Đối với các doanh nghiệp, WiMAX cho phép truy cập băng rộng với chi phí hợp lý. Vì phần lớn các doanh nghiệp sẽ không đƣợc chia thành khu vực để có đƣờng cáp, lựa chọn duy nhất của họ đối với dịch vụ băng rộng là từ các nhà cung cấp viễn thông địa phƣơng. Điều này dẫn tới sự độc quyền. Các doanh nghiệp sẽ đƣợc hƣởng lợi từ việc triển khai các hệ thống WiMAX, nhờ tạo ra sự cạnh tranh mới trên thị trƣờng, giảm giá và cho phép các doanh nghiệp thiết lập mạng riêng của mình. Điều này đặc biệt phù hợp đối với các ngành nhƣ khí đốt, mỏ, nông nghiệp, vận tải, xây dựng và các ngành khác nằm ở những vị trí xa xôi, hẻo lánh.
Chương 1: Tổng quan về công nghệ WiMAX
Đối với ngƣời sử dụng là hộ gia đình ở những vùng nông thôn nơi dịch vụ DSL và cáp chƣa thể vƣơn tới, WiMAX mang lại khả năng truy cập băng rộng. Điều này đặc biệt phù hợp ở các nƣớc đang phát triển nơi mà hạ tầng viễn thông truyền thống vẫn chƣa thể tiếp cận.
Công nghệ WiMAX cách mạng hoá phƣơng pháp truyền thông. Nó cung cấp hoàn toàn tự do cho những ngƣời thƣờng xuyên di chuyển, cho phép họ lƣu lại kết nối thoại, dữ liệu và các dịch vụ hình ảnh. WiMAX cho phép ta đi từ nhà ra xe, sau đó đi đến công sở hoặc bất cứ nơi nào trên thế giới, hoàn toàn không có đƣờng nối. Để minh hoạ khả năng của WiMAX cho các ứng dụng đƣợc phân cấp trong phần trƣớc, một vài mô hình sử dụng tiêu biểu đƣợc nhóm thành hai loại mạng lớn là: các mạng công cộng và mạng riêng.
Chương 2: Tổng quan về kỹ thuật OFDM
Chƣơng 2
TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT OFDM 2.1 Giới thiệu chƣơng
Phƣơng thức truyền dữ liệu bằng cách chia nhỏ ra thành nhiều luồng bit và sử dụng chúng để điều chế nhiều sóng mang đã đƣợc sử dụng cách đây hơn 30 năm. Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM là một trƣờng hợp đặc biệt của truyền dẫn đa sóng mang, tức là chia nhỏ một luồng dữ liệu tốc độ cao thành nhiều luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn và đƣợc truyền đồng thời trên cùng một kênh truyền. Kỹ thuật OFDM là một phƣơng thức điều chế thích hợp cho các kênh truyền có đáp tuyến tần số không phẳng, kỹ thuật OFDM do R.W Chang phát minh năm 1966 ở Mỹ, trong đó các sóng mang phụ trực giao với nhau, nhờ vậy phổ tín hiệu ở các sóng mang phụ cho phép chồng lấn lên nhau mà phía thu vẫn có thể khôi phục lại tín hiệu ban đầu.
Trong kỹ thuật OFDM, băng thông khả dụng đƣợc chia thành một số lƣợng lớn các kênh con, mỗi kênh con nhỏ đến nỗi đáp ứng tần số có thể giả sử nhƣ là không đổi trong kênh con. Luồng dữ liệu chính đƣợc chia thành những luồng dữ liệu con, mỗi luồng dữ liệu con đƣợc truyền trên một kênh con khác nhau. Những kênh con này trực giao với nhau. Chính điều quan trọng này làm giảm nhiễu xuyên kí tự giữa các symbol và làm hệ thống OFDM hoạt động tốt trong các kênh fading nhiều tia. Trong các sóng mang phụ thì sóng mang phụ này trực giao với các sóng mang phụ khác có nghĩa là có một số nguyên lần lặp trên một chu kỳ kí tự. Vì vậy, phổ của mỗi sóng mang bằng “0” tại tần số trung tâm của tần số sóng mang khác trong hệ thống. Kết quả là không có nhiễu giữa các sóng mang phụ.
Trong hệ thống FDM truyền thống, băng tần số của tổng tín hiệu đƣợc chia thành N kênh tần số con không trùng lắp. Mỗi kênh con đƣợc điều chế với một sóng mang con riêng lẻ và sau đó N kênh con đƣợc ghép kênh tần số với nhau. Điều này giúp tránh việc chồng lấp phổ của những kênh và giới hạn đƣợc nhiễu xuyên kênh. Tuy nhiên, điều này dẫn đến hiệu suất sử dụng phổ thấp.
Chương 2: Tổng quan về kỹ thuật OFDM
Ý nghĩa của trực giao cho ta biết rằng có một sự quan hệ toán học chính xác giữa những tần số của các sóng mang trong hệ thống. Trong hệ thống ghép kênh phân chia tần số thông thƣờng, nhiều sóng mang đƣợc cách nhau bởi một khoảng bảo vệ để cho tín hiệu có thể thu đƣợc tại đầu thu bằng các bộ lọc và bộ giải điều chế thông thƣờng. Trong những bộ thu nhƣ thế, các khoảng tần bảo vệ đƣợc đƣa vào giữa những sóng mang khác nhau và trong miền tần số sẽ làm cho hiệu suất sử dụng phổ giảm đi.
Vào năm 1971, Weinstein và Ebert đã ứng dụng biến đổi Fourier rời rạc (DFT) cho hệ thống truyền dẫn dữ liệu song song nhƣ một phần của quá trình điều chế và giải điều chế. Điều này làm giảm đi số lƣợng phần cứng cả ở đầu phát và đầu thu. Thêm vào đó, việc tính toán phức tạp cũng có thể giảm đi một cách đáng kể bằng việc sử dụng thuật toán biến đổi Fourier nhanh (FFT), đồng thời nhờ những tiến bộ gần đây trong kỹ thuật tích hợp với tỷ lệ rất cao và kỹ thuật xử lý tín hiệu số đã làm đƣợc những chíp FFT tốc độ cao, kích thƣớc lớn có thể đáp ứng cho mục đích thƣơng mại và làm giảm chi phí bổ sung của những hệ thống OFDM một cách đáng kể.
Hiện nay, kỹ thuật OFDM đƣợc sử dụng trong nhiều hệ thống nhƣ ADSL, các hệ thống không dây nhƣ chuẩn 802.11 trong Wi-Fi và chuẩn 802.16 trong WiMAX, phát quảng bá âm thanh số, và phát quảng bá truyền hình số mặt đất chất lƣợng cao.
2.2 Nguyên lý cơ bản của OFDM
Nguyên lý cơ bản của OFDM là chia nhỏ một luồng dữ liệu tốc độ cao thành N luồng dữ liệu song song tốc độ thấp hơn nhờ bộ biến đổi nối tiếp sang song song. Thông thƣờng N nhận giá trị bằng 2 lũy thừa của một số nguyên để có thể áp dụng kỹ thuật IFFT/FFT tạo sóng mang con. Và các luồng dữ liệu này đƣợc phát trên một sóng mang con khác nhau. Các sóng mang con này là trực giao với nhau, điều này đƣợc thực hiện bằng cách chọn độ giãn tần số một cách hợp lý. Bởi vì khoảng thời symbol tăng lên làm cho các sóng mang con song song có tốc độ thấp hơn, cho nên lƣợng nhiễu gây ra do độ trải trễ đa đƣờng đƣợc giảm xuống. Nhiễu xuyên ký tự ISI đƣợc hạn chế hầu nhƣ hoàn toàn do việc đƣa vào một chuỗi bảo vệ trong mỗi symbol ký tự OFDM. Trong khoảng thời bảo vệ symbol OFDM
Chương 2: Tổng quan về kỹ thuật OFDM
đƣợc mở rộng theo chu kỳ để tránh xuyên nhiễu giữa các sóng mang ICI. Hình 2.1 so sánh phƣơng thức điều chế FDM và OFDM.
Hình 2.1: Phƣơng thức điều chế FDM và OFDM
Hình 2.1 minh họa sự khác nhau giữa kỹ thuật điều chế FDM và kỹ thuật điều chế OFDM. Bằng cách sử dụng kỹ thuật OFDM, ta có thể tiết kiệm đƣợc khoảng 50% băng thông. Tuy nhiên, trong kỹ thuật OFDM, chúng ta cần phải giảm xuyên nhiễu giữa các sóng mang, nghĩa là các sóng này cần phải trực giao với nhau.
2.3 Nguyên lý điều chế 2.3.1 Sơ đồ điều chế 2.3.1 Sơ đồ điều chế
Chương 2: Tổng quan về kỹ thuật OFDM
Giả sử băng thông hệ thống là B chia thành Nc kênh con, với chỉ số kênh con là n, n {-L,-L+1,…,-1,0,1,…,L-1,L} , nên NFFT = 2L+1. Dòng dữ liệu đầu vào
{ai} chia thành NFFT dòng song song với tốc độ dữ liệu giảm đi NFFT lần thông qua bộ chia nối tiếp sang song song. Dòng bit trên mỗi luồng song song {ai} lại đƣợc điều chế thành tín hiệu phức đa mức {dk,n}, với n là chỉ số sóng mang phụ, i là chỉ số khe thời gian tƣơng ứng với NC bit song song sau khi qua bộ chuyển đổi nối tiếp sang song song, k là chỉ số khe thời gian ứng với NC mẫu tín hiệu phức. Các mẫu tín hiệu phát {dk,n } đƣợc nhân với xung cơ sở để giới hạn phổ của mỗi sóng mang, sau đó đƣợc dịch tần lên đến kênh con tƣơng ứng bằng việc nhân với hàm phức jL st
e , các tín hiệu sóng mang này trực giao nhau. Tín hiệu sau khi nhân với xung cơ sở và dịch tần cộng lại qua bộ tổng và cuối cùng đƣợc biểu diễn nhƣ sau:
m’k(t)= L L m t jm n k s e kT t S d , '( ) (2.1)
Tín hiệu này đƣợc gọi là mẫu tín hiệu OFDM thứ k, biễu diễn tổng quát tín hiệu OFDM sẽ là: m(t)= m' (t) k k = k L L m t jm n k s e kT t S d , '( ) (2.2)
Trƣớc khi phát đi thì tín hiệu OFDM đƣợc chèn thêm chuỗi bảo vệ để chống nhiễu xuyên kí tự ISI.
Phép điều chế OFDM có thể thực hiện đƣợc thông qua phép biến đổi IDFT và phép giải điều chế OFDM có thể thực hiện đƣợc bằng phép biến đổi DFT. Thay vì sử dụng IDFT ngƣời ta có thể sử dụng phép biến đổi nhanh IFFT cho bộ điều chế OFDM, sử dụng FFT cho bộ giải điều chế OFDM. Điều chế OFDM bằng phƣơng pháp biến đổi ngƣợc Fourrier nhanh cho phép một số lƣợng lớn các sóng mang con với độ phức tạp thấp.
2.3.2 Tính trực giao
Các tín hiệu là trực giao nhau nếu chúng độc lập tuyến tính với nhau. Trực giao là một đặc tính giúp cho các tín hiệu đa thông tin đƣợc truyền một cách hoàn hảo trên cùng một kênh truyền thông thƣờng và đƣợc tách ra mà không gây nhiễu
Chương 2: Tổng quan về kỹ thuật OFDM
xuyên kênh. Việc mất tính trực giao giữa các sóng mang sẽ tạo ra sự chồng lặp giữa các tín hiệu mang tin và làm suy giảm chất lƣợng tín hiệu và làm cho đầu thu khó khôi phục lại đƣợc hoàn toàn thông tin ban đầu.
Trong hệ thống FDM thông thƣờng, nhiều sóng mang đƣợc cách nhau một khoảng phù hợp để tín hiệu thu có thể nhận lại bằng cách sử dụng các bộ lọc và các bộ giải điều chế thông thƣờng. Trong các máy nhƣ vậy, các khoảng bảo vệ cần đƣợc dự đoán trƣớc giữa các sóng mang khác nhau và việc đƣa vào các khoảng bảo vệ làm giảm hiệu quả sử dụng phổ của hệ thống.
Hình 2.3: Các sóng mang trực giao trong OFDM
Tuy nhiên, có thể sắp xếp các sóng mang trong OFDM sao cho các dải biên của chúng che phủ lên nhau mà các tín hiệu vẫn có thể thu đƣợc chính xác mà không có sự can nhiễu giữa các sóng mang. Muốn đƣợc nhƣ vậy các sóng mang phải trực giao về mặt toán học. Máy thu hoạt động nhƣ một bộ gồm bộ giải điều chế, dịch tần mỗi sóng mang xuống mức DC, tín hiệu nhận đƣợc lấy tích phân trên một chu kỳ của symbol để phục hồi dữ liệu gốc. Nếu tất cả các sóng mang khác đều đƣợc dịch xuống tần số tích phân của sóng mang này (trong một chu kỳ symbol T) thì kết quả tính tích phân cho các sóng mang khác sẽ là zero. Do đó các sóng mang độc lập tuyến tính với nhau trực giao nếu khoảng cách giữa các sóng là bội số của 1/T. Bất kì sự phi tuyến nào gây ra bởi can nhiễu giữa các sóng mang ICI cũng làm mất tính trực giao.
Về mặt toán học, trực giao có nghĩa là các sóng mang đƣợc lấy ra từ nhóm trực chuẩn i(t)/i0,1,... có tính chất sau:
Chương 2: Tổng quan về kỹ thuật OFDM t k t dt ii kk T T i 0 1 ) ( ) ( * 2 1 (2.3)
Trong đó i(t)là sóng mang thứ và *k(t)là liên hợp phức của sóng mang thứ k. Khoảng thời gian từ T1 đến T2 là chu kỳ của tín hiệu.
Việc điều chế và giải điều chế tín hiệu OFDM đƣợc thực hiện trong miền tần số, bằng cách sử dụng các thuật toán xử lý tín hiệu số. Nguyên tắc của tính trực giao thƣờng đƣợc sử dụng trong phạm vi xử lý tín hiệu số. Trong toán học, số hạng trực giao có đýợc từ việc nghięn cứu các vector. Theo định nghĩa, hai vector đýợc gọi lŕ trực giao với nhau khi chúng vuông góc với nhau vŕ tích vô hýớng của 2 vector lŕ bằng 0.
Hình 2.4: Mô hình trực giao
2.3.3 Tính trực giao trong miền tần số
Một cách khác để xem tính trực giao của tín hiệu OFDM là xem phổ của nó. Để xem tính trực giao của những tín hiệu OFDM ta tiến hành phân tích phổ của hàm
x x
sin . Nhận thấy mỗi sóng mang gồm một đỉnh tại tần số trung tâm và một số điểm “không” cách nhau bằng khoảng cách giữa các sóng mang. Hiện tƣợng trực giao đƣợc thể hiện là đỉnh của mỗi sóng mang trùng với điểm “không” của các sóng mang khác về mặt tần số. Hình 2.5 mô tả phổ của một tín hiệu OFDM.
Tính trực giao đƣợc thể hiện là đỉnh của mỗi sóng mang phụ này tƣơng ứng với các giá trị “không” của tất cả các sóng mang phụ khác. Khi tín hiệu này đƣợc tách bằng cách sử dụng thuật toán DFT, phổ của chúng không liên tục nhƣ hình 2.5a, mà là những mẫu rời rạc. Phổ của tín hiệu lấy mẫu tại các giá trị “không” trong hình 2.5b. Nếu thuật toán DFT đƣợc đồng bộ theo thời gian, các mẫu tần số
Chương 2: Tổng quan về kỹ thuật OFDM
chồng lắp giữa các sóng mang phụ không ảnh hƣởng tới bộ thu do có tính trực giao giữa các sóng mang phụ.
Hình 2.5: Đáp ứng tần số của các sóng mang phụ (a), Mô tả phổ của mỗi sóng mang phụ
(b), Đáp ứng tổng cộng của 5 sóng mang phụ
2.3.4 Ứng dụng kỹ thuật IFFT trong kỹ thuật OFDM
Kỹ thuật OFDM là kỹ thuật điều chế đa sóng mang, trong đó dữ liệu đƣợc truyền song song nhờ rất nhiều sóng mang phụ. Để làm đƣợc điều này, cứ mỗi kênh con, ta cần một máy phát sóng sine, một bộ điều chế và một bộ giải điều chế. Trong trƣờng hợp số kênh con là khá lớn thì cách làm trên không hiệu quả, nhiều khi là không thể thực hiện đƣợc. Nhằm giải quyết vấn đề này, khối thực hiện chức năng biến đổi DFT/IDFT đƣợc dùng để thay thế toàn bộ các bộ tạo dao động sóng sine, bộ điều chế, giải điều chế dùng trong mỗi kênh phụ. Đồng thời kỹ thuật IDFT thực hiện chuyển tín hiệu từ miền tần số sang miền thời gian bên phái máy phát và kỹ thuật DFT làm công việc ngƣợc lại chuyển tín hiệu từ miền thời gian sang miền tần số ở bên máy thu. Trên thực tế thì kỹ thuật FFT/IFFT là một thuật toán đƣợc sử dụng thay cho phép biến đổi DFT/IDFT vì nó nhanh và gọn hơn bằng cách giảm số phép nhân phức khi thực hiện phép biến đổi DFT/IDFT.
Chương 2: Tổng quan về kỹ thuật OFDM
2.3.4.1Phép biến đổi DFT
DFT là phép biến đổi Fourier rời rạc (Discrete Fourier Transform), thực hiện chuyển đổi tín hiệu x(n) trong miền thời gian sang tín hiệu miền tần số X(k). Phép biến đổi IDFT là quá trình ngƣợc lại, thực hiện chuyển đổi phồ của tín hiệu X(k) thành tín hiệu x(n) trong miền thời gian.
Giả sử x(n) có chiều dài là N (n=0, 1, 2, …, N-1). Công thức của phép biến đổi DFT là: 1 ,..., 1 , 0 , ) ( ) ( 1 0 N k n x k X N n nk N W (2.4) Trong đó, WNđƣợc xác định là j N N e W 2 (2.5) Do vậy, nk N W có giá trị là: N kn j nk N e W 2 (2.6)
Công thức biến đổi của IDFT là:
1 0 1 ,..., 1 , 0 , ) ( 1 ) ( N k nk N n N W k X N n x (2.7)
Phép biến đổi DFT từ công thức (2.4) bao gồm: - N2 phép nhân phức.
- N(N-1) phép cộng phức.
Trong đó sự phức tạp của phép biến đổi DFT chủ yếu là thực hiện quá nhiều phép nhân phức. Vì vậy muốn giảm sự phức tạp này cần phải tập trung vào việc giảm số phép nhân phức. Và phép biến đổi nhanh FFT đƣợc thực hiện thay thế