Trong các phần trước, chúng ta mới chỉ đề cập tới các hệ thống OFDM đơn băng tần (SB-OFDM). Trong phần này, ta sẽ thảo luận việc sử dụng các tín hiệu OFDM trên nhiều băng tần với các ưu thế và các sự thúc đẩy việc sử dụng OFDM đa băng tần (MB-OFDM). Ta cũng đề xuất ứng dụng MB-OFDM cho hệ thống UWB. Tuy nhiêu, MB-OFDM không hạn chế tới một ứng dụng cụ thể nào nhưng tốt hơn cả là nó được đưa ra từ một quan điểm rộng hơn.
Đối với các hệ thống băng rộng, phương pháp báo hiệu đa băng tần – trong đó tổng băng thông được chia thành các băng tần nhỏ hơn – tỏ ra nhiều ưu thế hơn so với việc sử dụng báo hiệu đơn băng tần. Trong khi việc sử dụng một băng tần đơn lẻ làm cho việc thiết kế hệ thống đơn giản hơn, thì việc xử lý tín hiệu băng rộng lại yêu cầu xây dựng các mạch RF có độ phức tạp cao hơn đối với việc truyền/nhận tín hiệu. Thêm vào đó, các ADC tốc độ cao được yêu cầu để lấy mẫu và số hóa tín hiệu. Hơn nữa, các bộ cân bằng kênh phức tạp hơn cũng cần để có được năng lượng tín hiệu đa đường hiệu quả đối với việc xử lý tín hiệu về sau. Mặt khác, báo hiệu đa băng tần làm giảm các yêu cầu trong phần cứng hệ thống khi các phần nhỏ hơn của phổ được xử lý tại một thời điểm. Hơn nữa, việc chia phổ thành các băng tần nhỏ hơn cho phép phân bổ phổ tần tốt hơn. Hệ thống có thể loại bỏ một vài băng tần có sẵn để đạt được các mục tiêu khác (ví dụ: tránh nhiễu, tiết kiệm công suất, hay cho phép truy cập đa người dùng).
Đối với Vô tuyến thông minh dựa trên nền OFDM, câu hỏi đặt ra là khi nào sử dụng đa băng tần và khi nào sử dụng đơn băng tần. Giả sử đã có dạng phổ cụ thể, việc lựa chọn số băng tần dựa vào nhiều tham số. Thông lượng yêu cầu, các giới hạn về phần cứng, sự phức tạp trong tính toán, số hố phổ và các băng thông của chúng là các tham số ví dụ có thể lựa chọn trong hệ thống Vô tuyến thông minh. Chúng ta sẽ minh họa cụ thể hơn về tầm quan trọng của báo hiệu đa băng tần trong ví dụ tiếp theo.
Xem xét trong trường hợp sau, trong đó một Vô tuyến thông minh cảm nhận phổ tần và tìm ra các kết quả như chỉ ra trong Hình 3.8. Hai hố phổ được phát hiện với băng thông lần lượt là 10 và 15 MHz. Một trong các hố phổ có chứa nhiễu băng hẹp. Các khoảng trống trong phổ đã phát hiện là 1 GHz và tách biệt nhau. Trong hoàn cảnh như vậy, nếu hệ thống lựa chọn sử dụng SB-OFDM, thì băng thông của tín hiệu OFDM sẽ là 1.025 GHz. Một tín hiệu với băng thông như vậy yêu cầu các ADC có tốc độ lấy mẫu rất cao. Ngoài ra, yêu cầu có một số lượng lớn sóng mang con để đảm bảo
các sóng mang con có thể thích hợp hơn với các hố phổ cũng như để giữ cho kênh sóng mang con là gần phẳng. Thật không may, số lượng sóng mang con lớn sẽ làm cho hoạt động FFT phức tạp hơn. Hơn nữa, để tránh nhiễu băng hẹp trong băng tần 15 MHz, hệ thống loại bỏ hai trong ba sóng mang con mà sẽ được sử dụng để điền vào các hố phổ, kết quả là hiệu quả sử dụng phổ tần thấp. Bằng cách sử dụng MB-OFDM, các hố phổ có thể được điền với hai tín hiệu OFDM với các băng thông 10 và 15 MHz.
Hố phổ
15 MHz 1 GHz 10 MHz
15 MHz 10 MHz
1.025 GHz
(a) Cảm nhận phổ và phát hiện các hố phổ
(b) Khai thác các hổ phổ sử dụng phương pháp SB-OFDM
(c) Khai thác các hố phổ sử dụng phương pháp MB-OFDM
f
f
f
Hình 3.8. Lấp các hố phổ sử dụng tín hiệu SB-OFDM hoặc MB-OFDM.
Do đó, các ADC với tốc độ lấy mẫu thực tế bây giờ có thể được sử dụng. Một số lượng lớn các sóng mang con là không cần thiết đối với các tín hiệu OFDM trong trường hợp này. Ngoài ra, hệ thống có nhiều quyền điều khiển hơn trên phổ tín hiệu trong mỗi băng tần nhờ vào khoảng cách sóng mang con nhỏ. Do đó, việc tránh nhiễu băng hẹp được thực hiện với tổn hao phổ nhỏ hơn. Tuy nhiên, hệ thống bây giờ phải xử lý hai tín hiệu OFDM. Trong khi tần số lấy mẫu được giảm trong trường hợp MB-OFDM, thì hệ thống đang vận hành các thuật toán máy thu (ví dụ đồng bộ, ước tính kênh, và cân bằng) riêng rẽ đối với mỗi băng tần.
Một ví dụ khác được chỉ ra trong Hình 3.9 với năm hố phổ được phát hiện, trong đó một hố phổ có chứa nhiễu băng hẹp. Ta cũng lần lượt sử dụng SB-OFDM và MB-OFDM để khai thác các hố phổ phát hiện. Trong ví dụ này có thể thấy rằng việc sử dụng một luồng SB-OFDM có thể là lựa chọn tốt hơn cho hệ thống so với việc sử
dụng một luồng MB-OFDM năm băng tần. Sự cải thiện hiệu quả phổ tần đạt được bằng phương pháp MB-OFDM không có nghĩa là tăng độ phức tạp trong hệ thống.
(a) Cảm nhận phổ và phát hiện các hố phổ
(b) Khai thác các hố phổ sử dụng phương pháp SB-OFDM
(c) Khai thác các hố phổ sử dụng MB-OFDM 1.025 GHz
Băng 1 Băng 2 Băng 3 Băng 4 Băng 5
Hình 3.9. Lấp các hố phổ sử dụng các tín hiệu SB-OFDM hoặc MB-OFDM.
MB-OFDM cũng được sử dụng trong một vài hệ thống UWB. Thay vì sử dụng một tín hiệu UWB đơn băng tần, phổ được chia thành các băng tần con (với băng thông mỗi băng con xấp xỉ 500 MHz) và các tín hiệu OFDM được sử dụng để truyền dữ liệu qua mỗi băng con. Hình 3.10 minh họa tín hiệu UWB trong miền tần số. Tuy nhiên, trong khi UWB là một trong những ứng dụng của MB-OFDM, nó chỉ được giới hạn tới một hoàn cảnh cụ thể trong đó tất cả các băng tần con phải có kích thước tương đương và các tín hiệu OFDM sử dụng trong các băng tần con là giống nhau trong nhiều tham số khác nhau như CP và khoảng cách sóng mang con.
Tóm lại, để lựa chọn giữa SB-OFDM và MB-OFDM, hệ thống cần xác minh một vài tham số hệ thống và tham số môi trường. Phương pháp MB-OFDM chỉ hiệu quả nếu các hố phổ cách xa nhau hoặc nếu băng thông bao phủ là tương đối rộng. MB- OFDM có thể giảm bớt gánh nặng trong tốc độ lấy mẫu ADC yêu cầu, kích thước bộ nhớ, và tốc độ. Mặt khác, sự phức tạp của việc xử lý tín hiệu băng tần cơ sở tăng khi hệ thống cần thực hiện các thuật toán thu trên nhiều tín hiệu OFDM. Trong phần này, chúng ta đã xem
Băng #1 Băng #2 Băng #3
3169 MHz 3696 MHz 4224 MHz 4752 MHz
Tần số
Hình 3.10. Các băng con của các hệ thống UWB dựa trên MB-OFDM trong miền tần số.
xét tổng quan về việc báo hiệu đa băng tần và đơn băng tần. Tuy nhiên, trong thực nghiệm, cần phải xem xét nhiều tham số hơn khi thiết kế hệ thống và các thuật toán mà có khả năng nhận biết lựa chọn báo hiệu là tốt nhất. Do đó, yêu cầu cần có nhiều nghiên cứu hơn nữa về vấn đề này.