Các loại nhiễu trong di động

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA ĐIỆN TỬ- VIỄN THÔNG š & › BÁO CÁO THÔNG TIN DI ĐỘNG ĐỀ TÀI: CÁC LOẠI NHIỄU TRONG DI ĐỘNG GV hướng dẫn : Trương Tấn Quang Nhóm thực hiện : Dương Quang Long 0620032 Nguyễn Thị Tân 0620102 Đinh Văn Lợi 0620041 Trần Bình Trọng 0620089 MỤC LỤC MỤC LỤC.................................................................................................................1 LỜI MỞ ĐẦU...............................................................................................………2 1.Nhiễu trắng.............................................................................................................3 1.1. Khái niệm về nhiễu trắng...................................................................................3 1.2. Các phép biểu diễn toán học của nhiễu trắng....................................................4 1.3. Phổ công suất của nhiễu trắng có băng tần giới hạn: .......................................4 2. Nhiễu liên ký tự ISI (Inter symbol interference) .................................................6 2.2. Các biện pháp khắc phục nhiễu ISI...................................................................7 2.2.1. Bộ lọc cos nâng: ............................................................................................7 2.2.2. Bộ lọc ngang ép không: ................................................................................9 3. Nhiễu liên kênh ICI (Interchannel Interference).................................................11 3.1. Nhiễu liên kênh ICI..........................................................................................11 3.2.Nhiễu xuyên kênh trong OFDM ở kênh thông tin di động...............................12 3.2.1. Giới thiệu......................................................................................................12 3.2.2. OFDM ở kênh thay đổi theo thời gian..........................................................13 3.2.3. Phân tích nhiễu xuyên kênh (ICI) ................................................................15 3.2.4 Kết luận. ........................................................................................................19 3.3.ISI và ICI trong hệ thống FDM.........................................................................19 4. Nhiễu đồng kênh (Co-Channel Interference) .....................................................23 4.1. Khái niệm chung..............................................................................................23 4.2.Tái sử dụng tần số ............................................................................................24 4.2.1.Khái niệm tái sử dụng tần số .........................................................................24 4.3.Các mẫu tái sử dụng tần số ...............................................................................29 4.3.1. Mẫu 3/9..........................................................................................................29 4.3.2.Mẫu 4/12.........................................................................................................30 4.3.3.Mẫu 7/21.........................................................................................................31 4.3. Nhận xét............................................................................................................31 4.3.1. So sánh giữa các mẫu sử dụng tần số: ...........................................................31 4.3.2. Dung lượng và tỉ số C/I. ................................................................................31 5. Nhiễu đa truy nhập (Multiple Access Interference).............................................32 KẾT LUẬN..............................................................................................................37 LỜI MỞ ĐẦU Nhiễu là một vấn đề rất quan trọng trong thông tin di động, ảnh hưởng đến chất lượng của tín hiệu, khi xử lý tín hiệu và khi truyền tín hiệu làm gây méo tín hiệu hoặc xuất hiện các tạp âm trong các thiết bị tái tạo lại tín hiệu .Vì vậy ta phải giám sát được chúng và tìm biện pháp khắc phục tín hiệu nhiễu đến mức tối đa để tăng chất lượng của của tín hiệu. Bài báo cáo dưới đây sẽ trình bày một cách ngắn gọn lý thuyết về 05 loại nhiễu trong thông tin di động. Nắm vững lý thuyết về nhiễu và tìm hiểu, nghiên cứu các biện pháp khắc phục chúng sẽ giúp mạng thông tin di động nâng cao chất lượng, hiệu quả. Bố cục của bài tiểu luận gồm có 05 phần, tương ứng với 05 loại nhiễu, đó là: 1. Nhiễu trắng ( White Gaussian Noise) 2. Nhiễu xuyên âm ( Intersymbol Interference) 3. Nhiễu xuyên kênh ( Interchannel Interference) 4. Nhiễu đồng kênh ( Cochannel Interference) 5. Nhiễu đa truy nhập ( Multiple access Interference). ----------------------------------------------------------------------------------------------------------- 1.Nhiễu trắng 1.1. Khái niệm về nhiễu trắng Nhiễu trắng là quá trình xác xuất có mật độ phổ công suất phẳng (không đổi ) trên toàn bộ dải tần Nhiễu trắng là một loại nhiễu có hàm mật độ xác suất tuân theo phân bố Gauss. Nhiễu trắng có thể do nhiều nguồn khác nhau gây ra như thời tiết,do bộ khuếch đại ở máy thu, do nhiệt độ, hay do con người.Tín hiệu thu do vậy được viết lại như sau: 1.2. Các phép biểu diễn toán học của nhiễu trắng Về mặt toán học, nguồn nhiễu trắng n(t) có thể mô hình bằng một biến xác suất Gauss với giá trị kì vọng μ =0 và độ lệch chuẩn là σ2 μ =E[x]=0 σ2 =E[(x- μ)2] Hình 2: Hàm phân bố Gauss Do kỳ vọng bằng không nên độ lệch chuẩn cũng bằng phương sai của biến ngẫu nhiên x. Cụ thể hơn nhiễu trắng có công suất không đổi σ2 1.3. Phổ công suất của nhiễu trắng có băng tần giới hạn: Về mặt lí thuyết ,nhiễu trắng có băng tần vô hạn và công suất nhiễu là đều đặn ở mọi tần số .Về mặt thực tế không có hệ nào có băng tần vô hạn mà bị giới hạn ở một băng tần nào đó. Do vậy mật độ phổ công suất của nhiễu cũng bị giới hạn như ở hình 3 Ở hình trên ta giả sử là hệ thống có băng tần giới hạn B = 2ωg , vớichu kì lấy mẫu là ta Mật độ phổ công suất của nhiễu như hình1 được viết lại như sau: Tất cả các biến ngẫu nhiên đều không tồn tại phép biến đổi Fourier mà chỉ tồn tại hàm tự tương quan và hàm mật độ công suất,trong đó hàm mật độ công suất là phép biến đổi Fourier của hàm tự tương quan.Ở phương trình trên Фnn(jω) là hàm mật độ công suất nhiễu còn φnn(τ) là hàm tự tương quan của nhiễu với định nghĩa : φnn(τ) = E[n(t)n(t+ τ)] = σ2 si ωg τ Theo phương trình hàm tự tương quan là biến đổi Fourie ngược của hàm mật độ phổ công suất. Do hàm mật độ phổ công suất có dạng hình chữ nhật như ở hình 1, kết quả biến đổi Fourie ngược của hàm hình chữ nhật cho ta hàm số Si(). Công suất của nhiễu có thể tính được bằng cả từ hàm mật độ công suất nhiễu hoặc hàm tự tương quan của nhiễu như sau: Khi đó tỉ số tín hiệu trên tạp âm được tính theo công thức sau: SNR=Ps/Pn Với Ps là công suất tín hiệu có ích.Tỉ số này quyết định chất lượng tín hiệu và dung lượng kênh. 2. Nhiễu liên ký tự ISI (Inter symbol interference) Trong môi trường truyền dẫn đa đường, nhiễu xuyên ký tự (ISI) gây bởi tín hiệu phản xạ có thời gian trễ khác nhau từ các hướng khác nhau từ phát đến thu là điều không thể tránh khỏi. Ảnh hưởng này sẽ làm biến dạng hoàn toàn mẫu tín hiệu khiến bên thu không thể khôi phục lại được tín hiệu gốc ban đầu. Các kỹ thuật sử dụng trải phổ trực tiếp DS-CDMA như trong chuẩn 802.11b rất dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu đa đường vì thời gian trễ có thể vượt quá khoảng thời gian của một ký tự. OFDM sử dụng kỹ thuật truyền song song nhiều băng tần con nên kéo dài thời gian truyền một ký tự lên nhiều lần. Ngoài ra, OFDM còn chèn thêm một khoảng bảo vệ (guard interval - GI), thường lớn hơn thời gian trễ tối đa của kênh truyền, giữa hai ký tự nên nhiễu ISI có thể bị loại bỏ hoàn toàn.2.1. Đặc điểm:Dải thông tuyệt đối của các xung nhiều mức đỉnh phẳng là vô hạn. Nếu các xung này được lọc không đúng khi chúng truyền qua một hệ thống thông tin thì chúng sẽ trải ra trên miền thời gian và xung cho mỗi kí hiệu sẽ chèn vào các khe thời gian bên cạnh gây ra nhiễu giữa các kí hiệu (ISI).ISI là hiện tượng nhiễu liên kí hiệu. ISI xảy ra do hiệu ứng đa đường, trong đó một tín hiệu tới sau sẽ gây ảnh hưởng lên kí hiệu trước đó. Chẳng hạn như ở hình 4 phía trên, ta thấy rõ tín hiệu phản xạ (reflection) đến máy thu theo đường truyền dài hơn so với các tín hiệu còn lại. 2.2. Các biện pháp khắc phục nhiễu ISI Trong các hệ thống đơn sóng mang, ISI là một vấn đề khá nan giải. Lí do là độ rộng băng tần tỉ lệ nghịch với khoảng thời gian kí hiệu. Do vậy,nếu muốn tăng tốc độ truyền dữ liệu trong các hệ thống này, tức là giảm khoảng kí hiệu, vô hình chung đã làm tăng mức trải trễ tương đối. Lúc này hệ thống rất nhạy với trải trễ. Và việc thêm khoảng bảo vệ khó triệt tiêu hết ISI. Để giảm nhiễu xuyên âm người ta phải làm thế nào hạn chế dải thông mà vẫn không gây ra ISI. Khi dải thông bị giới hạn, xung sẽ có đỉnh tròn thay vì đỉnh phẳng. Một trong những phương pháp để loại bỏ nhiễu ISI là dùng bộ lọc cos nâng và bộ lọc ngang ép không (phương pháp Nyquist I). 2.2.1. Bộ lọc cos nâng: Tín hiệu từ nguồn gồm có M phần tử, song chúng ta hạn chế chỉ khảo sát trường hợp khi các phần tử si(t) của tập tín hiệu chỉ khác nhau về biên độ, tức là ta sẽ hạn chế chỉ xét hệ thống điều chế biên độ xung PAM. Thực tế hệ thống này có thể xem như gán cho mỗi một tin mk một hằng số ak mà biên độ của xung đầu ra của bộ tạo xung sẽ được nhân với nó. Ta hãy giả sử rằng bộ tạo xung cho ra các xung Dirắc tại các thời điểm t=kTs. Các xung dạng dirac này, có biên độ thay đổi tuỳ theo sự thay đổi các giá trị mk, qua bộ lọc T(ω) sẽ tới kênh truyền. Phần máy thu trên hình 2.2 là máy thu tối ưu, thu lọc phối hợp, mạch quyết định thực hiện lấy mẫu và so ngưỡng. Hàm truyền tổng cộng của hệ thống (đặc tính tần số tổng cộng của hệ thống) là tích của hai đặc tính của hai bộ lọc phát và thu C(ω)=T(ω).R(ω). Bây giờ chúng ta sẽ tìm kiếm lớp các đặc tính lọc C(ω) sao cho việc truyền chuỗi tín hiệu qua hệ thống sẽ không có ISI. Việc truyền được coi là không có ISI nếu vào thời điểm quyết định tín hiệu lấy mẫu thứ k, chỉ có phản ứng xung của tín hiệu thứ k là khác không còn phản ứng của các tín hiệu khác đều bằng không. Theo định lý Nyquist, độ rộng băng tần truyền dẫn nhỏ nhất để có thể truyền được không méo tín hiệu băng gốc là B=1/2.T. Độ rộng băng ở đây có nghĩa là dải tần mà ngoài nó giá trị hàm truyền đồng nhất bằng không. Tần số 1/2T được gọi là tần số Nyquist. Do vậy chúng ta sẽ xét các đặc tính lọc có độ rộng thông tần tối thiểu là 1/2T (hay π/T tính theo tần số góc). Trước tiên ta hãy xem xét trường hợp C(ω) là đặc tính của bộ lọc thông thấp lý tưởng, tức là đáp tuyến pha của bộ lọc thì tuyến tính còn đáp tuyến biên độ |C(ω)| có dạng: Bộ lọc này có phản ứng xung là: Có giá trị cực đại bằng 1 tại t=0 và có giá trị bằng 0 tạo t=kπ/ω0. Giả sử rằng đầu vào bộ lọc lý tưởng này có tín hiệu được tạo bởi bộ tạo xung như trên hình 2.2, tức là tín hiệu lối vào bộ lọc T(ω)được cho bởi: Trong trường hợp này, phản ứng xung đầu ra sẽ không gây nên ISI nếu tần số cắt của bộ lọc là f0=ω0/2π=1/2T. Do đơn giản trong tính toán, hàm số cong dạng cosine thường được sử dụng để phân tích các bộ lọc này. Hàm truyền tổng cộng khi đó có dạng: Và phản ứng xung có dạng: Hàm truyền liên tục thì có biên độ gợn sóng suy giảm theo luỹ thừa 3 của biến t. Do vậy ngay cả khi đồng bộ không lý tưởng thì giá trị của phản ứng xung đầu ra của các bộ lọc này sẽ bị chặn. Do đó, ISI sẽ nhỏ ngay cả khi đồng bộ không lý tưởng. 2.2.2. Bộ lọc ngang ép không: Theo hình 6 ta có đáp ứng tần số của toàn hệ thống từ phát đến thu là H0(f)= HT(f). Hc(f)HE(f) Với đáp ứng xung tổng hợp h0(t)= f -1 [H0(f) ] Để thoả mãn điều kiện không có nhiẽu liên kí hiệu ISI thì Tần số lấy mẫu tín hiệu bên thu là 1/T. Theo đó thì mật độ cân bằng lý tưởng zero- ISI đơn giản là một bộ lọc nghịch đảo đáp ứng tần số của bên phát và kênh truyền. Bộ lọc đảo này thường được xấp xỉ bởi một bộ lọc FIR0 như hình vẽ dưới Đáp ứng xung của bộ lọc cân bằng kênh là: Đáp ứng tần số tương ứng là: Vấn đề của bộ lọc đảo chính là lựa chọn các hệ số của bộ lọc sao cho xấp xỉ được điều kiện zero- ISI. Trong môi trường truyền dẫn đa đường, nhiễu xuyên ký tự (ISI) gây bởi tín hiệu phản xạ có thời gian trễ khác nhau từ các hướng khác nhau từ phát đến thu là điều không thể tránh khỏi. Ảnh hưởng này sẽ làm biến dạng hoàn toàn mẫu tín hiệu khiến bên thu không thể khôi phục lại được tín hiệu gốc ban đầu. Các kỹ thuật sử dụng trải phổ trực tiếp DS-CDMA như trong chuẩn 802.11b rất dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu đa đường vì thời gian trễ có thể vượt quá khoảng thời gian của một ký tự. OFDM sử dụng kỹ thuật truyền song song nhiều băng tần con nên kéo dài thời gian truyền một ký tự lên nhiều lần. Ngoài ra, OFDM còn chèn thêm một khoảng bảo vệ (guard interval - GI), thường lớn hơn thời gian trễ tối đa của kênh truyền, giữa hai ký tự nên nhiễu ISI có thể bị loại bỏ hoàn toàn. 3. Nhiễu liên kênh ICI (Interchannel Interference) 3.1. Nhiễu liên kênh ICI Nhiễu xuyên kênh gây ra do các thiết bị phát trên các kênh liền nhau Nhiễu liên kênh thường xảy ra do tín hiệu truyền trên kênh vô tuyến bị dịch tần gây can nhiễu sang các kênh kề nó. Để loại bỏ nhiễu xuyên kênh người ta phải có khoảng bảo vệ (guard band) giữa các dải tần. 3.2.Nhiễu xuyên kênh trong OFDM ở kênh thông tin di động 3.2.1. Giới thiệu Trong phương pháp đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao (OFDM), băng thông truyền được chia thành nhiều kênh nhỏ, và được truyền song song với nhau. Do đó, giới hạn của ký tự tăng lên và nhiễu liên ký tự (ISI) gây ra môi trường fading theo thời gian bị loại bỏ. Tuy nhiên, với những giới hạn ký tự dài hơn, nhiễu xuyên kênh (ICI) gây ra bởi Doppler ở kênh thông tin di động lại tăng lên. Hiệu ứng Doppler có ảnh hưởng đến hệ thống OFDM. Ở đây, chúng ta nhận được giới hạn của ICI, tính toán dễ dàng hơn và hữu ích hơn. Giới hạn bao gồm cả giới hạn chung và riêng. Giới hạn chung chỉ phụ thuộc vào tần số Doppler lớn nhất ( d f ) và thời gian ký tự ( s T ). Giới hạn riêng cũng phụ thuộc vào biến của phổ Doppler. 3.2.2. OFDM ở kênh thay đổi theo thời gian Giả sử tín hiệu OFDM ở miền thời gian là Với fk= fo +kf là tần số của k – kênh con (subchannel) và f=1/Ts .Tín hiệu truyền qua k (kênh con), s[k], được coi là độc lập với các kênh con khác. Tín hiệu nhận được, sau khi truyền qua kênh thay đổi theo thời gian với đáp ứng xung h(t,τ ), là: Với nhiễu kênh (channel noise) và nhiễu đồng kênh (co-channel interference) không tính tới. Trong điều kiện fading phẳng, đáp ứng xung kênh có thể đặt là: h(t,τ ) =γ (t)δ (τ ) Tín hiệu nhận được sẽ là: γ (t ) là quá trình wide-sense stationary stochastic với dãy số 0 và biến đơn vị. Với phổ Doppler nguyên thủy, mật độ phổ của γ (t ) là: tần số Doppler lớn nhất : d f . Cả 2 trường hợp phổ Doppler đều đồng dạng và có 2 kiểu đường dẫn. (path). Đó là: Và: Hàm tương quan của γ (t ) , định nghĩa là Dễ dàng suy ra r(τ ) =F−1 {P(f)} Hàm tương quan có thể biểu diễn ở 3 dạng như sau: 3.2.3. Phân tích nhiễu xuyên kênh (ICI) Để đơn giản, sự hội nhập (intergration) sẽ dùng để thay thế hàm chuyển đổi Fourier rời rạc (DFT). Bởi vậy, kết quả sẽ bao gồm cả phần đưa vào trường hợp số song mang không xác định. Tuy nhiên, so sánh với trường hợp số sóng mang xác định thì sự sai khác là không đáng kể. a.Tính toán chính xác :Để đơn giản, đầu tiên chúng ta nhận được biên ICI cho kênh fading phẳng, và sau đó mở rộng kết quả cho môi trường có tần số bất kỳ khác. Từ (3.1), (3.2) và (3.4), tín hiệu được điều chế lại trở thành: a biểu diễn sự suy giảm và pha của tín hiệu mong muốn, còn với biểu diễn hệ số khuếch đại kênh của tín hiệu nhiễu. Với thời gian bất kỳ trên kênh, a1 ≠ 0 , và ra kết quả của ICI. Năng lượng của ICI được định nghĩa là: Với OFDM có số sóng mang con không xác định, ICI P có thể biểu diễn thông qua hàm tương quan r (τ) là: Hoặc thông qua mật độ phổ Doppler: Cả (7) và (8) đều cho OFDM với số sóng mang con xác định, ta có thể thấy chỉ có sai số rất nhỏ, ta có thẻ dùng cho OFDM với số sóng mang xác định. Do đó, công thức (7) và (8) có thể dung tính gần chính xác năng lượng ICI cho OFDM với số sóng mang xác định. Biết mỗi hàm tương quan trong miền thời gian của kênh thay đổi theo thời gian, ta có thể tính năng lượng của ICI dùng công thức (3.7). Biểu diễn theo kiểu thông thường: b. Giới hạn Sử dụng các công thức phía trên, năng lượng ICI có thể tính chính xác. Tuy nhiên, các công thức tính chính xác khá phức tạp và không dễ dàng. Hơn nữa, trong nhiều trường hợp, hàm tương quan theo miền thời gian chính xác hay phổ công suất là không thể tính. Ở đây, chúng ta nhận được giới hạn trên và dưới và giới hạn chung của công suất ICI. Những giới hạn này ít phức tạp hơn và dễ tính toán hơn. Dễ thấy : Hơn nữa : Với i=1, 2 ..được định nghĩa là Hằng số α1 và α2 dễ dàng tính toán và đưa ra kết quả như bảng 1. Thay vào bất đẳng thức (7), chúng ta tính được giới hạn của công suất ICI. Nếu không biết phổ Doppler, α1 và α2 cũng có thể tính đuowcj thông qua cách tính gần đúng khác. Ví dụ, có thể chứng minh như sau: Cách tính có phần đơn giản hơn khi liên quan đến phổ Doppler. Bởi vì γi (t ) độc lập với I và có cùng thống kê, giống với cả kênh phẳng và kênh fading phân tán. Hơn nữa, công thức chính xác tính P ICI vàgiới hạn khác cũng có thể để tính kênh phân tán. 3.2.4 Kết luận. Để đi sâu vào tính chính xác các giới hạn, chúng ta so sánh giới hạn trên và giới hạn dưới và giới hạn chung với giá trị chính xác của công suất ICI (P ICI ). Chú ý rằng với kiểu hai đường, giới hạn trên và dưới là xác định. Giới hạn riêng rất gần để tính chính xác P ICI . Khi thiết kế hệ thống OFDM, nếu chu kỳ của ký tự, Ts, phải được chọn để f dT s rất nhỏ, do đó ảnh hưởng của phổ Doppler sẽ không đáng kể. 3.3.ISI và ICI trong hệ thống FDM Trong hệ thống đa sóng mang (FDM), vấn đề về đa đường và fading lựa tần đc giả quyết. Tín hiệu đc chia thành N dòng song song và truyền trên N sóng mang con với tốc độ nhỏ hơn. Để tiết kiệm băng thông, người ta đưa vào hệ thống OFDM, trong đó các sóng mang con là trực giao lẫn nhau, tức là cho phép các sóng mang con này chồng phổ, như vậy tăng được hiệu quả sử dụng phổ. Các sóng mang con có dải tần hẹp, khoảng kí hiệu dài hơn nên trễ đa đường tương đối là nhỏ. Do vậy, để khử hoàn toàn nhiễu do đa đường, người ta thêm vào kí hiệu OFDM một khoảng bảo vệ. Khoảng này có thể là khoảng trắng. Tuy nhiên, một vấn đề mới lại nảy sinh. Đó là hiện tượng nhiễu liên kênh (ICI) giữa các sóng mang con của OFDM. Nguyên nhân vẫn ở hiệu ứng đa đường, cộng thêm và khoảng bảo vệ trắng. ICI sinh ra do sự chồng phổ giữa các sóng mang, gây ra xuyên âm. Trong các hệ thống đơn sóng mang, ICI thường xuất hiện ở các hệ thống làm việc tại các dải tần kề nhau. Trong các hệ thống này, người ta thường đưa vào giữa ác dải tần làm việc một khoảng phổ nhằm tránh xuyên âm. Trong hệ thống OFDM nói ở trên, phổ các sóng mang con vốn “chồng” lên nhau, tuy nhiên vẫn không gây xuyên âm, đó là do các sóng mang con là trực giao nhau theo nghĩa toán học. Sự trực giao này sẽ mất đi nếu trong khoảng kí hiệu ( chính xác hơn là trong khoảng tích phân FFT) có một (hay nhiều) sóng mang con không tồn tại chính xác một số nguyên lần chu kì. Hình 10Khi đó, người ta thay khoảng bảo vệ “trắng” bằng khoảng bảo vệ lặp, tức là mở rộng chu kì mẫu tín hiệu Hệ thống OFDM do vậy rất đc kì vọng cho các ứng dụng ở địa hình phức tạp, như các thành phố (với nhiều nhà cao tầng) hay vùng nông thôn(nhiều đồi núi). Theo mình biết thì kĩ thuật này hiện có trong các chuẩn phát thanh số (DAB), truyền hình số (DVB), IEEE802.11a,g và IEEE802.16 với tốc độ truyền dữ liệu rất hấp dẫn, có thể lên tới 54Mbps thay vì 11Mbps như trong CDMA. Tuy nhiên, vấn đề triển khai hệ thống này còn gặp khá nhiều khó khăn, chủ yếu là do vấn đề chi phí lắp đặt, và hiện tại cũng không có nhiều ứng dụng đòi hỏi tốc độ truyền dữ liệu quá cao, còn với các ứng dụng thấp hơn, các hệ thống hiện nay đã quá đủ để cung cấp dịch vụ. Nhiễu lựa chọn tần số cũng là một vấn đề gây ảnh hưởng lớn đến chất lượng truyền thông tín hiệu. Tuy nhiên, OFDM cũng mềm dẻo hơn CDMA khi giải quyết vấn đề này. OFDM có thể khôi phục lại kênh truyền thông qua tín hiệu dẫn đường (Pilot) được truyền đi cùng với dòng tín hiệu thông tin. Ngoài ra, đối với các kênh con suy giảm nghiêm trọng về tần số thì OFDM còn có một lựa chọn nữa để giảm tỷ lệ lỗi bit là giảm bớt số bít mã hoá cho một tín hiệu điều chế tại tần số đó. Do vậy, OFDM không phải không có nhược điểm, đó là nó đòi hỏi khắt khe về vấn đề đồng bộ vì sự sai lệch về tần số, ảnh hưởng của hiệu ứng Doppler khi di chuyển và lệch pha sẽ gây ra nhiễu giao thoa tần số (Intercarrier interference - ICI) mà kết quả là phá bỏ sự trực giao giữa các tần số sóng mang và làm tăng tỷ số bít lỗi (BER). Tuy nhiên OFDM cũng có thể giảm bớt sự phức tạp của vấn đề đồng bộ thông qua khoảng bảo vệ (GI). Sử dụng chuỗi bảo vệ (GI) cho phép OFDM có thể điều chỉnh tần số thích hợp mặc dù việc thêm GI cũng đồng nghĩa với việc giảm hiệu quả sử dụng phổ tần số. Ngoài ra OFDM chịu ảnh hưởng của nhiễu xung, có nghĩa là một xung tín hiệu nhiễu có thể tác động xấu đến một chùm tín hiệu thay vì một số ký tự như trong CDMA và điều này làm tăng tỷ lệ lỗi bit của OFDM so với CDMA. 4. Nhiễu đồng kênh (Co-Channel Interference) 4.1. Khái niệm chung Nhiễu đồng kênh xảy ra khi cả hai máy phát trên cùng một tần số hoặc trên cùng một kênh. Máy thu điều chỉnh ở kênh này sẽ thu được cả hai tín hiệu với cường độ phụ thuộc vào vị trí của máy thu so với hai máy phát. Nhiễu đồng kênh thường gặp trong hệ thống thông tin số cellular, trong đó để tăng hiệu suất sử dụng phổ bằng cách sử dụng lại tần số. Như vậy có thể coi nhiễu đồng kênh trong hệ thống cellular là nhiễu gây nên do các cell sử dụng cùng 1 kênh tần số. Nhiễu đồng kênh liên quan tới việc sử dụng tần số. Có thể ví dụ trong mạng GSM: Trong mạng GSM, mỗi trạm BTS được cấp phát một nhóm tần số vô tuyến. Các trạm thu phát gốc BTS lân cận được cấp phát các nhóm kênh vô tuyến không trùng với các kênh của BTS liền kề. Đặc trưng cho loại nhiễu này là tỉ số sóng 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 nó thể hiện mối quan hệ giữa cường độ tín hiệu mong muốn so với nhiễu đồng kênh từ các BTS khác. C/I = 10log (Pc/Pi) Yêu cầu là C/I <=12dB. Trong đó : − Pc là công suất tín hiệu thu mong muốn. − Pi là công suất nhiễu thu được. Một số giải pháp để hạn chế loại nhiễu đồng kênh trong các hệ thống cellular như sau: − Không thể dùng bộ lọc để loại bỏ giao thoa này do các máy phát sử dụng cùng một tần số. − Chỉ có thể tối thiểu hóa nhiễu đồng kênh bằng cách thiết kế mạng cellular phù hợp. − Tức là thiết kế sao cho các cell trong mạng có sử dụng cùng nhóm tần số không ảnh hưởng tới nhau=>khoảng cách các cell cùng tần số phải đủ lớn. Sử dụng lại tần số là việc cấp phát cùng một nhóm tần số vô tuyến tại các vị trí địa lý khác nhau trong mạng mà không làm ảnh hưởng đến chất lượng kết nối tại giao diện vô tuyến do nhiễu đồng kênh và nhiễu kênh lân cận gây nên. a. Nguyên lý tái sử dụng tần số Một hệ thống tổ ong làm việc dựa trên việc sử dụng lại tần số. Nguyên lý cơ bản khi thiết kế hệ thống tổ ong là các mẫu sử dụng lại tần số. Tổng băng thông có trên mạng được phân chia giữa các tế bào trong một cụm. Cụm này sau đó có thể được sử dụng để xác định số cuộc gọi có thể được hỗ trợ trong mỗi tế bào. Bằng việc giảm số lượng các tế bào trong một cụm, dung lượng của hệ thống có thể tăng lên, vì có thể có 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 có nguy cơ trở thành giao thoa đồng kênh. Theo định nghĩa sử dụng lại tần số là việc sử dụng các kênh vô tuyến ở cùng một tần số mang để phủ sóng 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 (có thể xảy ra) chấp nhận được. Tỉ số sóng mang trên nhiễu C/I phụ thuộc vào vị trí tức thời của thuê bao di động do địa hình không đồng nhất, số lượng và kiểu tán xạ. Phân bố tỉ số C/I cần thiết ở hệ thống xác định số nhóm tần số F mà ta có thể sử dụng. Nếu toàn bộ số kênh quy định N được chia thanh F nhóm thì mỗi nhóm sẽ chứa N/F kênh. Vì tổng số kênh N là cố định nên số nhóm tần số F nhỏ hơn sẽ dẫn đến nhiều kênh hơn ở một nhóm và một đài trạm. Vì vậy, việc giảm số lượng các nhóm tần số sẽ cho phép mỗi đài trạm tăng lưu lượng nhờ đó sẽ 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 C/I giữa các cell đó nên C/I sẽ là một vấn đề chính cần được quan tâm. Dễ dàng thấy rằng, với một kích thước cell nhất định, khoảng cách sử dụng lại tần số phụ thuộc vào số nhóm tần số N. Nếu N càng lớn, khoảng cách sử dụng lại tần số càng lớn và ngược lại. b. Các thông số tái sử dụng tần số Việc sử dụng lặp tần số có thể được xác định theo phương trình sau cho mỗi kích thước cụm tế bào: Trong đó: − D là khoảng cách trung bình sử dụng lặp tần. − R là bán kính tế bào. − N là kích cỡ cụm. Các mẫu tái sử dụng tần số được ký hiệu tổng quát : mẫu M/N Trong đó: M= tổng số site / cluster N = tổng số cell / cluster l Hệ số sử dụng lại tần số: 1/N => Mỗi cell được cấp phát 1/N tổng số kênh tần số vô tuyến trong 1 cluster. Trong một môi trường tán xạ di động mặt đất, cường độ công suất máy thu được tại một khoảng R từ thiết bj phát liên quan đến biểu thức sau: Trong đó là một hằng số liên quan tới môi trường mặt đất, thường lấy bằng 4. Đối với một cấu hình gồm 7 tế bào sử dụng lặp tần, tỷ số sóng mang– giao thoa xảy ra do một máy mobile trong vùng 6 tế bào nằm trong khoảng cách D so với máy mobile sử dụng lặp tần tối thiểu, nghĩa là, bên ngoài vành đai thứ nhất của mẫu cụm tế bào sử dụng lặp tần. q: là tham số suy giảm giao thao đồng kênh, được cho bởi phương trình: Biểu thức trên giả thiết rằng công suất phát ra bởi tất cả các tế bào là tương đương và sự giao thao đồng kênh tín hiệu nhận được từ các tế bào hoạt động dựa trên cùng loại tần số tại vành đai thứ hai của cụm tế bào có thể được lược bỏ. Do vậy, đối với , một mẫu cụm 7 tế bào có thể cho một tỷ số C/I là 18dB. Để giảm thiểu hiệu ứng của việc giao thoa đồng kênh, sử dụng các kỹ thuật điều khiển công suất tài điểm đầu cuối mobile và trạm cơ sở để đảm bảo chất lượng dịch vụ Ngoài ra ta còn có công thức tính C/I tại máy di động MS như sau: Trong đó x là hệ số truyền sóng. 4.3.Các mẫu tái sử dụng tần số 4.3.1. Mẫu 3/9 Mẫu tái sử dụng tần số 3/9 có nghĩa các tần số sử dụng được chia thành 9 nhóm ấn định trong 3 vị trí trạm gốc. Mẫu này có khoảng cách giữa các đài đồng kênh là D = 5.2R. Các tần số ở mẫu 3/9 Thông thường cụm 9 cell có tỉ số C/I khoảng 9dB. Với tỉ số này, các máy di động có thể hoạt động được nhờ việc GSM cung cấp các phương pháp đo lường đặc biệt để có thể làm giảm ảnh hưởng của nhiễu. Các phương pháp đo lường này gồm nhảy tần, điều khiển công suất và truyề n dẫn gián đoạn. 4.3.2.Mẫu 4/12 Mẫu sử dụng lại tần số 4/12 có nghĩa là các tần số sử dụng được chia thành 12 nhóm tần số ấn định trong 4 vị trí trạm gốc. Khoảng cách giữa các trạm đồng kênh khi đó D = 6R. Các tần số ở mẫu 4/12. Ta thấy mỗi cell có thể phân bố cực đại là 4 sóng mang. Trong mẫu 4/12 số lượng các cell D sắp xếp theo các cách khác nhau để nhằm phục vụ cho các cell A, B, C. Hiệu quả của việc điều chỉnh này là để đảm bảo hai cell cạnh nhau không sử dụng hai sóng mang liền nhau (khác với mẫu 3/9). Hơn nữa, sử dụng mẫu này cũng đảm bảo các cell sử dụng các sóng mang giống nhau được phân cách bởi khoảng cách tái sử dụng. Trong phần trước, chúng ta biết rằng cụm 12 cell có tỉ số C/I khoảng 12dB. Đây là tỉ số thích hớp đối với hệ thống GSM và như vậy việc sử dụng kỳ vọng tần số, điều khiển công suất động, truyền dẫn gián đoạn thực chất không cần thiết. 4.3.3.Mẫu 7/21 Mẫu 7/21 có nghĩa là các tần số sử dụng được chia thành 21 nhóm ấn định trong 7 trạm gốc. Khoảng cách giữa các trạm đồng kênh D = 7.9R. Các tần số ở mẫu 7/21: mỗi cell chỉ được phân bố tối đa 2 sóng mang. 4.3. Nhận xét 4.3.1. So sánh giữa các mẫu sử dụng tần số: Khi số nhóm tần số tăng N/21, N/12, N/9, nghĩa là số tần số có thể dùng cho một đài trạm tăng thì khoảng cách giữa các đài đồng kênh D sẽ giảm 7.9R, 6R, 5.2R. Điều này đồng nghĩa với nhiễu trong hệ thống cũng sẽ tăng lên. Với số nhóm tần số tăng thì số thuê bao được phục vụ cũng sẽ tăng lên. Như vậy, việc lựa chọn mẫu sử dụng lại tần số phải dựa trên các đặc điểm địa lý vùng phủ sóng, mật độ thuê bao của vùng phủ sóng và tổng số kênh N của mạng. − Mẫu 3/9: số kênh trong một cell là lớn, tuy nhiên khả năng nhiễu cao. Mô hính này được áp dụng cho vùng có mật độ máy di động cao. − Mẫu 4/12: sử dụng cho những vùng có mật độ lưu lượng trung bình. − Mẫu 7/21: sử dụng cho những khu vực mật độ lưu lượng thấp. 4.3.2. Dung lượng và tỉ số C/I. Với tổng số kênh mà tài nguyên hệ thống cho phép là M kênh, nếu chia đều cho N nhóm kênh thì sẽ có số kênh trong một nhóm kênh hay một cell là M/N. Từ đây ta sẽ tính toán được dung lượng phục vụ ứng với cấp độ phục vụ GOS nhất định qua bảng Erlang. Như nhận xét ở trên, số nhóm tần số càng nhỏ thì số lượng kênh trên một nhóm càng lớn và số thuê bao có thể được phục vụ càng cao, nghĩa là phản ánh hiệu quả trung kế tốt hơn. Nhưng N nhỏ lại cho tỉ số C/I nhỏ, nhiễu đồng kênh tăng. Với N cho trước, thì dung lượng trên một cell sẽ là cố định. Như đã biết, khu vực cell tỉ lệ thuận với bình phương bán kính cell. Do vậy, mật độ dung lượng trong một đơn vị diện tích là tỉ lệ nghịch với khu vực cell. Vậy nếu ta chia cell nhỏ có bán kính bằng ½ cell cũ thì với N cho trước dung lượng sẽ tăng lên 4 lần. Tuy nhiên, để tránh nhiễu đồng kênh thì không thể luôn sử dụng cùng một nhóm tần số cho các cell nhỏ đó vì điều nnày sẽ là giảm đi ưu điểm của việc giảm kích cỡ cell sẽ làm giảm chất lượng. 5. Nhiễu đa truy nhập (Multiple Access Interference). Nhiễu đa truy nhập là nhiễu do các tín hiệu của các user giao thoa với nhau,là yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến dung lượng của hệ thống Trong các hệ thống đa truy nhập: • TDMA: Đa truy nhập phân chia theo thời gian .Trong TDMA là sự giao thoa của các tín hiệu ở khe thời gian này với khe thời gian khác do sự không hoàn toàn đồng bộ gây ra.Người ta phải có khoảng bảo vệ (guard time) để giảm xác suất người dùng bị giao thoa nhưng cũng đồng thời làm giảm hiệu suất sử dụng phổ. • FDMA: Đa truy nhập phân chia theo tần số Các hiệu ứng Doppler làm dịch phổ tần số dẫn đến có sự giao thoa giữa các dải tần con Guard band để giảm xác xuất giao thoa giữa các kênh kề nhau =>giảm hiệu suất sử dụng phổ. • CDMA: Đa truy nhập phân chia theo mã Trong CDMA người ta sử dụng tính trực giao của mã nên hầu như không có nhiễu giữa các user. • DS CDMA: Đa truy nhập phân chia theo mã chuỗi trực tiếp. Theo những nghiên cứu gần đây, phương thức đa truy nhập phân chia theo mã chuỗi trực tiếp DS-CDMA (Direct Sequence Code Division Multiplexing Access) dựa vào việc trải phổ dòng dữ liệu bằng cách sử dụng một mã trải phổ được ấn định cho mỗi người sử dụng trong miền thời gian.Khả năng giảm thiểu nhiễu đa truy nhập MAI (Multiple Access Interference) dựa vào tính tương quan chéo của mã trải phổ. Trong trường hợp truyền đa đường đòi hỏi rất khắt khe của viễn thông di động, khả năng phân biệt một tín hiệu thành phần từ nhiều thành phần khác trong tín hiệu thu tổng hợp được cung cấp bởi tính tự tương quan của mã trải phổ. Máy thu RAKE có chứa nhiều bộ tương quan, mỗi bộ tương quan được nối với một dường dẫn có khả năng phân giảỉ khác nhau. Vì vậy hoạt động của hệ thống DS-CDMA sẽ phụ thuộc nhiều vào số lượng người sử dụng thực tế, đặc trưng của kênh và số lượng các nhánh được dùng trong máy thu RAKE. Cũng vì lý do này mà dung lượng của hệ thống sẽ bị hạn chế do nhiễu nội (self-interference) và MAI mà nguyên nhân là sự chưa hoàn chỉnh của tính tự tương quan cũng như tính tương quan chéo của mã trải phổ. Điều này gây ra khó khăn cho hệ thống DS-CDMA trong việc sử dụng đầy đủ năng lượng tín hiệu thu bị phân tán trong miền thời gian. Để khử MAI người ta thường dùng các phương pháp trực giao nhưng trên thực tế không thể có sự trực giao hoàn toàn. Do đó MAI vẫn tồn tại trong các hệ thống đa truy nhập. KẾT LUẬN Trên đây nhóm đã trình bày một cách cơ bản 05 loại nhiễu trong thông tin di động, đó là 􀁺 Nhiễu trắng ( White Gaussian Noise) 􀁺 Nhiễu xuyên âm ( Intersymbol Interference) 􀁺 Nhiễu xuyên kênh ( Interchannel Interference) 􀁺 Nhiễu đồng kênh ( Cochannel Interference) 􀁺 Nhiễu đa truy nhập (Multiple access Interference) Trước nhu cầu ngày càng lớn về thông tin liên lạc nói chung và thông tin di động nói riêng, việc nghiên cứu áp dụng các công nghệ tiên tiến cũng như tìm kiếm các giải pháp mới nhằm nâng cao về chất lượng- dung lượng cũng như các loại hình dịch vụ thông tin liên lạc có ý nghĩa hết sức quan trọng và thiết thực.