Sơ đồ tổng quát của một bộ thu phát NC-OFDM được chỉ ra như Hình 2.8. Xét trong trường hợp tổng quát nhất không có tổn hao, luồng dữ liệu tốc độ cao x(n) được điều chế sử dụng M-ary PSK hoặc M-ary QAM. Dữ liệu sau điều chế được chia thành N luồng có tốc độ thấp hơn sử dụng bộ chuyển đổi S/P. Ở đây, các sóng mang con trong bộ thu phát NC-OFDM không cần phải hoạt động tất cả cùng lúc như trong các truyền dẫn OFDM thông thường. Hơn nữa, các sóng mang tích cực được đặt trong các băng phổ không bị chiếm giữ, được xác định bởi các kỹ thuật cảm nhận phổ tần động và các kỹ thuật ước tính kênh. Sau đó các luồng dữ liệu này được điều chế tới các tần số trung tâm sóng mang con khác nhau sử dụng biến đổi Fourier nhanh ngược (IFFT). Hình bao của tín hiệu NC-OFDM băng tần cơ sở dạng phức, bao gồm N sóng mang con liên tục trong khoảng thời gian [0,T] tại thời điểm thứ m, được cho bởi công thức sau:
∑
(2.21)
Trong đó, là ký hiệu của sóng mang con thứ k, T là thời gian ký hiệu OFDM, và
√ . Ký hiệu sóng mang con không hoạt động thứ k là Xm,k = 0. Các mẫu rời rạc
của tín hiệu NC-OFDM được cho bởi:
∑
Bộ điều chế MPSK S/P IFFT CP P/S Bộ giải điều chế MPSK P/S Bộ cân bằng FFT Loại CP S/P x(n) Xm(n) Xm.0 Xm,1 Xm,N-1 Ym,0 Ym,1 Ym,N-1 s(n)
(a) Máy phát NC-OFDM
(b) Máy thu NC-OFDM
r(n) x(n)
Xm(n)
Thông tin Tắt/Mở sóng mang con Lựa chọn sóng mang
con trống
Thông tin Tắt/Mở sóng mang con Từ các phép đo cảm nhận phổ tần
Hình 2.8. Sơ đồ tổng quát của một bộ thu phát NC-OFDM sử dụng khối Lựa chọn sóng mang con trống.
Máy thu hoạt động ngược so với máy phát, trộn tín hiệu RF thành băng tần cơ sở để xử lý, r(n). Sau đó, tín hiệu được chuyển đổi thành các luồng song song sử dụng bộ chuyển đổi S/P, CP được loại bỏ, và kỹ thuật FFT được áp dụng để chuyển dữ liệu từ miền thời gian sang miền tần số. Sau khi bù méo gây ra bởi kênh sử dụng các kỹ thuật cân bằng, dữ liệu trong các sóng mang con tích cực được ghép kênh sử dụng bộ chuyển đổi P/S, và được giải điều chế thành tín hiệu tái cấu trúc của đầu vào tốc độ cao gốc, ̂ .
Khối “lựa chọn sóng mang con trống” tại máy phát NC-OFDM hoạt động theo chu kỳ để chọn lọc thông tin về phổ chiếm giữ từ các phép đo cảm nhận phổ. Sau đó, các sóng mang con ứng với các truyền dẫn người dùng hiện thời được tắt đi tại máy
truyền tới máy thu thông qua kênh điều khiển trước khi xảy ra bất kỳ một quá trình truyền dẫn dữ liệu nào, do đó dữ liệu trên các sóng mang con tích cực được điều chế một cách đúng đắn.
Về cơ bản thì sự tạo và nhận tín hiệu NC-OFDM khá giống với tín hiệu OFDM. Tuy nhiên, với tình trạng thiếu phổ tần liên tục đang tăng lên, thì các kỹ thuật NC- OFDM đưa ra ưu thế rất quan trọng, ví dụ như nó có thể hỗ trợ hiệu quả và phân phát phổ tần động cho các truyền dẫn tốc độ dữ liệu cao. Dưới đây là một số lĩnh vực nghiên cứu để phát triển và thực thi hệ thống NC-OFDM:
Ước tính hiệu năng: NC-OFDM thích ứng nhanh với việc sử dụng phổ tần,
“điền” vào các khoảng trống phổ sẵn có một truyền dẫn băng thông rời rạc chiếm giữ bởi các người dùng khác (hiện tại hoặc cấp phép) trong khi không gây ra lỗi. Vì công suất của các sóng mang con trống có thể được phân phối lại tới các sóng mang con hoạt động để cải thiện tỉ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) trong các hệ thống NC-OFDM, nên hiệu năng tốc độ lỗi bít của chúng (BER) có thể được cải thiện khi so sánh với hệ thống OFDM thông thường.
Vấn đề tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình: một tín hiệu OFDM là
tổng của các tín hiệu độc lập được điều chế trên một vài sóng mang con trực giao băng thông giống nhau. Bởi vậy, khi kết hợp chúng lại, tín hiệu OFDM có thể tạo ra các đỉnh công suất lớn, trong khi công suất trung bình vẫn giữ ở mức thấp. Là một biến đổi của OFDM, các tín hiệu NC-OFDM cũng gặp phải vấn đề tương tự. Khi xảy ra hiện tượng PAPR cao, bộ chuyển đổi D/A và bộ khuếch đại công suất của máy phát sẽ yêu cầu dải động lớn để tránh hiện tượng cắt xén biên độ, do đó tăng công suất tiêu thụ và giá thành thiết bị bộ thu phát. Bởi vậy, cần thiết phải nghiên cứu để giảm PAPR của tín hiệu OFDM và NC-OFDM. Hiệu quả điều chế và giải điều chế: như chúng ta đã thấy ở các phần trước, bộ
thu phát OFDM có sử dụng các khối IFFT và FFT. Thuật toán FFT làm cho điều chế và giải điều chế các sóng mang con hiệu quả cao hơn liên quan tới phần cứng và sự phức tạp trong tính toán. Tuy nhiên, một bộ thu phát NC- OFDM có thể có một vài sóng mang con không được kích hoạt để tránh nhiễu tới các truyền dẫn người dùng hiện thời. Các sóng mang con không hoạt động này sẽ có giá trị 0 khi vào các khối IFFT và FFT. Do vậy, các tài nguyên phần cứng của FFT không cần xử lý quá tải vì các tính toán với đầu vào 0 là không cần thiết.
Kỹ thuật NC-OFDM đưa ra cách thức sử dụng các sóng mang con không liên tục rất linh hoạt đối với các truyền thông dữ liệu tốc độ cao cho phép bởi Vô tuyến thông minh.
2.6.3. Hiệu năng của NC-OFDM (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Việc lựa chọn kỹ thuật truyền dẫn ở lớp vật lý là một quyết định rất quan trọng khi thực thi Vô tuyến thông minh. Để đạt được tốc độ cần thiết cho truyền dẫn với băng tần cấp phép chiếm giữ bởi những người dùng chính, các bộ thu phát dựa trên đa sóng mang là sự chọn lựa phù hợp nhất. Bên cạnh khả năng vô hiệu các sóng mang con có thể gây nhiễu với người dùng khác thì các bộ thu phát đa sóng mang cũng có thể cung cấp tốc độ dữ liệu cao tại mức lỗi có thể chấp nhận được. Mặc dù đã có một vài bộ thu phát đa sóng mang đang được thực thi nhưng phổ biến nhất là OFDM và CDMA đa sóng mang (MC-CDMA). Kỹ thuật NC-OFDM đạt được tốc độ dữ liệu cao thông qua việc lựa chọn sử dụng một số lượng lớn sóng mang con không liên tục, trong khi đồng thời tránh nhiễu tới các truyền dẫn người dùng chính bằng cách vô hiệu các sóng mang con lân cận của nó.
Trong phần này chúng ta sẽ đi phân tích hiệu năng của NC-OFDM thể hiện qua xác suất lỗi của bộ thu phát, đồng thời so sánh NC-OFDM với MC-CDMA.
Để hiểu được các ưu điểm cũng như nhược điểm khi thực thi NC-OFDM trong Vô tuyến thông minh, đầu tiên chúng ta so sánh chất lượng của kỹ thuật này với MC- CDMA và OFDM thông thường. Bảng 2.2 thể hiện sự so sánh này.
Bảng 2.2. So sánh chất lượng của hệ thống MC-CDMA, OFDM và NC-OFDM
Các đặc tính MC-CDMA OFDM NC-OFDM
Sự đồng bộ
Linh hoạt phổ
Thông lượng
Mào đầu
Sự chịu lỗi N/A
PAPR
(Trong đó “•” thể hiện bộ thu phát với hiệu năng tốt nhất)
Một vài kỹ thuật điều chế dựa trên DFT rất nhạy cảm với dịch tần số và dịch thời. Tuy nhiên, tồn tại một số kỹ thuật đồng bộ sử dụng các sóng mang con hoa tiêu khoảng cách đều nhau trong miền tần số. Mặc dù OFDM thông thường có thể tận dụng các sóng mang con hoa tiêu vì băng thông truyền dẫn của nó liên tục, nhưng cả NC- OFDM và MC-CDMA không thể sử dụng các sóng mang con hoa tiêu này, vì chúng có thể được đặt trong phổ đã bị chiếm giữ và bị vô hiệu. Kết quả là giải pháp này
không áp dụng được với hai kỹ thuật này, do phải cần tới nhiều biện pháp phức tạp trong việc đồng bộ hóa.
(a) Kênh AWGN
(b) Kênh Rayleigh ba đường.
Hình 2.9. Hiệu năng BER của bộ thu phát NC-OFDM (các đường liền nét) và MC- CDMA (các đường gạch) đối với mức độ chiếm giữ (ISO) phổ thay đổi.
Cả NC-OFDM và MC-CDMA đều rất linh hoạt trong việc sử dụng phổ tần, “điền đầy” các khoảng phổ có sẵn trong băng thông truyền dẫn riêng rẽ được chiếm giữ bởi các người dùng khác (người dùng đương thời và người dùng không cấp phép khác). Tất cả khả năng mà OFDM thông thường có thể làm là truyền trong phần lớn
nhất chưa bị chiếm giữ, nếu băng thông truyền dẫn của nó khớp với khoảng trống đầu tiên. Tuy nhiên, sự linh hoạt phổ đối với NC-OFDM và MC-CDMA dẫn tới tăng mào đầu truyền dẫn, trong đó trạng thái hoạt động của mỗi sóng mang con phải được chia sẻ giữa máy phát và máy thu. Hơn nữa, nếu phổ bị chiếm giữ thay đổi nhanh thì yêu cầu phải cập nhật thường xuyên.
Vì NC-OFDM dựa trên nền OFDM thông thường, nên cũng bị ảnh hưởng bởi PAPR, trong khi đó vấn đề này lại ít xảy ra trong hệ thống MC-CDMA do nó sử dụng kỹ thuật trải phổ trong miền tần số. Mặc dù PAPR ảnh hưởng trong hệ thống NC- OFDM nhưng có một vài kỹ thuật có thể được áp dụng để giảm PAPR của bộ thu phát.
Với việc vô hiệu các sóng mang con trong vùng lân cận các phổ đã chiếm giữ, NC-OFDM có thể hoàn thành nhiệm vụ này mà không làm giảm khả năng chịu lỗi vì các sóng mang con độc lập tương đối với nhau. Tuy nhiên, các sóng mang con của bộ thu phát MC-CDMA không độc lập nhờ vào trải phổ trong miền tần số. Kết quả là khả năng chịu lỗi của hệ thống MC-CDMA giảm khi các sóng mang con bị trống.
Hình 2.9 (a) là kết quả phân tích hiệu năng xác suất lỗi bít (BER) của bộ thu phát NC-OFDM và bộ thu phát MC-OFDM hoạt động trong kênh AWGN với tỷ lệ sóng mang con bị vô hiệu là khác nhau. Khi các sóng mang con bị vô hiệu là 0% thì cả hai bộ thu phát có cùng hiệu năng khi hoạt động trong kênh AWGN. Khi phần trăm sóng mang con bị vô hiệu tăng lên thì hiệu năng của hai bộ thu phát bắt đầu khác nhau. Hiệu năng của bộ thu phát NC-OFDM tăng nhẹ so với đường 0%, còn hiệu năng của bộ thu phát MC-CDMA giảm nhanh theo sự tăng của các sóng mang con bị vô hiệu.
Ở Hình 2.9 (b) ta thấy, trong kênh Rayleigh ba đường thì hiệu năng của hai bộ thu phát không khác nhau nhiều. Nhưng nhìn chung thì hiệu năng của các bộ thu phát NC-OFDM tốt hơn so với các bộ thu phát MC-CDMA.