3.3 Kĩ thuật OFDM
OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) là kĩ thuật ghép kênh đa sóng mang theo tần số trực giao, và gần đây đã được công nhận là phương thức tốt nhất dành cho việc truyền dữ liệu không dây hai chiều tốc độ cao. Tính trực giao trong OFDM cho phép điều chế các sóng mang con chồng lấn lên nhau rất hiệu quả, tận dụng được băng thông mà không gây nhiễu cho các tín hiệu khác. Ngày nay, công nghệ này được sử dụng trong các hệ thống ADSL cũng như trong các hệ thống không dây như 802.11 a/g (Wi-fi) và 802.16 (WiMAX). Nó cũng được dùng cho tín hiệu số âm thanh và hình ảnh quảng bá không dây.
Điều chế đa sóng mang theo tần số trực giao OFDM là một dạng đặc biệt của phép điều chế đa sóng mang thông thường FDM, là công nghệ sử dụng nhiều tần số để truyền tín hiệu song song trong cùng một thời điểm.
Hình 1.8. Kĩ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao
Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao này được thực hiện bằng cách chia dòng số liệu truyền đi thành nhiều các dòng số liệu song song với tốc độ dữ liệu giảm đi. Mỗi một dòng dữ liệu này sau đó được truyền lên những sóng mang con riêng biệt, được gọi là các sóng mang con (Sub – carrier). Các sóng mang này được điều chế trực giao với nhau bằng cách chọn tần số cách quãng thích hợp giữa chúng, nghĩa là các kênh con được xếp đặt trên miền tần số cách nhau một khoảng đều đặn sao cho điểm cực đại của một kênh con là điểm không của kênh con lân cận. Những sóng mang này sau đó ghép thành các kênh tần số để truyền vô tuyến.
Hiệu quả của OFDM có thể thấy được là yêu cầu về băng thông giảm đi rất nhiều nhờ việc bỏ đi khoảng bảo vệ. Do đó OFDM hiệu quả hơn FDM trong trải phổ bởi khoảng cách giữa các kênh con gần nhau hơn gần như chúng chồng lẫn lên nhau. Nhờ sự trực giao này mà hiệu quả sử dụng phổ tín hiệu của toàn bộ hệ thống tăng lên rõ rệt mà không gây ra nhiễu. Việc tăng được số lượng sóng mang con với cùng một độ rộng băng thông đã giúp tăng được tốc độ truyền dẫn phù hợp với các mạng truyền dẫn không dây băng rộng như WiMAX.
Hình 1.9. So sánh giữa FDM và OFDM
Một ký hiệu OFDM được tạo thành từ các sóng mang con. Số lượng các sóng mang con phụ thuộc vào nhiều yếu tố như độ rộng kênh và mức độ nhiễu. Con số này tương ứng với kích thước FFT (Fast Fourier Transformer). Chuẩn giao tiếp vô tuyến 802.16 - 2004 xác định rõ 256 sóng mang con, tương ứng với kích cỡ FFT 256 độ rộng kênh độc lập. Trong đó với chuẩn 802.16e - 2005 cung cấp các kích cỡ FFT từ 512 tới 2048 phù hợp với các độ rộng kênh từ 1.25 tới 20 MHz để duy trì tương đối khoảng thời gian không đổi của ký tự và khoảng dãn cách giữa các sóng mang con độc lập với độ rộng kênh. Vì thế với công nghệ OFDM, sự kết hợp của các sóng mang con trực giao truyền song song với các ký tự có khoảng thời gian dài đảm bảo rằng lưu lượng băng thông rộng không bị hạn chế do môi trường bị che chắn tầm nhìn (NLOS) và nhiễu do hiện tượng đa đường dẫn.
4. Chuỗi bảo vệ
Ưu điểm của phương pháp điều chế OFDM không chỉ thể hiện ở hiệu quả sử dụng băng thông mà còn có khả năng làm giảm hay loại trừ nhiễu xuyên kí hiệu ISI nhờ sử dụng chuỗi bảo vệ (Guard Interval- GI). Một mẫu tín hiệu có độ dài là Ts (tính theo đơn vị thời gian), chuỗi bảo vệ tương ứng là một chuỗi tín hiệu có độ dài Tg ở phía sau được sao chép lên phần phía trước của mẫu tín hiệu này như hình vẽ sau (do đó, GI còn được gọi là Cyclic Prefix-CP). Sự sao chép này có tác dụng chống lại
nhiễu xuyên kí hiệu ISI do hiệu ứng phân tập đa đường nếu thỏa mãn điều kiện về độ dài chuỗi bảo vệ.
Hình 1.10. Chuỗi bảo vệ
Cụ thể nếu máy phát đi một khoảng tín hiệu có chiều dài là Ts, sau khi chèn thêm chuỗi bảo vệ có chiều dài Tg được sao chép từ dưới lên thì tín hiệu này có chiều dài là T=Ts+Tg. Do hiệu ứng đa đường, tín hiệu này sẽ tới máy thu theo nhiều đường khác nhau. Trong hình vẽ mô tả dưới đây, tín hiệu theo đường thứ nhất không có trễ, các đường thứ hai và thứ ba đều bị trễ một khoảng thời gian so với đường thứ nhất. Tín hiệu thu được ở máy thu sẽ là tổng hợp của tất cả các tuyến, cho thấy kí hiệu đứng trước sẽ chồng lấn vào kí hiệu ngay sau đó, đây chính là hiện tượng ISI. Do trong OFDM có sử dụng chuỗi bảo vệ có độ dài Tg sẽ dễ dàng loại bỏ hiện tượng này. Trong trường hợp Tg ≥ time ISI như hình vẽ mô tả thì phần bị chồng lấn ISI nằm trong khoảng của chuỗi bảo vệ, còn thành phần tín hiệu có ích vẫn an toàn. Ở phía máy thu sẽ gạt bỏ chuỗi bảo vệ trước khi gửi tín hiệu đến bộ giải điều chế OFDM. Do đó, điều kiện cần thiết để cho hệ thống OFDM không bị ảnh hưởng bởi ISI là Tg lớn hơn time ISI lớn nhất.
Hình 1.11. ISI và cyclic prefix
5. Kĩ thuật song công
Nếu như ở các chuẩn đầu WiMAX chỉ hỗ trợ TDD thì đến các chuẩn tiếp theo đã hỗ trợ cả hai phương thức song công FDD và TDD trong các mô hình ứng dụng của nó.
• FDD (Frequency Division Duplexing)
Kỹ thuật này chia kênh tần số ra làm hai kênh riêng biệt, một tần số được sử dụng cho chiều lên, còn tần số còn lại được sử dụng cho chiều xuống.
Kỹ thuật này cho phép các khung đường lên và đường xuống có thể nằm trên cùng một kênh, tuy chúng ở những khe thời gian khác nhau.
Tuy nhiên xét một cách tổng quát thì TDD linh động hơn hẳn FDD bởi với kĩ thuật TDD có thể cấp phát một cách linh hoạt số lượng khe thời gian cho hai chiều truyền và nhận dữ liệu, điều này rất hữu ích và quan trọng trong các đường truyền Internet với tỉ lệ UL/DL không phải lúc nào cũng là 50/50. Xét một cách tổng quát thì TDD có thể mang lại sự linh hoạt cũng như giúp nâng cao năng lực của hệ thống lên rất nhiều. TDD cho phép điều chỉnh tỷ số đường xuống và đường lên để hỗ trợ lưu lượng đường xuống và đường lên một cách hiệu quả và linh hoạt, trong khi đó với FDD thì lưu lượng đường xuống và đường lên luôn luôn bị cố định và thường là bằng với băng thông DL và UL. Không giống như FDD với việc yêu cầu một cặp kênh, TDD chỉ yêu cầu một kênh đơn cho cả đường xuống và đường lên, điều này dẫn đến mềm dẻo hơn đối với sự phân chia phổ thay đổi.
Hình 1.12. TDD và FDD
6. Kĩ thuật OFDMA
OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) là một kĩ thuật đa truy nhập phân chia theo tần trực giao được phát triển dựa trên nền tảng của kĩ thuật OFDM. Trong OFDMA, băng tần sẽ được chia thành các băng tần con, mỗi băng tần con là một sóng mang con. Một số các sóng mang con, không cần thiết phải nằm liền kề nhau sẽ được gộp lại thành một kênh con (sub-channel) và các user khi truy cập vào tài nguyên sẽ được cấp cho một hay nhiều kênh con để truyền nhận tùy theo nhu cầu lưu lượng cụ thể.
Hình 1.13. Sự khác nhau giữa OFDM và OFDMA
Đa truy nhập thể hiện ở yếu tố cùng một thời điểm sẽ mang tín hiệu của nhiều người dùng, khác với OFDM mỗi người dùng sẽ sử dụng toàn bộ băng tần tại cùng một thời điểm. Tùy theo yêu cầu mà mỗi người dùng sẽ được sử dụng một vài sóng mang con được cho phép.
OFDMA cũng có dạng mở rộng là SOFDMA. Trong OFDM và OFDMA, số lượng sóng mang con thường được giữ bằng nhau với phổ có sẵn. Số sóng mang con không thay đổi dẫn đến việc chuyển giao giữa các hệ thống gặp khó khăn. Ngoài ra, mỗi hệ thống cần một thiết kế riêng và chi phí cao. SOFDMA theo tỉ lệ sẽ giải quyết các vấn đề này bằng cách giữ cho tỉ lệ số lượng sóng mang con và độ rộng băng tần không gian sóng mang con không thay đổi. Nói cách khác, số sóng mang con có thể tăng hoặc giảm với những thay đổi trong một băng tần cho trước. Ví dụ, nếu một băng tần 5MHz được chia thành 512 sóng mang con, một băng tần 10MHz sẽ được chia thành 1024 sóng mang con. Bởi vì không gian sóng mang con là giữ nguyên trong S- OFDMA nên một máy di động có thể chuyển giao giữa các hệ thống một cách dễ dàng. Điểm quan trọng của SOFDMA là nó luôn giữ cho khoảng cách tần số giữa các subcarrier (sóng mang con) là luôn luôn không đổi cho các băng tần hệ thống khác nhau. Khoảng cách tối ưu đã được chứng minh là tầm 10.94kHz. Tối ưu theo nghĩa là nhiễu inter-symbol là thấp nhất và SNR là lớn.
Thông thường, với hệ thống thông tin di động, điều khiển công suất bao gồm điều khiển công suất vòng hở và điều khiển công suất vòng kín nhằm thay đổi công suất phát của MS tương ứng với khoảng cách với BTS.
• Điều khiển công suất vòng hở: BTS đo cường độ trường tại điểm thu, tính ra cự li, tính ra công suất phát phù hợp.
• Điều khiển công suất vòng kín: MS đo cường độ trường, gửi lên BSC, BSC sẽ tính toán cho MS tăng hay giảm công suất cho phù hợp.
Trong WiMAX dùng điều khiển công suất vòng kín, 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 chướng ngại vật.
8. Điều chế thích nghi
Điều chế thích nghi là quá trình hệ thống WiMAX điều chỉnh sơ đồ điều chế tín hiệu phụ thuộc vào điều kiện SNR của liên kết vô tuyến. Khi liên kết vô tuyến chất lượng cao, sơ đồ điều chế cao nhất được sử dụng, đưa ra hệ thống dung lượng lớn hơn. Ngược lại nếu chất lượng đường truyền kém do quá trình suy giảm tín hiệu vì lí do nào đó, hệ thống WiMAX có thể sử dụng đến một sơ đồ điều chế thấp hơn để duy trì chất lượng kết nối và ổn định liên kết. Tất nhiên tốc độ kênh truyền sẽ bị giảm đi nếu sử dụng sơ đồ điều chế thấp hơn. Cơ chế này cho phép hệ thống khắc phục fading lựa chọn thời gian.
Hình 1.14. Các phương pháp điều chế trong WiMAX IEEE 802.16
Các phương pháp điều chế được hỗ trợ trong WiMAX gồm QPSK, 16QAM hay 64QAM. Trong WiMAX di động thì cần xuống cần phải hỗ trợ đủ ba phương pháp điều chế trên, còn đường lên thì chỉ cần hỗ trợ QPSK và 16QAM, 64QAM là tùy chọn, có thể hỗ trợ hoặc không. Để hỗ trợ tối đa hơn nữa thì mã hóa thích nghi cũng được hỗ trợ thêm và kết hợp với điều chế thích nghi để nâng cao hoạt động của hệ thống. Việc kết hợp tốc độ mã hóa khác nhau với các phương pháp điều chế thích nghi sẽ cho các tốc độ đường lên đường xuống tăng giảm theo yêu cầu. Trong WiMAX cả mã hóa vòng và mã hóa Turbo với tốc độ mã thay đổi được hỗ trợ.