WiMAX đưa ra một vấn đề thông tin đa người dùng đầy thách thức: nhiều người sử dụng trong cùng một vùng địa lý yêu cầu các tốc độ truyền dữ liệu cao trong một băng thông giới hạn với độ trễ thấp. Các kỹ thuật đa truy cập cho phép nhiều người sử dụng chia sẻ độ rộng băng thông có sẵn bằng cách định phần cho mỗi người sử dụng một phần nhỏ nhất định trong các nguồn hệ thống tổng cộng. Đặc tính đa dạng lưu lượng WiMAX được dự tính như VoIP, truyền dữ liệu, và luồng video và các khía cạnh triển khai hệ thống như khả năng di động, các tế bào lân cận, hiệu quả độ rộng băng thông được yêu cầu cao làm cho vấn đề đa truy cập trong WiMAX trở nên khá phức tạp. Như vậy việc đưa vào sử dụng một chiến lược đa truy cập linh hoạt và hiệu quả là vấn đề then chốt để thực hiện hệ thống WiMAX.
OFDM không phải là một chiến lược đa truy cập mà là một kỹ thuật điều chế tạo ra nhiều luồng dữ liệu độc lập có thể được sử dụng bởi nhiều người sử dụng khác nhau. Trong các hệ thống OFDM trước đây, tại một thời điểm tất cả các sóng mang con chỉ được sử dụng cho một người sử dụng. WiMAX (802.16e - 2005) sử dụng một phương pháp khác là đa truy cập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA), ở đây nhiều người sử dụng có thể đồng thời chia sẻ các sóng mang con và các khe thời gian.
Trong một hệ thống OFDMA, các nguồn hệ thống được gán tới người sử dụng chủ yếu là các symbol OFDM và phần công suất được quy định cho mỗi người sử dụng. Phần này sẽ tổng kết những chi tiết quan trọng của việc thực hiện OFDMA thực tế. Trong thực tế, chúng ta xem xét WiMAX thực hiện OFDMA như thế nào, thách thức OFDMA trong một hệ thống tế bào, và phân tập trong OFDMA có thể được sử dụng cùng với các loại phân tập khác như thế nào.
a, Các giao thức OFDMA
Mặc dù các thuật toán lập lịch không cần được cụ thể hóa trong tiêu chuẩn WiMAX nhưng một vài đóng góp quan trọng của OFDMA cần được tiêu chuẩn hóa như kênh con hóa, các bản tin ánh xạ, và ranging.
Kênh con hóa: Trong WiMAX, những người sử dụng được gán các khối sóng mang con chứ không phải là các sóng mang con riêng biệt để giảm độ phức tạp của thuật toán định vị sóng mang con và đơn giản hoá các bản tin ánh xạ. Giả sử rằng người sử dụng thứ k được gán một khối Lk sóng mang con, Lk sóng mang
con này có thể được trải rộng trên toàn bộ độ rộng băng thông – gọi là phép
hoán vị sóng mang con được phân phối – hoặc tất cả các sóng mang con này ở trong cùng một dải tần số – gọi là phép hoán vị sóng mang con kế cận. Ưu điểm chính của phép hoán vị được phân phối là cải thiện phân tập tần số và khả năng chịu đựng trải trễ; và ưu điểm của phép hoán vị kế cận là phân tập đa người dùng được tăng lên.
Các bản tin ánh xạ: Để cho MS biết các sóng mang con nào được dành cho nó, BS phải phát quảng bá thông tin này trong các bản tin DL MAP. Tương tự như vậy, BS thông báo cho MS các sóng mang con nào để phát trong một bản tin UL MAP. Đồng thời để thông báo các vùng định vị sóng mang con DL và UL tới MS, thì MS cũng phải được thông báo về cấu hình cụm được sử dụng trong DL và UL. Cấu hình cụm này dựa trên SINR và BLER đo được trên cả đường lên và đường xuống và xác định mức điều chế và mã hoá thích hợp.
Ranging: Vì mỗi MS có một khoảng cách nhất định tới BS nên trong đường lên cần thiết phải đồng bộ các symbol và san bằng mức công suất thu được giữa các MS hoạt động khác nhau. Quá trình này được gọi là ranging; khi khởi tạo, ranging yêu cầu BS ước lượng thời gian vượt trội của kênh và thời gian
kết này đã từng được đồng bộ, nhưng trong đường lên, những người sử dụng cần được đồng bộ ít nhất là trong một khoảng thời gian phòng vệ tiếp đầu tuần hoàn của người sử dụng khác. Ngược lại thì ICI và ISI có thể xuất hiện. Tương tự như vậy, mặc dù việc điều khiển công suất đường xuống được đề xuất để giảm nhiễu giả tế bào khác, nhưng điều này không được yêu cầu một cách nghiêm ngặt. Điều khiển công suất đường lên là cần thiết để cải thiện tuổi thọ pin, giảm nhiễu giả tế bào khác, và tránh lấn át những người sử dụng ở xa cùng chia sẻ một symbol OFDM trong cùng một tế bào. Việc lấn át những người sử dụng ở xa này phát sinh do việc mất tính trực giao giữa những người sử dụng đường lên trong cùng một tế bào, do những nguyên nhân trên thực tế như là dải động tương tự thành số, dịch sóng mang do hiệu ứng Doppler và do sự mất đồng bộ giữa các bộ dao động, dẫn tới việc sai lệch vùng phủ và việc đồng bộ không hoàn hảo. Vấn đề điều khiển công suất đường lên trong WiMAX tương tự như hiệu ứng xa gần trong CDMA mặc dù đòi hỏi ít nghiêm ngặt hơn.
Trong WiMAX tồn tại 4 loại thủ tục ranging: ranging khởi tạo, ranging định kỳ, ranging yêu cầu độ rộng băng thông và ranging chuyển vùng. Ranging được hình thành trong 2 hoặc 4 symbol liên tiếp với pha liên tục cho phép BS nghe tới một MS không được định sẵn với một sự sai lệch thời gian lớn hơn tiếp đầu tuần hoàn. Nếu thủ tục ranging này thành công thì BS gửi một bản tin trả lời ranging (RGN-RES) chỉ dẫn cho MS về việc điều chỉnh lượng dịch thời gian thích hợp, sửa lượng dịch tần số và thiết lập công suất. Nếu ranging không thành công thì MS tăng mức công suất của nó lên và gửi một bản tin ranging mới để tiếp tục quá trình này cho tới khi thành công.
b, OFDMA tế bào
tới những người sử dụng trong các tế bào liền kề. Ví dụ, nếu một MS nào đó gần dìa tế bào, giả sử với SINR thấp được lựa chọn để phát trong đường lên với công suất cao, thì các SINR hiệu quả của những người sử dụng trong tế bào lân cận với nó sẽ bị giảm đi, vì vậy có thể làm thay đổi việc định vùng thuê bao lý tưởng và cấu hình cụm cho tế bào đó. Do đó, một hệ thống OFDMA tế bào có được lợi ích lớn từ các phương pháp triệt nhiễu và tránh nhiễu từ các tế bào lân cận.
Một phương pháp đơn giản là sử dụng mẫu nhảy tần duy nhất cho mỗi trạm gốc để ngẫu nhiên hoá nhiễu tế bào khác, phương pháp này trở nên phổ biến bởi sơ đồ Flarion (ngày nay là QUALCOM) được gọi là Flash-OFDM. Mặc dù sơ đồ này giảm xác suất cho trường hợp nhiễu xấu nhất nhưng với một tải trọng hệ thống cao thì các mức nhiễu vẫn có thể tăng nhanh chóng tới mức không thể chấp nhận được và xác suất xung đột có thể tăng lên. Một phương pháp tối ưu hơn là phát triển các máy thu tiên tiến có khả năng loại bỏ nhiễu từ một vài nguồn nhiễu chủ yếu. Đây là một vấn đề thách thức thậm chí cả trong một hệ thống đơn sóng mang, và khả năng của nó trong một hệ thống OFDMA tế bào vẫn còn đang được thảo luận.
Một phương pháp tối ưu khác là lặp lại các thuật toán định vị nguồn. Nếu mỗi trạm gốc không biết các điều kiện chính xác trong các tế bào khác, và nếu không cho phép hợp tác giữa các trạm gốc lân cận, thì sóng mang con và việc gán công suất tuân theo lý thuyết các trò chơi không hợp tác và dẫn tới một sự cân bằng được gọi là Nash. Nói một cách đơn giản, trường hợp này tương tự như khoá lưới, tức là những người sử dụng đạt tới một điểm mà tại đó không có sự tăng hay giảm công suất một cách tự động để cải thiện dung lượng truyền dẫn.
Một cách hiển nhiên là chất lượng truyền dẫn có thể được cải thiện nếu các trạm gốc hợp tác với nhau. Ví dụ, một bộ lập lịch chủ cho các trạm gốc có
cách tương ứng. Mặc dù điều này sẽ trở nên khá phức tạp, do việc truyền dẫn một lượng lớn thông tin thời gian thực tới và từ bộ lập lịch trung tâm này, và do các khó khăn tính toán trong quá trình xử lý chất lượng thông tin để xác định việc gán nguồn tối ưu hoàn toàn và cận tối ưu. Các phương pháp đơn giản hơn cũng có thể được sử dụng, như là các trạm gốc lân cận có thể chia sẻ thông tin một cách đơn giản để đảm bảo rằng chúng không gán cùng các sóng mang con tới những người sử dụng dễ bị nhiễu. Gần đây việc nghiên cứu sự hợp tác tế bào và mã hoá đang được thực hiện, bao gồm việc nghiên cứu một cách cơ bản từ khía cạnh lý thuyết thông tin cũng như các kỹ thuật phỏng đoán một cách cụ thể cho OFDMA tế bào.
c, Các tăng ích phân tập bị giới hạn
Phân tập là vấn đề cơ bản để nâng cao chất lượng các hệ thống OFDMA. Cụ thể, OFDMA sử dụng phân tập đa người dùng giữa các MS khác nhau, sử dụng phân tập tần số giữa các sóng mang con, và sử dụng phân tập thời gian bằng cách cho phép trễ. Phân tập không gian cũng là một khía cạnh cơ bản của các hệ thống WiMAX. Một nhận xét quan trọng là các sơ đồ phân tập này nói chung tranh chấp với nhau.Ví dụ như tưởng tượng rằng máy thu có 2 anten phân tập không gian hiệu quả. Nếu phân tập lựa chọn 2-brand được sử dụng cho mỗi sóng mang con thì sự khác nhau giữa các sóng mang con này sẽ giảm một cách đáng kể, vì hầu hết các pha đinh sâu sẽ bị hạn chế bởi quá trình lựa chọn. Nếu 10 người sử dụng thực hiện một thuật toán lập lịch, mặc dù chất lượng tổng cộng sẽ
tăng hơn nữa, nhưng tăng ích phân tập đa người dùng sẽ giảm nếu không có
phân tập lựa chọn, vì một người sử dụng đã hạn chế các kênh xấu nhất nhờ sự kết hợp lựa chọn. Biểu diễn trực giác ví dụ này có thể được mở rộng cho các kỹ thuật sử dụng phân tập khác như mã hoá và ghép xen, các mã không gian /thời
gian và các mã không gian /tần số… Tóm lại, tăng ích phân tập tổng cộng sẽ giảm so với tổng các tăng ích phân tập của các kỹ thuật riêng lẻ.
3.3 So sánh với WiFi, ADSL và truyền hình 3.3.1 Ứng dụng OFDM trong WiFi
Các hệ thống IEEE 802.11a và IEEE 802.11g sử dụng điều chế OFDM trong băng ISM 5 GHz / 2,46 Hz. Băng thông có sẵn tổng cộng xấp xỉ 455 MHz, trong đó 200 MHz được gán cho việc sử dụng trong nhà và 255 MHz cho việc sử dụng ngoài trời. Điều chế này cho phép đạt được thông lượng giữa 6 Mbps và 54 Mbps và cung cấp chất lượng truyền dẫn đa đường tốt. Lớp MAC định nghĩa cho các lớp vật lý khác (FHSS, DSSS, HR/DSSS, IR). Lớp vật lý hỗ trợ điều chế OFDM trở nên phức tạp, vì nó sử dụng một tổng thể các kỹ thuật truyền dẫn số thay đổi như điều chế pha, truyền dẫn đa sóng mang OFDM, mã chập và ghép xen. Chúng ta hãy xem lại OFDM được đề xuất lần đầu tiên bởi ETSI trong hệ thống châu Âu Hiperlan 1. OFDM dựa trên một sự phân chia tần số với băng tần được chia thành các sóng mang có thể được sử dụng đồng thời bằng việc ghép kênh dữ liệu trên các sóng mang con. Một kênh bao gồm 52 sóng mang độ rộng 300 KHz. Trong đó 48 sóng mang được dành cho việc truyền dẫn thông tin và 4 sóng mang con việc dẫn đường sửa lỗi. OFDM hỗ trợ một chuỗi các điều chế và mã hoá làm cho nó trở nên khả dĩ để tạo ra tập hợp thông lượng tổng cộng.
8 kênh 20 MHz được định nghĩa cho băng thấp (từ 5,15 tới 5,35 GHz). Chúng ta có thể có một hệ thống cùng tồn tại 8 mạng trong cùng khoảng không gian và một thông lượng tối đa 432 Mbps như trong hình 3.7. Chuỗi truyền dẫn toàn bộ được tổng kết bởi sơ đồ hình 3.8.
Hình 3.7 Các kênh OFDM trong băng thấp nhất 5 GHz
Hình 3.8 Sơ đồ truyền dẫn OFDM
Bước đầu tiên bao gồm việc lựa chọn thông lượng dựa theo trạng thái liên kết vô tuyến, trong thực tế thực hiện một cơ chế thích nghi liên kết tự động. Khi các khung dữ liệu được xây dựng, tiến hành một sự sắp xếp lại các phần tử dữ liệu (nhiễu hoặc sự xáo trộn). Sau đó sử dụng mã hoá mà không cần kênh ngược cho việc sửa lỗi hướng đi FEC bằng cách thêm phần dư. Để tăng cường việc bảo mật thông tin, thực hiện việc ghép xen các bit được mã hoá, sau đó ánh xạ vào các chòm sao dữ liệu 1, 2, 4, hoặc 6 điểm. Mỗi byte biểu diễn một số phức dựa theo loại điều chế được sử dụng. Sau đó 48 số phức được tập hợp lại để hình thành một symbol OFDM, mỗi sóng mang được gán tới một trong số những symbol này. Ứng dụng điều chế OFDM cho phép có được một tín hiệu băng gốc. Thời gian của một symbol OFDM là 4 μs. Vì vậy gói của lớp vật lý được xây dựng bằng cách thêm các trường cần thiết cho việc truyền dẫn của nó trên môi trường vô tuyến.
3.3.2 Ứng dụng OFDM trong ADSL
Trong ADSL, kỹ thuật điều chế OFDM được gọi là kỹ thuật điều chế đa
tần rời rạc DMT (Discrete Multitone Modulation). DMT phân chia phổ tần số
thành các chu kỳ symbol mang một số bit nhất định. Những bit này được mang trong những âm tần có tần số hoạt động khác nhau. Trong ADSL, dải tần 26 KHz tới 1,1 MHz được chia thành 256 kênh FDM 4 KHz, mỗi kênh đều áp dụng điều chế và mã hoá DMT. Nếu ở mọi tần số trong dải tần đều có thể hoạt động tốt thì mỗi chu kỳ tín hiệu có thể mang cùng một số bit.
Tuy nhiên, ảnh hưởng tạp âm lên các tần số khác nhau cũng khác nhau. Vì vậy các kênh con hoạt động ở những miền tần số chất lượng cao sẽ mang nhiều bit hơn những tần số bị ảnh hưởng mạnh của nhiễu. Số bit trên mỗi kênh con được điều chế bằng kỹ thuật QAM và đặt trên một sóng mang FDM. Ở những tần số thấp đôi dây đồng bị suy hao ít, SNR cao nên thường sử dụng phương pháp điều chế lớn hơn 10 bit/s/Hz. Trong những điều kiện chất lượng đường dây xấu, phương pháp điều chế có thể thay đổi 4 bit/s/Hz hoặc thấp hơn để phù hợp với SNR và tránh được nhiễu. Hơn nữa, DMT có thể tránh phát ở những dải tần số riêng có xuyên âm quá lớn hoặc bị nhiễu RFI.
Sơ đồ khối một hệ thống truyền dẫn DMT được đưa ra ở hình 3.9. Tín hiệu số tốc độ cao được chia thành nhiều tín hiệu tốc độ thấp. Mỗi tín hiệu tốc độ thấp điều chế một kênh con. Những kênh con này được kết hợp và truyền trên dây đồng. Đến đầu thu, mỗi kênh con được thu và giải điều chế và tín hiệu được kết hợp và khôi phục lại tín hiệu tốc độ cao ban đầu.
3.3.3 Ứng dụng OFDM trong truyền hình DVB-T
Như chúng ta đã biết hệ phát số DVB-T sử dụng kỹ thuật ghép kênh theo
tần số trực giao có mã sửa sai COFDM (Coded OFDM) như một phương thức
điều chế dữ liệu. OFDM là một dạng đặc biệt của hệ thống điều chế đa sóng mang dựa trên nguyên tắc phân chia luồng dữ liệu thành các luồng dữ liệu con lên các sóng mang. Các sóng mang được điều chế với tốc độ bit thấp và với số lượng sóng mang lớn sẽ mang được luồng dữ liệu có tốc độ bit cao.
Việc sử dụng số lượng lớn sóng mang tưởng như không có triển vọng lắm