Fading trong thông tin vô tuyến

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 tindi động.
  
Trích dẫn 1 bài viết của thày bình dị
 
   thì : 
1. Pha­đinh chỉ  có hại chứ  sao lại có lợi? Pha­đinh 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 pha­đinh 
(như  kênh hữu tuyến chẳng hạn) và một kênh có pha­đinh (như  kênh vô tuyến trong bầu khí  
quyển gần mặt đất, trong đó pha­đinh là một yếu tố có tính chất cố hữu) thì kênh không có pha­


đinh phải tốt hơn kênh có pha­đinh chứ? Kênh không có pha­đinh 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, pha­đinh 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 pha­đinh dễ  xử  lý nhất là kênh pha­đinh phẳng (flat 
fading) vì pha­đinh 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 pha­đinh 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 pha­đinh phẳng chỉ là  
loại pha­đinh ít khó chịu nhất trong các loại pha­đinh chứ không có nghĩa là pha­đinh phẳng thì 
không   gây   hại   gì,   lại   càng   không   phải   là   tốt   cho   truyền   dẫn   tín   hiệu.

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 (Line­Of­Sight), 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 lợi­AGC (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 selectivefading.
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 (pha­đinh 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_thu­f_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 chuẩn­log (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 chuẩn­log). Cái đường cong mật độ  này có được  
nhờ phương pháp thống kê (nhờ đo bằng driving­test 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 flat­fading. 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 (driving­test). 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%