Fading trong thông tin vô tuyến

1. Fading là gì?

Khi tín hiệu được truyền từ anten phát đến anten thu, nó sẽ đi theo nhiều đường khác nhau. Các tia này gồm tia đi thẳng-LOS (cái này trong viba, còn trong di động thì không nhất thiết), tia khúc xạ từ khí quyển, tia phản xạ từ các vật chắn trên đường đi... Kết quả tín hiệu tại anten thu là tổng hợp của các tín hiệu này, nếu may mắn thì các tín hiệu này đồng pha và cường độ tín hiệu được tăng cường. Nhưng nếu các tín hiệu này triệt tiêu lẫn nhau làm cường độ tín hiệu tại anten thu giảm nghiêm trọng (ngang mức nhiễu)- đó chính là hiện tường fading!

Một ví dụ: Nếu ngồi trong phòng, chỗ thì không có sóng nhưng chỉ cần di chuyển sang vị trí khác thì sóng lại mạnh, ấy là fading.

2. Phân loại fading

- Fading phẳng (flat fading) xảy ra khi băng thông của kênh truyền lớn hơn băng tần của tín hiệu (chú ý tín hiệu thì là băng tần, không phải băng thông). Do các hệ thống tốc độ thấp có độ rộng băng tần tín hiệu hẹp (hẹp hơn độ rộng kênh truyền) nên chịu ảnh hưởng của flat fading. 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. 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...)

- 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.

3. Khắc phục fading:

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%.