Fading trong thông tin vô tuyến

1. Fading là gì?

Fading là hiện tượng sai lạc tín hiệu thu môt cách bất thường xảy ra đối với các hệ thống vô tuyến do tác đông của môi trường truyền dẫn.
Các yếu tố gây ra Fading đối với các hệ thống vô tuyến măt đất như:

• Sự thăng giáng của tầng điện ly đối với hệ thống sóng ngắn
• Sự hấp thụ gây bởi các phân tử khí, hơi nước, mưa, tuyết, sương mù...sự hấp thụ này phụ thuôc vào dải tần số công tác đăc biệt là dải tần cao (>10Ghz).
• Sự khúc xạ gây bởi sự không đổng đều của mật đô không khí.
• Sự phản xạ sóng từ bề măt trái đất, đăc biệt trong trường hợp có bề măt nước và sự phản xạ sóng từ các bất đổng nhất trong khí quyển. Đây cũng là môt yếu tố dẫn đến sự truyền lan đa đường.
• Sự phản xạ, tán xạ và nhiễu xạ từ các chướng ngại trên đường truyền lan sóng điện từ, gây nên hiện tượng trải trễ và giao thoa sóng tại điểm thu do tín hiệu nhận được là tổng của rất nhiều tín hiệu truyền theo nhiều đường. Hiện tượng này đăc biệt quan trọng trong thông tin di động.

  

Trích dẫn 1 bài viết của thày bình dị thì : 

1. Pha-đinh chỉ có hại chứ sao lại có lợi? Pha-đinh là sự thăng giáng một cách ngẫu nhiên tín hiệu tại điểm thu. Chỉ cần nói thế này là bạn thấy ngay thôi: Giữa một kênh không có pha-đinh (như kênh hữu tuyến chẳng hạn) và một kênh có pha-đinh (như kênh vô tuyến trong bầu khí quyển gần mặt đất, trong đó pha-đinh là một yếu tố có tính chất cố hữu) thì kênh không có pha-đinh phải tốt hơn kênh có pha-đinh chứ? Kênh không có pha-đinh thì tác động tới chất lượng tín hiệu chỉ còn có tạp âm nhiệt AWGN (nên gọi là kênh Gaussian) và là kênh được xem là tốt nhất trong các loại kênh (trường hợp kênh Gaussian rất hãn hữu mới gặp trong thực tế với các kênh vô tuyến, khi chỉ có một tia LOS giữa máy thu và máy phát, không có các tia phụ do phản xạ, nhiễu xạ, khúc xạ - hệ số Rice K của kênh rất lớn).

2. Như đã nói, pha-đinh là một yếu tố có tính chất cố hữu đối với các kênh vô tuyến trong bầu khí quyển gần mặt đất, khi đó kênh có pha-đinh dễ xử lý nhất là kênh pha-đinh phẳng (flat fading) vì pha-đinh phẳng có thể khắc phục dễ dàng nhờ AGC (Automatic Gain Control) và pha-đinh khi đó không gây ra cái hiện tượng khốn nạn nhất trong truyền dẫn tín hiệu số là ISI do méo tuyến tính tín hiệu gặp phải với các kênh có pha-đinh chọn lọc theo tần số (selective fading) rất thường gặp với các kênh có băng thông tín hiệu rộng (có độ rộng băng tín hiệu lớn hơn độ rộng băng kết hợp - hay nhất quán theo cách dịch của các thày bên bưu điện - coherent bandwidth of the channel). Mạch san bằng (Equalizer), hay cân bằng theo cách gọi bên bưu điện, lúc đó chỉ có trách nhiệm bù sửa ISI gây bởi trải trễ mà thôi. Tức là pha-đinh phẳng chỉ là loại pha-đinh ít khó chịu nhất trong các loại pha-đinh chứ không có nghĩa là pha-đinh phẳng thì không gây hại gì, lại càng không phải là tốt cho truyền dẫn tín hiệu.


Fading là một nguyên nhân gây méo tín hiệu (méo tuyến tính): http://tongquanvienthong.blogspot.com/2012/02/meo-tuyen-tinh-va-meo-phi-tuyen_29.html

2. Phân loại fading

- Fading phẳng

- Fading chọn lọc tần số

- Fading nhanh

- Fading chậm

Các khái niệm băng tần và băng thông có thể xem ở đây

Chúng được phân loại theo chu kỳ của tín hiệu và băng thông của tín hiệu dãi nền như sau:

Fading phẳng

Là Fading mà suy hao phụ thuộc vào tần số là không đáng kể và hầu như là hằng số với toàn bộ băng tần hiệu dụng của tín hiệu.

Fading phẳng thường xảy ra đối với các hệ thống vô tuyến có dung lượng nhỏ và vừa, do độ rộng băng tín hiệu khá nhỏ nên fading do truyền dẫn đa đường và do mưa gần như là xem không có chọn lọc theo tần số.

Fading phẳng do truyền dẫn đa đường: hình thành do phản xạ tại các chướng ngại cũng như sự thay đổi của độ khúc xạ của khí quyển cường đô trường thu được ở đầu thu bị suy giảm và di chuyển trong quá trình truyền dẫn.

Trong các hệ thống chuyển tiếp số LOS (Line-Of-Sight), sự biến thiên của đọ khúc xạ là nguyên nhân chủ yếu dẫn đến hiện tượng truyền dẫn đa đường mà kết quả của nó là tổn hao Fading thay đổi theo tần số. Tuy nhiên, hệ thống có băng tín hiệu nhỏ nên tín hiệu suy hao fading đa đường là nhỏ nên có thể bỏ qua và fading đa đường được xem là fading phẳng.

Đối với fading đa đường, việc thực hiện được đánh giá bằng đo công suất tín hiệu thu được tại một tần số trong băng tín hiệu. Đặc trưng thống kê của fading phẳng đa đường là phân bố thời gian fading vượt quá một mức nào đó

Fading phẳng do hấp thụ: Là hiện tượng sóng điện từ bị hấp thụ và bị tán xạ do mưa, tuyết, sưong mù.hay các phần tử khác tổn tại trong môi trường truyền dẫn nên các tín hiệu vào đầu thu bị suy giảm. Nói chung hiện tượng fading này thay đổi phụ thuộc vào thời gian. 

 

Ảnh hưởng của flat fading tác động lên toàn bộ dải tần tín hiệu truyền trên kênh là như nhau, do đó việc tính toán độ dự trữ fading (fading margin) dễ dàng hơn (các tần số trong băng tần đều bị tác động như nhau thì chỉ việc tăng thêm phát cho tất cả băng tần. Thực tế thì có bộ gọi là tự động điều chỉnh độ lợi-AGC (Auto Gain Control) sẽ điều chỉnh mức bù nhiễu này) 

Fading lựa chọn tần số (selective fading)

Xảy ra khi băng tần của tín hiệu lớn hơn băng thông của kênh truyền. Do đó hệ thống tốc độ vừa và lớn có độ rộng băng tín hiệu lớn (lớn hơn độ rộng kênh) sẽ chịu nhiều tác động của selective fading.

Nói chung là đối toàn bộ băng thông kênh truyền thì nó ảnh hưởng không đều, chỗ nhiều chỗ ít, chỗ làm tăng chỗ làm giảm cường độ tín hiệu. Loại này chủ yếu do fading đa đường gây ra.

Tác hại lớn nhất của loại fading này là gây nhiễu lên kí tự -ISI. Selective fading tác động lên các tần số khác nhau (trong cùng băng tần của tín hiệu) là khác nhau, do đó việc dự trữ như flat fading là không thể. Do đó để khắc phục nó, người ta sử dụng một số biện pháp:

1/Phân tập (diversity): không gian (dùng nhiều anten phát và thu) và thời gian (truyền tại nhiều thời điểm khác nhau).

2/ Sử dụng mạch san bằng thích nghi, thường là các ATDE (Adaptive Time Domain Equalizer) với các thuật toán thích nghi thông dụng là Cưỡng ép không ZF (Zero Forcing) và Sai số trung bình bình phương cực tiểu LMS (Least Mean Square error);

3/Sử dụng mã sửa lỗi để giảm BER (vốn có thể lớn do selective fading gây nên);

4/Trải phổ tín hiệu (pha-đinh chọn lọc thường do hiện tượng truyền dẫn đa đường (multipath propagation) gây nên, trải phổ chuỗi trực tiếp, nhất là với máy thu RAKE, có khả năng tách các tia sóng và tổng hợp chúng lại, loại bỏ ảnh hưởng của multipath propagation);

5/Sử dụng điều chế đa sóng mang mà tiêu biểu là OFDM (cái của nợ này ngày nay được ứng dụng khắp nơi, trong di động 3G, trong WIFI, WIMAX hay trong truyền hình số mặt đất DVB-T...)

Nói chung là fading phẳng do mưa mù và đa đường (nếu do hiện tượng đa đường thì chỉ với các kênh băng thông hẹp), fading chọn lọc thì chủ yếu do fading đa đường và kênh truyền rộng (những nguyên nhân khác thì không rõ nhưng khi học thì mình chỉ biết là do đa đường thôi).

Hiện tượng fading nhiều đường có 1 bài viết riêng ở đây

Fading nhanh và fading chậm.

a/ Nguyên nhân:

- Fading nhanh (fast fading) hay còn gọi là hiệu ứng Doppler, nguyên nhân là có sự chuyển động tương đối giữa máy thu và máy phát dẫn đến tần số thu được sẽ bị dịch tần đi 1 lượng delta_f so với tần sô phát tương ứng

          f_thu = f_phát. (c + v_thu) / (c+v_phát)

         => delta_f=abs[f_thu-f_phát]=abs[v/(c+v_phát)].f_phát

Mức độ dịch tần sẽ thay đổi theo vận tốc tương đối (v) giữa máy phát và thu (tại cùng 1 t/s phát). Do đó hiện tượng này gọi là fading nhanh.

Tuy nhiên, đó không phải là toàn bộ nội dung của fading nhanh mà các hiệu ứng đa đường (multipath) cũng có thể kéo theo sự biến đổi nhanh của mức nhiễu tại đầu thu gây ra fast fading.

- Fading chậm (slow fading): Do ảnh hưởng của các vật cản trở trên đường truyền. VD: tòa nhà cao tầng, ngọn núi, đồi…làm cho biên độ tín hiệu suy giảm, do đó còn gọi là hiệu ứng bóng râm (Shadowing) Tuy nhiên, hiện tượng này chỉ xảy ra trên một khoảng cách lớn, nên tốc độ biến đổi chậm. Hay sự không ổn định cường độ tín hiệu ảnh hưởng đến hiệu ứng cho chắn gọi là suy hao chậm. Vì vậy hiệu ứng này gọi là Fading chậm (slow fading)

Như vậy, slow fading và fast fading phân biệt nhau ở mức độ biến đổi nhiễu tại anten thu.

b/ Khắc phục: bằng cách tính toán đọ dự trữ fading

- Dự trữ fading che khuất chuẩn-log (dự trữ fading chậm - Slow/Shadowing Fading Margin)

Khoản này tính được dựa trên xác suất rớt cuộc gọi cho phép do fading chậm gây nên, thường nó là 1% theo nhiều tài liệu. Lượng dự trữ fading chậm này tính được nếu ta có được đường cong mật độ xác suất fading che khuất (dạng chuẩn-log). Cái đường cong mật độ này có được nhờ phương pháp thống kê (nhờ đo bằng driving-test để có được độ lệch quân phương (zigma) hay còn gọi là độ lệch chuẩn - standard deviation - của biến ngẫu nhiên mức fading che khuất, và một phân bố chuẩn có kỳ vọng bằng không hoàn toàn xác định được pdf của nó nếu biết zigma).

- Dự trữ fading nhanh (Multipath Fading Margin)

Cái này có rắc rối hơn đôi chút. Với các hệ thống băng hẹp như GSM (tốc độ dữ liệu trên kênh thấp do chủ yếu chỉ phục vụ dịch vụ thoại và dữ liệu tốc độ thấp) thì multipath fading xem được là flat-fading. Khi đó dự trữ fading nhanh có thể xác định được theo phân bố của mức fading nhanh. Với các môi trường khác nhau, sẽ có các phân bố khác nhau, trải từ phân bố chuẩn (kênh Gauss) hay Ricean (kênh Rice) cho tới Rayleigh (kênh Rayleigh), trong đó kênh Rayleigh là kênh tồi nhất, rất hay gặp trong môi trường macro khu vực đô thị. Do vậy, khi tính toán thiết kế vô tuyến (tính toán phủ sóng) người ta thường tính với trường hợp xấu nhất là với kênh Rayleigh. Pdf (Probability Density Function - hàm mật độ xác suất) Rayleigh của biến ngẫu nhiên là mức fading nhanh cũng hoàn toàn xác định được nếu có được độ lệch quân phương zigma của nó. Cái này (zigma) cũng phải xác định bằng đo lường (driving-test). Từ đó ta có thể xác định được độ dự trữ fading nhanh để bảo đảm xác suất rớt cuộc gọi do fading nhanh gây ra thấp dưới một mức nào đó, cũng thường là 1%.

Posted in: Các yếu tố ảnh hưởng đến truyền tin