỉ tiêu chất lượng truyền dẫn cho trước, vì vậy trong việc phân tích đánh giá nhiễu điều quan trọng là cần xác định được tỷ số C/I hay S/I theo một mức chất lượng truyền dẫn (BER) đã cho. Các giá trị này được lấy làm tiêu chí thiết kế mọi mạng vô tuyến, cả di động lẫn có định Bài toán phân tích nhiễu ở đây bao gồm: (1) Tính hoặc ước lượng mật độ công suất nhiễu (2) Tính tỷ số C/I (3) Xác định tương quan giữa C/I (S/I) hoặc xác suất lỗi Pe (4) Xác định tương quan giữa S/I hoặc Pe và các chỉ tiêu hệ thống (5) Thiết lập các tiêu chuẩn kỹ thuật và mức độ biến động các chỉ tiêu hệ thống so với các chỉ tiêu kỹ thuật trong các mức giới hạn chấp nhận được (6) Sử dụng C/I như là thước đo để tối ưu hoá vị trí nguồn bức xạ và chất lượng truyền thông tin (7) Triển khai các giải pháp giảm nhiễu, các phương pháp đo kiểm hiệu chỉnh ảnh hưởng, thông qua các thông số thiết kế hệ thống thiết bị Hai thông số C/I và S/I là các thước đo chất lượng liên quan đến cấp dịch vụ (GOS) của một hệ thống vô tuyến điện bất kỳ. Đối với các mạng không dây các thông số này tương đương: - Tỷ số C/I và - Xác suất “khoá” máy thu 1.2.1 Các tín hiệu tương tự Các tín hiệu tương tự (analog) dùng truyền thông tin là các sóng điện từ biến đổi liên tục theo thời gian, được đặc trưng bởi biên độ, tần số và pha. Công suất tín hiệu được thể hiện qua biên độ sóng mang (A). Đối với tín hiệu tương tự, chúng ta có thể tính được tỷ số C/I [1] như sau:
và
(1.5) Trong đó, R là hằng số 1.2.2 Các tín hiệu số Ngược với kỹ thuật tương tự (chỉ cần xác định tỷ số C/I hoặc S/I), trong truyền dẫn số vì áp dụng nhiều loại điều chế khác nhau, nên người ta phải dùng thông số tỷ lệ lỗi Bit (BER) làm thước đo chất lượng truyền dẫn 1.2.2.1 Các hệ thống PSK Để xác định chất lượng các hệ thống truyền dẫn số người ta cần tìm tỷ số giữa công suất tín hiệu phát và công suất nhiễu sau đó tính BER. Đối với điều chế PSK, BER chính là xác suất lệch góc
ra ngoài vùng quyết định. Phân bố góc này tuân theo luật hàm mũ cơ số tự nhiên [1]:
(1.6) Trong đó I0 là hàm Bexel cải tiến bậc một
là phương sai trong phân bố Gauxơ r số đo tín hiệu nhiễu Tích phân biểu thức trên từ vùng biên (
) đến (
), có tính đến tính đối xứng của tích phân, ta được:
(1.7) 1.2.2.2 Các hệ thống di động tế bào mặt đất Trong các hệ thống thông tin di động mặt đất loại tế bào, tỷ số C/I phụ thuộc vào nhiều yếu tố, nên người ta xấp xỉ chúng theo công thức sau[1]:
(1.8) Trong đó M là số các Ô phục vụ bị nhiễu CoCh n là thành phần mũ, thể hiện độ suy hao tuyến (n = 2
4) D là khoảng cách giữa 2 Ô phục vụ có nhiễu CoCh R là bán kính Ô phục vụ a. Đối với hệ thống TDMA:
(1.9) Trong đó Sd là cường độ trường tín hiệu có ích Ii là nhiễu cùng kênh từ trạm gốc thứ i b. Đối với các hệ thống OFDM/CDMA:
(1.10) Trong đó
(1.11)
là công suất thu được từ sóng mang thứ i
là công suất thu tổng cộng từ BS thứ k
là tăng ích của bộ xử lý
là hệ số, được tính theo mô hình trực giao tín hiệu giữa các BS khác nhau 1.3 PHÂN TÍCH CAN NHIỄU GIỮA CÁC HỆ THỐNG BFWA 1.3.1 Giới thiệu tổng quan Chức năng chính của các mạng vô tuyến đa điểm-đa điểm (MP), điểm-đa điểm (PMP) dịch vụ cố định (FS) là cung cấp truy nhập cho mạng công cộng và các mạng riêng (PSTN, PDN…). Vùng dịch mạng có thể rất rộng, bao phủ cả các khu vực thuê bao phân tán. Đôi khi, các hệ thống này cũng được dùng như các mạng truy nhập theo kiến trúc đa tế bào cho vùng ngoại ô và nông thôn. Các hệ thống vô tuyến điểm-điểm (PTP), dịch vụ cố định (FS) thường được dùng làm đường truyền dẫn hoặc truy nhập cho mạng riêng và mạng công cộng. Cũng có thể sử dụng các hệ thống này như một mạng truyền tải hoặc mạng truy nhập tích hợp. Mục đích của đề tài là đề xuất các phương pháp phối hợp hoạt động giữa các hệ thống kể trên và những hướng dẫn cụ thể trong việc quy hoạch, thiết kế và triển khai mạng, nhằm đảm bảo sự tương thích giữa các hệ thống đó, trong điều kiện các mạng này khai thác trên cùng một băng tần trong các khu vực gần nhau và ngược lại, vì vậy việc phân tích can nhiễu trong tài liệu này tập trung vào khía cạnh ảnh hưởng lẫn nhau giữa các mạng FBWA. Để làm rõ tính ứng dụng của các đề xuất, trong phần này sẽ đưa ra các phương pháp đánh giá can nhiễu, các thông số tới hạn và các yêu cầu tối thiểu cần đạt, để tạo sự hài hòa, cùng tồn tại và khai thác hiệu quả cho các hệ thống thông tin vô tuyến điện. Các hệ thống PMP và PTP đã được ETSI chuẩn hóa, cả hệ thống thiết bị lẫn anten cho các dải tần khác nhau; các phần trình bày dưới đây đều được lấy từ họ các tiêu chuẩn của ETSI: TM4 EN 1.3.1.1 Các hệ thống PMP Đối với các thiết bị PMP, các băng tần số sử dụng được nhóm như sau: - Dưới 1 GHz - Giữa 1 GHz và 3 GHz - Giữa 3 GHz và 11 GHz - Giữa 24,5 GHz và 29,5 GHz - Giữa 40,5 GHz và 43,5 GHz Mỗi phương thức truy nhập xác định (TDMA, MC-TDMA, FDMA, DS-CDMA, FH-CDMA, DS-CD/TDMA) đều được quy định rõ trong các tiêu chuẩn TM4 EN của ETSI cho một trong những băng tần số trên