WIMAX trong môi trường LOS và NLOS
Trong khi mạng băng rộng cố định với nhiều công nghệ sẵn có thì mạng vô tuyến chỉ có thể cung cấp khả năng phủ sóng tầm nhìn thẳng (line of sight – LOS). Vì thế nền tảng công nghệ WiMAX đã được tối ưu hoá để cho ra đời khả năng phủ sóng không theo tầm nhìn thẳng (non line of sight – NLOS).
WIMAX trong môi trường LOS và NLOS
Nguồn: khonggianit.vn
Trong khi mạng băng rộng cố định với nhiều công nghệ sẵn có thì mạng vô
tuyến chỉ có thể cung cấp khả năng phủ sóng tầm nhìn thẳng (line of sight –
LOS). Vì thế nền tảng công nghệ WiMAX đã được tối ưu hoá để cho ra đời
khả năng phủ sóng không theo tầm nhìn thẳng (non line of sight – NLOS).
Công nghệ tiên tiến WiMAX có thể cung cấp tốt nhất về khoảng cách phủ
sóng lên tới 50km dưới các điều kiện tầm nhìn thẳng – LOS và bán kính cell
lên tới 8km dưới các điệu kiện không theo tầm nhìn thẳng – NLOS.
1. Truyền sóng LOS và NLOS
Thông thường, kênh vô tuyến của một hệ thống truyền thông không dây được mô
tả hoặc ở kiểu tầm nhìn thẳng (LOS) hoặc không theo tầm nhìn thẳng (NLOS).
Trong một đường truyền LOS, tín hiệu đi theo đường trực tiếp và không có
chướng ngại vật giữa phía phát và phía thu. Một đường truyền LOS yêu cầu phải
có đặc tính là toàn bộ miền Fresnel thứ nhất không hề có chướng ngại vật (hình 1),
nếu đặc tính này không được đảm bảo thì cường độ của tín hiệu sẽ suy giảm đáng
kể. Không gian miền Fresnel phụ thuộc vào tần số hoạt động và khoảng cách giữa
trạm phát và trạm thu.
Hình 1. Miền Fresnel cho trường hợp LOS
Trên một đường truyền NLOS, tín hiệu tới phía thu thông qua sự phản xạ, tán xạ
và nhiễu xạ. Các tín hiệu nhận được ở phía thu bao gồm sự tổng hợp các thành
phần nhận được từ đường đi trực tiếp, các đường phản xạ, năng lượng tán xạ và
các thành phần nhiễu xạ. Những tín hiệu này có những khoảng trễ, sự suy giảm, sự
phân cực và trạng thái ổn định liên quan tới đường truyền trực tiếp là khác nhau.
Hình 2. Truyền sóng trong điều kiện NLOS
Hiện tượng đa đường cũng có thể là nguyên nhân dẫn đến sự thay đổi phân cực tín
hiệu. Do đó sử dụng phân cực cũng như sử dụng lại tần số mà được thực hiện bình
thường trong triển khai LOS lại khó khăn trong các ứng dụng NLOS.
Làm thế nào để một hệ thống vô tuyến sử dụng những tín hiệu đa đường này để
cung cấp một dịch vụ đảm bảo trong điều kiện NLOS. Một sản phẩm đơn thuần
chỉ tăng công suất để xuyên qua được vật cản (đôi khi gọi là “gần tầm nhìn
thẳng”) không phải là công nghệ NLOS bởi vì cách tiếp cận này vẫn dựa vào
cường độ tín hiệu đi trực tiếp (direct path) mà không tính đến cường độ của tín
hiệu đi gián tiếp (indirect path). Điều kiện phủ sóng của cả LOS và NLOS bị chi
phối bởi các đặc tính truyền sóng của môi trường, tổn hao đường truyền (path
loss) và quỹ đường truyền vô tuyến.
Một số ưu điểm mà NLOS mong muốn triển khai được. Ví dụ, các yêu cầu hoạch
định chính xác và các hạn chế độ cao anten thường không cho phép anten được đặt
ở các vị trí thuận lợi cho LOS. Do mạng tế bào không ngừng mở rộng trong khi sử
dụng lại tần số ngày càng có hạn, hạ thấp các anten chính là ưu điểm để giảm
nhiễu đồng kênh giữa các cell lân cận. Tuy nhiên điều này lại làm cho các trạm
gốc phải hoạt động trong điều kiện NLOS. Các hệ thống LOS không thể hạ thấp
độ cao của anten bởi làm thế sẽ ảnh hưởng đến tầm nhìn thẳng từ CPE (thiết bị tại
nhà khách hàng) tới trạm gốc.
Công nghệ NLOS cũng giảm được chi phí cài đặt do CPE có thể cài đặt được ở
nhiều điều kiện địa hình phức tạp. Không những thế, công nghệ này cũng giảm
thiểu được yêu cầu khảo sát vị trí trạm (trước khi lắp đặt) và nâng cao độ chính
xác của các công cụ hoạch định NLOS.
Hình 3. Vị trí CPE ở điều kiện không theo tầm nhìn thẳng NLOS
Chính công nghệ NLOS và các đặc tính cao cấp trong WiMAX làm nó có thể sử
dụng thiết bị tại nhà của khách hàng – CPE. Điều này có hai trở ngại chính: thứ
nhất là phải khắc phục được tổn hao thâm nhập toà nhà, thứ hai là phủ sóng được
tới các khoảng hợp lý với công suất phát thấp hơn và độ lợi anten phù hợp với các
CPE trong nhà. WiMAX cho phép thực hiện được điều này và phạm vi phủ sóng
của NLOS còn có thể được cải tiến hơn nữa nhờ sử dụng các tính năng tuỳ chọn
của WiMAX.
2. Các giải pháp công nghệ NLOS
Công nghệ WiMAX đã giải quyết hoặc làm giảm nhẹ các trở ngại do NLOS bằng
cách sử dụng:
- Công nghệ OFDM
- Kênh con hoá (sub-channelization)
- Anten định hướng
- Phân tập thu và phát
- Điều chế thích nghi
- Các kỹ thuật hiệu chỉnh lỗi
- Điều khiển công suất
2.1. Công nghệ OFDM
Công nghệ ghép kênh phân chia theo tần số trực giao – OFDM đem lại cho các
nhà khai thác hiệu quả đáng kể khả năng khắc phục khó khăn khi truyền sóng
trong điều kiện NLOS. Dạng sóng OFDM trong WiMAX có ưu điểm là hoạt động
được trong môi trường NLOS với trễ lan truyền lớn. Nhờ ưu điểm của thời biểu
trưng OFDM và sử dụng một tiền tố vòng, dạng sóng OFDM đã loại bỏ được các
vấn đề nhiễu liên biểu trưng (inter-symbol interference – ISI) và sự phức tạp của
sự cân bằng thích nghi. Bởi vì dạng sóng OFDM bao gồm nhiều sóng mang trực
giao băng hẹp, fading lựa chọn được định vị cho một tập con các sóng mang tương
đối dễ cân bằng. Một ví dụ chỉ ra dưới đây sẽ so sánh giữa một tín hiệu OFDM và
một tín hiệu sóng mang đơn, với thông tin được gửi song song cho OFDM và hàng
loạt sóng mang đơn.
Hình 4. Sóng mang đơn và OFDM
Khả năng khắc phục trễ, đa đường và ISI một cách có hiệu quả cho phép tăng tốc
độ dữ liệu. Một ví dụ chỉ ra việc cân bằng các sóng mang OFDM riêng lẻ dễ dàng
hơn so với việc cân bằng tín hiệu sóng mang đơn
Hình 5. Sóng mang đơn và tín hiệu thu OFDM
Vì tất cả những lý do này, các tiêu chuẩn quốc tế đần đây (IEEE, 802.16, ETSI
BRAN, ETRI) thiết lập OFDM như một công nghệ để lựa chọn.
2.2. Kênh con hoá
Kênh con hoá (sub-channelization) trên đường lên là tuỳ chọn trong công nghệ
WiMAX, khi không sử dụng kênh con hoá, những sự hạn chế điều tiết và yêu cầu
các CPE chi phí hiệu quả gây lên quỹ đường truyền không đối xứng, điều này
cũng dẫn đến phạm vi hệ thống trên đường truyền lên bị hạn chế. Kênh con hoá
cho phép quỹ đường truyền được cân bằng làm cho độ lợi (gain) của hệ thống là
tương tự nhau đối với cả đường truyền lên và xuống. Kênh con hoá tập trung ông
suất phát vào một vài sóng mang OFDM; điều này làm tăng độ lợi hệ thống và mở
rộng hệ thống, khắc phục được tổn hao thâm nhập toà nhà hoặc giảm công suất
tiêu thụ của CPE. Việc sử dụng kênh con hoá còn được mở rộng hơn trong truy
nhập đa sóng mang phân chia theo tần số trực giao (OFDMA) cho phép sử dụng
linh hoạt hơn tài nguyên cung cấp cho di động.
Hình 6. Hiệu ứng kênh con hoá (sub channelization)
2.3. Anten trong các ứng dụng không dây cố định
Các anten định hướng tăng độ dự trữ (fade margin) bằng cách thêm vào độ lợi,
điều này làm tăng độ khả dụng của đường truyền được chỉ ra bởi hệ số K - hệ số
so sánh giữa anten định hướng và anten đẳng hướng. Độ trễ truyền dẫn sẽ giảm
bởi anten định hướng tại cả trạm gốc và CPE. Mô hình anten ngăn bất kỳ tín hiệu
đa đường nào nhận được tại búp sóng chính (sidelobes) và búp sóng phụ
(backlobes). Mức độ hiệu quả của phương pháp này được chứng minh và thể hiện
ở việc triển khai thành công dịch vụ vận hành dưới sự ảnh hưởng đáng kể của
fading NLOS.
Các hệ thống anten thích ứng (Adaptive antenna systems – AAS) là một phần tuỳ
chọn trong chuẩn 802.16. Chúng có các thuộc tính tạo tia mà có thể hướng sự tập
chung vào một hoặc nhiều hướng xác định. Điều này có nghĩa là trong khi truyền,
tín hiệu có thể bị giới hạn tới hướng yêu cầu của bộ thu như một tia sáng. Ngược
lại khi thu, hệ thống AAS có thể được thiết kế để chỉ tập chung vào hướng tín hiệu
đến. Chúng cũng có đặc tính khử nhiễu đồng kênh từ các trạm khác. Các hệ thống
AAS được coi là sự phát triển trong tương lai và thậm chí có thể cải tiến đế tái sử
dụng lại phổ và dung lượng của mạng WiMAX.
2.4. Phân tập thu phát
Nguyên lý phân tập được sử dụng để thu những tín hiệu đa đường và phản xạ xuất
hiện trong trường hợp truyền NLOS. Phân tập là một đặc điểm tuỳ chọn trong
WiMAX. Thuật toán phân tập được cung cấp bởi WiMAX trên cả phía phát và
phía thu làm tăng độ khả dụng của hệ thống. Tuỳ chọn phân tập trong WiMAX sử
dụng mã hoá không gian thời gian để cung cấp tính độc lập nguồn phát; điều này
làm giảm yêu cầu về dự trữ suy giảm và chống nhiễu. Đối với phân tập thu, các kỹ
thuật kết hợp khác nhau có sẵn cải thiện được độ khả dụng của hệ thống. Ví dụ, tỉ
số truyền kết hợp cực đại (Maximum Radio Combining – MRC) mang lại lợi ích
cho hai chuỗi thu khác nhau giúp khắc phục fading và giảm tổn hao đường truyền.
Phân tập đã được chứng minh là một công cụ hiệu quả cho truyền NLOS.
2.5. Điều chế thích nghi
Điều chế thích nghi (adaptive modulation) cho phép hệ thống WiMAX điều chỉnh
nguyên lý điều chế tín hiệu theo tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) của đường truyền
vô tuyến. Khi đường truyền vô tuyến có chất lượng cao, nguyên lý điều chế cao
nhất được sử dụng làm tăng thêm dung lượng hệ thống. Trong quá trình suy giảm
tín hiệu, hệ thống WiMAX có thể chuyển sang một nguyên lý điều chế thấp hơn
để duy trì chất lượng và sự ổn định của đường truyền. Đặc điểm này cho phép hệ
thống khắc phục hiệu ứng fading lựa chọn thời gian. Đặc điểm quan trọng của điều
chế thích nghi là khả năng tăng dải sử dụng của nguyên lý điều chế ở mức độ cao
hơn, do đó hệ thống có tính mềm dẻo đối với tình trạng fading thực tế.
Hình 7. Bán kính cell
2.6. Các kỹ thuật hiệu chỉnh lỗi
Các kỹ thuật hiệu chỉnh lỗi đã được kết hợp vào WiMAX để giảm yêu cầu tỉ lệ
SNR của hệ thống. Mã hoá xoắn vòng Reed Solomon FEC và các thuật toán ghép
xen được sử dụng để phát hiện và hiệu chỉnh các lỗi để cải tiến thông lượng. Các
kỹ thuật hiệu chỉnh lỗi tốt giúp khôi phục lại các khung bị lỗi đó là các khung bị
mất do fading lựa chọn tần số hoặc lỗi cụm. Thuật toán yêu cầu tự động gửi lại –
ARQ được sử dụng để hiệu chỉnh các lỗi mà không sửa được bằng thuật toán FEC.
Thuật toán này đã cải tiến đáng kể hiệu suất BER đối với cùng một mức ngưỡng.
2.7. Điều khiển công suất
Các thuật toán điều khiển công suất được sử dụng để cải tiến hiệu suất tổng thể
của hệ thống, nó được thực hiện nhờ trạm gốc gửi thông tin điều khiển công suất
tới từng CPE để ổn định mức công suất phát sao cho mức thu được tại trạm gốc
luôn ở mức định trước. Trong một môi trường fading thay đổi không ngừng mức
hiệu suất định trước này có nghĩa là CPE chỉ truyền đủ công suất theo yêu cầu,
ngược lại mức công suất phát của CPE sẽ không phù hợp. Công suất phát sẽ làm
giảm năng lượng tiêu thụ tổng của CPE và nhiễu tiềm ẩn từ các trạm gốc lân cận.
Với LOS, công suất phát của CPE xấp xỉ tỉ lệ với khoảng cách của nó tới trạm
gốc, với NLOS nó phụ thuộc rất nhiều vào khoảng trống và trướng ngại vật.
3. Các mô hình truyền NLOS
Trong một kênh NLOS, tín hiệu có thể bị tán xạ, nhiễu xạ, thay đổi sự phân cực,
và suy giảm do phản xạ. Các nhân tố này sẽ ảnh hưởng đến cường độ của tín hiệu
thu. Trong kênh LOS, những suy giảm này thường không xuất hiện ở phía phát và
thu.
3.1. Các mô hình NLOS
Trong những năm vừa qua, nhiều loại mô hình đã được phát triển nhằm đặc tính
hoá môi trường vô tuyến và dự đoán cường độ tín hiệu vô tuyến. Những mô hình
kinh nghiệm này được sử dụng để dự đoán vùng phủ sóng diện rộng cho các hệ
thống truyền thông vô tuyến trong các ứng dụng mạng tế bào. Những mô hình này
đã ước tính được tổn hao đường truyền (path loss) có tính đến khoảng cách giữa
phía thu và phía phát, yếu tố địa hình, độ cao anten thu phát và tần số sóng mang.
Nhưng không một cách tiếp cận nào trong số trên chỉ ra được nhu cầu mạng không
dây cố định băng rộng một cách hợp lý.
Nhóm Wireless AT&T đã thu thập thêm dữ liệu hiện trường từ một số khu vực tại
Mỹ để ước lượng một cách chính xác hơn môi trường vô tuyến RF không dây cố
định. Mô hình của nhóm Wireless AT&T đã được phê chuẩn (tương phản với các
hệ thống vô tuyến cố định) và thu được kết quả đáng kể. Mô hình này là cơ sở của
mô hình thừa nhận công nghiệp (industry-accepted) và được sử dụng chính cho
các chuẩn IEEE802.16. Sự thừa nhận của IEEE với mô hình của nhóm Wireless
AT&T được gọi là IEEE802.16.3c-01/29r4. “Các mô hình kênh cho các ứng dụng
vô tuyến cố định của Erceg” (tham khảo trên website IEEE.
3.2. Các mô hình SUI
Mô hình SUI (Stanford University Interim) chính là mô hình mở rộng của nhóm
Wireless AT&T và Erceg.
Nó sử dung ba loại địa hình cơ bản:
- Loại A - Đồi núi/ có mật độ cây cối từ vừa đến rậm rạp
- Loại B - Đồi núi/ mật độ cây cối thưa hoặc địa hình phẳng/ có mật độ cây cối từ vừa
đến rậm rạp
- Loại C - Địa hình phẳng/ mật độ cây cối thưa
Các loại địa hình trên cung cấp một phương pháp đơn giản để đánh giá chính xác
hơn suy hao đường truyền của các kênh vô tuyến (RF channel) trong điều kiện
NLOS. Mô hình đã được thống kê trong thực tế và chứng tỏ nó có thể biểu diễn
đúng dải suy hao trong một đường truyền vô tuyến thực tế.
Các mô hình kênh SUI đã được lựa chọn để thiết kế, xây dựng và kiểm thử cho
công nghệ WiMAX với 6 kịch bản khác nhau (từ SUI-1 đến SUI-6). Sử dụng các
mô hình kênh này có thể dự đoán chính xác khả năng phủ sóng của một sector
trạm gốc, và các ước tính khả năng phủ sóng lại được sử dụng để tiếp tục hoạch
định mạng. Lấy ví dụ, nó có thể được sử dụng để xác định số các trạm gốc cần
thiết cung cấp dịch vụ cho một vùng địa lý xác định. Các mô hình này không phải
là các hoạch định chi tiết của trạm nhưng nó có thể đưa ra một ước tính trước khi
quá trình hoạch định bắt đầu. Điều này rất quan trọng cho các hoạt động quy
hoạch tần số vô tuyến RF mà có tính đến các tham số do môi trường, nhiễu đồng
kênh, và các hiệu ứng địa hình, nhiễu.
3.3. Dự đoán khả năng phủ sóng
Trong các điều kiện LOS, khoảng cách phủ sóng phụ thuộc vào mức độ LOS nhờ
độ trong suốt của vùng Fresnel. Trong các điều kiện LOS, có một khái niệm độ
sẵn sàng che phủ (được tính bằng tỉ lệ % ) cho biết xác suất thống kê mà các khách
hàng tiềm năng trong vùng phủ sóng dự đoán có thể được phục vụ. Ví dụ, xác suất
che phủ 90% có nghĩa là 90% khách hàng tiềm năng ở trong vùng che phủ dự
đoán sẽ có chất lượng tín hiệu đảm bảo. Việc chuẩn hoá đường truyền vô tuyến
WiMAX sẽ cho phép các nhà cung cấp công cụ hoạch định tần số vô tuyến phát
triển các ứng dụng cụ thể các dự đoán NLOS theo thời gian. Ngoài ra, nếu có 100
khách hàng tiềm năng đồng ý một bản đồ che phủ dự đoán NLOS, thì sẽ có 90
trong số họ có thể sẽ được cung cấp ngay cả khi có nghẽn giữa trạm gốc và CPE.
Yêu cầu hoạch định tần số vô tuyến và dự đoán vùng che phủ được tích hợp công
nghệ NLOS đã cho phép đánh giá chính xác mức độ ưu tiên đối với những khách
hàng nào.
4. Phạm vi phủ sóng của WiMAX
Phần này sẽ trình bầy hai kiểu trạm gốc chính và tính năng của chúng.
Kiểu trạm gốc với tính năng cơ bản (standard base station)
- Thực hiện chức năng WiMAX cơ bản (chỉ có những tính năng bắt buộc).
- Công suất đầu ra RF cơ bản cho một trạm gốc giá thành thấp (theo nhà cung cấp thiết
bị).
Kiểu trạm gốc với đầy đủ tính năng (full featured base station)
- Công suất đầu ra RF cao hơn trạm gốc cơ bản (theo nhà cung cấp thiết bị).
- Kết hợp phân tập Tx/Rx với mã hoá không gian thời gian và sự thu nhận MRC.
- Kênh con hoá.
- ARQ.
Cả trạm gốc với tính năng cơ bản hay đầy đủ tính năng đều tuân theo chuẩn
WiMAX, tuy nhiên hiệu suất của mỗi kiểu lại khác nhau. Bảng 1 dưới đây cho
biết sự khác nhau giữa hai kiểu trạm này khi xét trong cùng một cấu hình hệ thống
chuẩn. Điều quan trọng là trong WiMAX có một số tuỳ chọn cho phép nhà khai
thác và nhà cung cấp thiết bị khả năng xây dựng các mạng hoàn toàn phù hợp với
các ứng dụng và thương mại của họ. * Thông lượng cực đại hướng lên (uplink)
trong Bảng 1 giả định cho một kênh con đơn lẻ được sử dụng để mở rộng vùng
phủ của cell xa nhất có thể.
Bảng 1. Minh hoạ hai kiểu trạm: tính năng cơ bản và đầy đủ tính năng
Tần số : 3.5 GHz Đầy đủ tính Tính năng
năng cơ bản
Các giả định Băng thông: 3.5 MHz
Từ Đến Từ Đến
600 / sector
(Km) LOS 30 50 10 16
NLOS (của Erceg) 4 9 1 2
CPE tự cài đặt trong
1 2 0.3 0.5
nhà
Downlink 11.3 8 11.3 8
Thông lượng tối đa cho
mỗi sector (Mbps)
Uplink 11.3 8 11.3 8
Thông lượng tối đa cho Downlink 11.3 2.8 11.3 2.8
mỗi CPE tại đường
viền cell (Mbps) Uplink 0.7 0.175 11.3 2.8
Số thuê bao tối đa Nhiều hơn Ít hơn
Nhận thấy hiệu suất đạt được về vùng che phủ với trạm đầy đủ tính năng ở chế độ
các CPE tự cài đặt trong nhà (indoor self-installed CPE) gấp 10 lần so với trạm có
tính năng cơ bản. Hình 8 dưới đây biểu diễn biểu đồ ảnh hưởng của LOS và NLOS
đối với hai kiểu trạm khác nhau.
Hình 8. Bán kính cell của trạm có tính năng cơ bản và đầy đủ tính năng
Giải pháp mạng tối ưu sẽ sử dụng kết hợp hai kiểu trạm gốc này (tính năng cơ bản
và đầy đủ tính năng).
5. Kết luận
Công nghệ WiMAX có thể cung cấp khả năng che phủ trong cả điều kiện tầm nhìn
thằng (LOS) và không theo tầm nhìn thẳng (NLOS). Trong đó NLOS có nhiều ưu
điểm triển khai cho phép nhà khai thác cung cấp dữ liệu băng rộng đến nhiều đối
tượng khách hàng. Công nghệ WiMAX cũng có rất nhiều ưu điểm đem lại các giải
pháp ở điều kiện NLOS với nhiều tính năng như: công nghệ OFDM, điều chế
thích nghi và hiệu chỉnh lỗi. Ngoài ra, WiMAX cũng có nhiều tính năng tuỳ chọn
như: ARQ, kênh con hoá, phân tập, và mã hoá không gian - thời gian hứa hẹn sẽ
đem lại cho nhà khai thác hiệu suất và chất lượng dịch vụ cao hơn so với các đối
thủ cạnh tranh sử dụng công nghệ hữu tuyến. Trước tiên các nhà khai thác dịch vụ
không dây băng rộng cần triển khai các thiết bị chuẩn hoá với sự cân bằng giữa giá
thành và hiệu suất; lựa chọn các tính năng hợp lý cho mô hình kinh doanh cụ thể.
6. Thuật ngữ viết tắt
Adaptive Antenna System Hệ thống anten thích nghi
AAS
Automatic Repeat Request
ARQ
Yêu cầu tự động gửi lại
