OFDM là trường hợp đặc biệt của FDM (Frequency Division Multiplex). Có thể hình dung kênh FDM giống như vòi nước chảy trong hình a. Còn OFDM giống như nước chảy trong vòi hoa sen. Trong hình a thì dòng nước chảy lớn thành dòng nhưng mà không thể chia nhỏ. Còn hình b thì có thể chia thành nhiều dòng nhỏ. Chúng ta có thể đặt ngón tay để ngăn cản làm dừng dòng nước ở vòi hình a nhưng mà không thể làm thế đối với vòi nước hình b. Vì vậy tuy cả hai làm những công việc khác nhau nhưng đáp ứng với nhiễu của chúng là khác nhau.
Một cách khác nhìn trực quan. Giả sử chúng ta vân chuyển hàng bằng xe kéo. Có hai cách, cách một là chúng ta vận chuyển hết hàng lên một xe,
cách hai là chúng ta chia thành nhiều phần nhỏ rồi chúng ta chở bằng nhiều xe khác nhau. Cả hai cách đều mang chính xác một lượng dữ liệu. Nhưng trong trường hợp tai nạn xảy ra thì chỉ ¼ dữ liệu trong kiện hàng trong OFDM bị hỏng.
Hình 3.4: Biểu diễn tín hiệu OFDM trong miền tần số
Hình 3.5: Biểu diễn tín hiệu OFDM trong miền thời gian
Hệ thống OFDM là hệ thống sử dụng nguyên lí ghép kênh phân chia theo tần số trực giao, hoạt động trên nguyên lí phát dữ liệu bằng cách phân
chia luồng dữ liệu thành nhiều luồng dữ liệu song song có tốc độ bít thấp hơn nhiều và sử dụng các luồng con này để điều chế sóng mang với nhiều sóng mang con có tần số khác nhau, cũng như các hệ thống đa sóng mang thông thường , hệ thống OFDM phân chia dãi tần công tác thành băng tần con khác nhau cho điều chế, đặc biệt là tần số trung tâm của các băng con này trực giao với nhau về mặt toán học, cho phép phổ của các băng con chèn lẫn nhau tăng hiệu quả sử dụng phổ tần mà không gây nhiễu. Nguyên lí cơ bản:
Kênh với băng thông lớn sẽ chia làm nhiều kênh phụ để giảm nhiễu ISI và fading theo tần số.
Mỗi sóng mang phụ sẽ trực giao với nhau trong miền tần số. sẽ làm tăng hiệu quả sử dụng kênh.
Hình 3.6: Ưu điểm của OFDM so với điều chế đơn sóng mang
Ưu điểm đó là hạn chế nhiễu liên kênh ISI
OFDM với 9 sóng mang phụ
Hình 3.7 Ưu điểm của OFDM so với FDM
Đó là tăng hiệu quả sử dụng kênh
a) Tín hiệu gửi trong kênh không phụ thuộc vào tần số
b) Tín hiệu gửi trong kênh fading theo tần số
c) Với tín hiệu OFDM gửi trong kênh fading theo tần số
Hình 3.8: Ảnh hưởng của kênh đối với tín hiệu OFDM
Khi kênh có đáp ứng tần số tốt tín hiệu có thể truyền qua. Khi kênh fading một vài tần số (kênh lựa chọn tần số) thì tín hiệu không thể đi qua. Với OFDM chúng ta có rất nhiều sóng mang phụ. Vì vậy, chỉ một lượng nhỏ sóng mang phụ mất dữ liệu do fading.
3.2. So sánh kĩ thuật điều chế FDMA (SC-FDMA) và OFDM
Kĩ thuật điều chế FDMA (SC-FDMA) và OFDM có nhiều chức năng xử lí tín hiệu chung. Do đó, 2 kĩ thuật này có những đặc tính chung sau:
• Điều chế và truyền dữ liệu trong các khối gồm MSymbol điều chế. • Chia băng thông truyền thành những dải con với thông tin được
mang trên các sóng mang con riêng biệt. • Cân băng kênh trong miền tần số.
• Sử dụng cyclic prefix để loại trừ can nhiễu liên kí tự, • Thực hiện dựa trên DFT/IDFT và sử dụng cyclic prefix. • Ít phức tạp hơn cân bằng miền thời gian thông thường. Điểm khác nhau:
Bảng 3.1: điểm khác nhau giữa kĩ thuật điều chế FDMA (SC-FDMA) và OFDM
FDMA (SC-FDMA) OFDM
Truyền đơn sóng mang Truyền đa sóng mang Truyền nối tiếp có tốc độ dữ liệu
symbol cao
Truyền song song có tốc độ dữ liệu symbol thấp
Tỷ số PAPR thấp Tỷ số PAPR cao Ít nhạy với dịch tần số Nhạy với dịch tần số Thích ứng với phổ trống Nhạy với phổ trống Tương thích với chọn tần số không
có khả năng tải bit/công suất
Tương thích với chọn tần số có khả năng tải bit/công suất
Tóm lại, SC/FDE có những ưu điểm sau so với OFDM: • PAPR thấp vì điều chế đơn sóng mang tại đầu phát. • Có thể thích ứng với phổ bằng không.
• Độ phức tạp thấp hơn tại bộ truyền, thuận lợi cho thiết bị truyền di động trong truyền thông đường lên.
Ưu điểm của OFDM :
• Sử dụng dải tần rất hiệu quả do cho phép chồng phổ giữa các sóng mang con.
• Hạn chế được ảnh hưởng của fading và hiệu ứng nhiều đường bằng cách chia kênh fading chọn lọc tần số thành các kênh con fading phẳng tương ứng với các tần số sóng mang OFDM khác nhau.
• OFDM loại trừ nhiễu symbol (ISI) và xuyên nhiễu giữa các sóng mang (ICI) bằng cách chèn thêm vào một khoảng thời gian bảo vệ trước mỗi symbol.
• Sử dụng việc chèn kênh và mã kênh thích hợp, hệ thống OFDM có thể khôi phục lại được các symbol bị mất do hiện tượng lựa chọn tần số của các kênh.
• Kỹ thuật cân bằng kênh trở nên đơn giản hơn kỹ thuật cân bằng kênh thích ứng được sử dụng trong những hệ thống đơn sóng mang.
Một số hạn chế:
• PAPR lớn do OFDM sử dụng nhiều sóng mang để truyền thông tin, giá trị cực đại của kí tự trên một sóng mang có thể vượt xa mức trung bình trên toàn bộ sóng mang. Vì vậy để không làm méo tín hiệu phát. Bộ khuếch đại công suất phải đặt ở chế độ dự trữ lớn nên hiệu suất sử dụng không cao. Điều này dẫn tới chi phí máy cầm tay. • Nhạy cảm cao với dịch tần số, do các sóng mang trong miền tần số
trực giao nhau nên chỉ một ảnh hưởng nhỏ như dịch Doppler cũng có thể gây nên các sóng mang chồng lấn nên nhau gây nhiễu ICI.
• Vì các sóng mang được điều chế và mã hóa và phát đi một cách độc lập. Các sóng mang con này do bị ảnh hưởng của pha đinh nên bị suy giảm rất nhiều. Nên trong OFDM cần có các lược đồ điều chế và mã hóa thích ứng để tránh hiện tượng phổ rỗng, nếu không sẽ không thể khôi phục được dữ liệu trên sóng mang đó.
3.3. Ứng dụng của kĩ thuật điều chế FDMA và OFDM trong mạng di động 4G
Trong phần này trình bày những đặc điểm của mạng thông tin di động thế hệ thứ 4 (4G). Giới thiệu công nghệ LTE và triển khai ứng dụng kỹ thuật OFDM cho đa truy nhập đường xuống trong LTE; triển khai Kỹ thuật SC-FDMA cho đa truy nhập đường lên trong LTE. Trình bày những dịch vụ mạng 4G mang lại, từ đó triển khai ứng dụng kĩ thuật điều chế FDMA (SC-FDMA) và kĩ thuật OFDM trong mạng 4G tại Việt Nam.
3.3.2. Ứng dụng mạng thông tin di động thế hệ thứ 4 (4G)
3.3.2.1. Giới thiệu mạng thông tin di động thế hệ thứ 4 (4G)
Lý do phát triển mạng 4G
Mặc dù 3GPP đã phát triển HSDPA, HSUPA để tăng dung lượng truyền đến tốc độ lý thuyết cực đại khoảng 14.4 Mbit/s. Tuy nhiên nó vẫn tồn tại nhiều mặt hạn chế, giá thành đắt không phù hợp với số đông người dùng. Mạng 4G ra đời duy trì các dịch vụ đa phương tiện tương tác, hội nghị truyền hình và internet không dây, có độ rộng băng tần lớn hơn.
Đặc điểm mạng 4G
Mạng 4G, là công nghệ truyền thông không dây thế hệ thứ tư, cho phép truyền tải dữ liệu với tốc độ tối đa trong điều kiện lý tưởng lên tới 1- 1.5 Gbit/s. Các nghiên cứu đầu tiên của NTT Docomo cho biết, điện thoại 4G có thể nhận dữ liệu với tốc độ 100 Mbit/s khi di chuyển và tới 1 Gbit/s khi đứng yên, băng thông linh động lên đến 40 MHz. Sử dụng hoàn toàn trên nền IP, cung cấp các dịch vụ như điện thoại IP, truy nhập internet băng rộng, các dịch vụ game và dòng HDTV đa phương tiện……
Hình 3.9: Lộ trình phát triển thông tin di động từ 1G lên 4G
Hướng phát triển của mạng 4G
LTE (Long Term Evolution - sự tiến hóa trong tương lai xa): LTE advanced là ứng viên cho chuẩn IMT-advanced. LTE là bước tiếp theo dẫn đến hệ thống thông tin di động 4G. Xây dựng nền tản kỹ thuật của họ các hệ thống mạng tế bào 3GPP (bao gồm GSM, GPRS và EDGE, WCDMA và HSPA), LTE cung cấp một con đường tiến hóa đến các tốc độ cao hơn và độ trễ thấp hơn.
UMB (Ultra Mobile Broadband - Mạng thông tin di động siêu băng rộng): UMB được các tổ chức viễn thông của Nhật Bản, Trung Quốc, Bắc Mỹ và Hàn Quốc cùng với các hãn như AlcateLucent, Apple, Motorola, NEC và Verizon Wireless phát triển từ nền tảng CDMA. UMB có thể hoạt động ở băng tần có độ rộng từ 1,25 MHz đến 20 MHz và làm việc ở nhiều dải tần số, với tốc độ truyền dữ liệu lên tới 288 Mbps cho đường xuống và 75 Mbps cho đường lên với độ rộng băng tần sử dụng là 20 MHz. UMB sử dụng OFDMA, MIMO, đa truy cập phân chia theo không gian cũng như
các kỹ thuật anten hiện đại để tăng khả năng của mạng, tăng vùng phủ và tăng chất lượng dịch vụ (QoS).
WiMAX 802.16m (Hay còn gọi là WiMAX II) được phát triển từ chuẩn IEEE 802.16e, là công nghệ duy nhất trong các công nghệ tiền 4G được xây dựng hoàn toàn dựa trên công nghệ đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao OFDMA (Kỹ thuật đa truy cập vào kênh truyền OFDM). Công nghệ WiMAX II là khoảng 2 km ở môi trường thành thị và khoảng 10 km cho các khu vực nông thôn.
3.3.2.2. Sự khác biệt giữa 3G và 4G
Tốc độ tối đa của 3G là tốc độ tải xuống 14 Mbps và 5.8 Mbps tải lên. Với công nghệ 4G, tốc độ có thể đạt tới 100Mbps đối với người dùng di động và 1Gbps đối với người dùng cố định, 3G sử dụng ở các dải tần quy định quốc tế UL: 1885 - 2025 MHz, DL: 2110 - 2200 MHz, với tốc độ từ 144kbps - 2Mbps, độ rộng BW: 5 MHz.
Đối với 4G LTE thì hoạt động ở băng tần: 700 MHz - 2,6 GHz với mục tiêu tốc độ dữ liệu cao, độ trễ thấp, công nghệ truy cập sóng vô tuyến gói dữ liệu tối ưu. Tốc độ DL: 100Mbps (ở BW 20MHz), UL: 50 Mbps với 2 anten thu một anten phát. Độ trễ nhỏ hơn 5ms với độ rộng BW linh hoạt là ưu điểm của LTE so với WCDMA, BW từ 1.25 MHz, 2.5 MHz, 5 MHz,10 MHz, 15 MHz, 20 MHz. Hiệu quả trải phổ tăng 4 lần và tăng 10 lần số người dùng/cell so với WCDMA.
Truyền dữ liệu hướng xuống sử dụng kỹ thuật OFDM
Sử dụng kỹ thuật OFDM cho truyền dữ liệu hướng xuống, vì thời gian kí tự OFDM tương đối dài trong việc kết hợp với một tiền tố chu trình (CP), nên kỹ thuật OFDM chống lại sự chọn lọc tần số kênh (Channel frequency selectivity). Sự sai lệch tín hiệu do kênh truyền chọn lọc tần số được kiểm soát bằng kỹ thuật cân bằng tại phía thu, chống lại fading lựa
chọn tần số (Bằng cách chia kênh thông tin thành nhiều kênh con fading phẳng băng hẹp, các hệ thống OFDM chịu đựng fading lựa chọn tần số tốt hơn những hệ thống đơn sóng mang).
Nguyên tắc đa truy nhập đường xuống OFDM Kỹ thuật OFDM
Kỹ thuật OFDM dễ dàng hỗ trợ cho việc phân bố băng thông một cách linh hoạt, bằng cách biến đổi băng tần cơ sở thành các sóng mang con để truyền đi, mỗi sóng mang con được điều chế độc lập bởi một dòng dữ liệu tốc độ thấp và tần số của băng tần con trực giao với nhau. Với một số đặc điểm của kỹ thuật OFDM như:
+ Sử dụng một lượng tương đối lớn các sóng mang con băng hẹp. + Dạng xung đơn giản. Điều này đáp ứng phổ dạng ở mỗi sóng mang. + Những sóng mang con được sắp xếp chặt chẽ trên miền tần số với khoảng cách giữa các sóng mang con . Tu thời gian điều chế trên mỗi sóng mang con.
Hình 3.10: Tín hiệu OFDM
Tài nguyên vật lý đường xuống của LTE có thể xem như là lưới tần số thời gian, trong đó mỗi phần tử tương ứng một sóng mang con OFDM trong khoảng thời gian một ký hiệu.
Hình 3.11: Tài nguyên đường xuống của LTE
Thông thường 15kHz, với máy thu và phát dựa trên FFT thì =15000 * N. Trong thực tế máy phát/thu với N=2048,=30,72MHz thích hợp cho băng thông rộng hơn 15MHz. Kích thước FFT dạng lũy thừa 2, sẽ là bội số hoặc sẽ là ước số của tốc độ chíp WCDMA/HSPA Rc=3.84Mchip/s. Ngoài ra trong truyền dẫn đa phương quảng bá dựa trên MBSFN. Trong miền tần số các sóng mang con được nhóm thành các khối tài nguyên 180kHz, Sóng mang con DC (một chiều) không sử dụng vì nó trùng với tần số bộ dao động nội. Tổng số sóng mang con đường xuống NSC=12NRB+1, NRB là số lượng khối tài nguyên. Lớp vật lý LTE có số lượng khối tài nguyên trong dải từ 6 đến hơn 100 khối tài nguyên, tương ứng băng thông truyền dẫn trong dải từ 1MHz đến 20MHz.
Hình 3.13 cho thấy cấu trúc miền thời gian cho truyền dẫn đường xuống LTE. Mỗi khung con 1ms gồm 2 khe đồng kích thước mỗi khe 0.5 ms (15360 TS) với 7 ký hiệu OFDM trong trường hợp CP bình thường xem Hình 3.12, 6 ký hiệu OFDM trong trường hợp CP mở rộng.
Hình 3.13: Cấu trúc khung con và khe đường xuống LTE
+ Với CP bình thường (7 ký hiệu OFDM trên 1 khe) TCP=160TS tương đương 5.2 (ký hiệu OFDM thứ nhất) TCP=144TS tương đương 4.7 ( các ký hiệu OFDM còn lại)
+ Với CP mở rộng (6 ký hiệu OFDM trên khe) TCP-e=512TS 16.7
- Khi xét đến cấu trúc miền thời gian đường xuống, các khối tài nguyên 12 sóng mang con trong thời gian 0.5 mỗi khối chứa 12*7=84 phần tử (CP bình thường) và 12*6=72 phần tử (CP mở rộng).
Kỹ thuật OFDMA
Trái ngược với phương thức truyền OFDM, OFDMA cho phép truy nhập của nhiều người sử dụng trên băng thông sẵn có.
Hình 3.14: Cấp phát sóng mang con cho OFDM và OFDMA
Cấu trúc khung có hai loại cấu trúc khung cấu trúc khung loại 1 cho
Chế độ FDD,cấu trúc khung loại 2 cho chế độ TDD
Đối với kiếu cấu trúc khung loại 1, khung vô tuyến 10ms được chia thành 20 khe có kích thước như nhau là 0.5 ms. Một khung con bao gồm có 2 khe liên tiếp nên một khung vô tuyến chứa 10 khung con. Điều này được minh họa như trong hình 5.6 (TS là thể hiện của đơn vị thời gian cơ bản tương ứng với 30,72MHz)
Hình 3.15: Cấu trúc khung Loại 1
Đối với cấu trúc khung loại 2, khung vô tuyến 10ms bao gồm hai nửa khung với mỗi nữa chiều dài 5ms. Mỗi nửa khung được chia thành 5 khung con với mỗi khung con 1ms, như được thể hiện trong hình. Khung con đặc biệt bao gồm có ba trường là DwPTS (khe thời gian dẫn hướng đường xuống), GP (khoảng bảo vệ) và UpPTS (khe thời gian dẫn hướng đường lên). Các trường này đã được biết đến từ TD-SCDMA và được duy trì
trong LTE TDD. DwPTS, GP và UpPTS có chiều dài cấu hình riêng và chiều dài tổng cộng là 1ms.
Cấu trúc lưới tài nguyên đường xuống cho cả FDD và TDD
Hình 3.17: Lưới tài nguyên đường xuống
Các sóng mang con trong LTE có một khoảng cách cố định f=15kHz trong miền tần số, 12 sóng mang con hình thành một khối tài nguyên. Kích thước khối tài nguyên là như nhau với tất cả các băng thông. Số lượng các khối tài nguyên ứng với băng thông được liệt kê như trong Bảng 3.2.
Bảng 3.2: Số lượng khối tài nguyên cho băng thông LTE khác nhau (FDD &TDD)
Băng thông kênh (MHz)
1,4 3 5 10 15 20
Số lượng các khối tài nguyên
Tiền tố vòng CP
Với mỗi ký hiệu OFDM, một tiền tố vòng CP được nối thêm như là khoảng thời gian bảo vệ. Một khe đường xuống bao gồm 6 hoặc 7 ký hiệu OFDM, điều này tùy thuộc vào tiền tố vòng được cấu hình là mở rộng hay bình thường. Tiền tố vòng dài có thể bao phủ với kích thước ô lớn với sự