S- OFDMA như là WiMAX di động
1.8.1. Công nghệ OFDM
OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) là công nghệ điều chế đa sóng mang theo tần số trực giao, gần đây đã được công nhận là phương thức tốt nhất dành cho việc truyền dữ liệu không dây hai chiều tốc độ cao. Nó ra đời từ những thập kỷ 60 nhưng gần đây mới trở nên phổ biến, bởi các nhà sản xuất có thể cung ứng ra thị trường những IC với chi phí rất kinh tế nhưng vẫn có thể đáp ứng được những hoạt động số tốc độ cao. OFDM cho phép điều chế các sóng mang phụ chồng lấn lên nhau rất hiệu quả, làm giảm yêu cầu về băng thông nhưng vẫn giữ được các tín hiệu trực giao 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.
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 tôc độ dữ liệu giảm đi. Mỗi một dòng dữ liệu này sau đó được truyền lên những sóng mang 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 này là điểm không của kênh con lân cận. Những sóng mang này sau đó ghép thành các kênh tần số để truyền vô tuyến.
Hình 1.2. Kỹ thuật ghép kênh theo tần số trực giao
Điều này làm nguyên lý trực giao thoả mãn và cho phép chồng phổ giữa các sóng mang vì tính trực giao vẫn đảm bảo cho thiết bị thu nhận có thể phân biệt được các sóng mang con OFDM và khôi phục lại các tín hiệu này.
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 trựu giao này mà hiệu quả sử dụng phổ tin hiệu của toần bộ hệ thống tăng lên rõ rệt mà không gây ra nhiễu
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. Theo cách khác, 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 20MHz 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.
Cấu trúc theo miền thời gian của một symbol có dạng sau:
Hình 1.3. Cấu trúc của một ký hiệu OFDM[10]
Mẫu tín hiệu OFDM có độ dài là Ts, trong đó Tb là khoảng thời gian thực của ký hiệu, ngoài ra còn có một chuỗi bảo vệ (Guard Interval) có đọ dài Tg, thực chất là một chuỗi tín hiệu được sao chép từ phần phía sau Tb rồi đưa lên phần trước của ký hiệu này. Do đó cấu trúc của ký hiệu OFDM sẽ là:
Ts = Tb + Tg
Sự sao chép này có tác dụng chống lại nhiễu xuyên tín hiệu gây ra bởi hiệu ứng phân tập đa đường. Nguyên tắc này được giải thích như sau:
Nếu như máy phát phát đi một khoảng tín hiệu hình sin có chiều dài là Tb. Sau khi chèn chuối bảo vệ, tín hiêu này có chu kỳ là Ts = Tb + Tg. Do hiệu ứng phân tập đa đường, tín hiệu này sẽ đến máy thu qua nhiều tuyến đường truyền với trễ truyền dẫn khác nhau. Giả sử thời gian trễ truyền của tín hiệu ở đây là τ. Khi đó mẫu tín hiệu sau bị dịch sang mẫu tín hiệu trước một khoảng là τ do trễ truyền dẫn. Cứ như vậy các tín hiệu tiếp theo cũng sẽ bị dịch đi một khoảng τ so với tín hiệu trước nó. Tín hiệu thu được ở máy thu sẽ là tổng của tín hiệu tất cả các tuyến. Sự dịch tín hiệu do trễ truyền dẫn trong các phương pháp điều chế thông thường sẽ gây ra nhiễu xuyên tín hiệu ISI.
Tuy nhiên trong hệ thống OFDM có sử dụng chuỗi bảo vệ sẽ loại bỏ được nhiễu này.
Trong trường hợp Tg ≥ τ thì phần bị chồng lấn tín hiệu gây nhiễu ISI chỉ nằm trong khoảng của chuỗi bảo vệ. Khoảng tín hiệu có ích có độ dài Ts không bị chồng lấn bởi các mẫu tín hiệu khác. Ở phía thu, chuỗi bảo vệ sẽ bị gạt bỏ trước khi gửi đến bộ giải điều chế OFDM. Như vậy điều kiện quyết định để đảm bảo hệ thông OFDM không bị ảnh hưởng bởi nhiễu ISI là:
Tg ≥ τ
Việc sử dụng chuỗi bảo vệ đảm bảo tính trực giao của các sóng mang phụ, do vậy đơn giản hoá cấu trúc bộ đánh giá kênh truyền, bộ cân bằng tín hiệu ở phía máy thu. Tuy nhiên chuỗi bảo vệ không mang thông tin có ích nên phổ tín hiệu của hệ thống giảm đi một hệ số là:
η = TgTs
Hình 1.4. Tiền tố vòng CP và hiện tượng đa đường
Các ưu nhược điểm của phương pháp OFDM
•Ưu điểm:
- Tăng hiệu suất phổ và tốc độ dữ liệu
- Ảnh hưởng của nhiễu xuyên kí hiệu ISI giảm đi đáng kể
- Ảnh hưởng của hiệu ứng lựa chọn tần số kênh cũng giảm do kênh được chia ra làm nhiều kênh phụ
•Nhược điểm
- Tỉ số công suất đỉnh trên trung bình (PAPR) cao
- Nhạy cảm với sự dịch tần số. Sự dịch tần số sẽ làm giảm tính trực giao của các sóng mang.