3. Bố cục của luận văn
1.7. Các vấn đề kỹ thuật trong OFDM
- OFDM là giải pháp kỹ thuật rất thích hợp cho truyền dẫn vô tuyến tốc độ cao. Tuy nhiên, để có thể đem áp dụng vào các hệ thống, có ba vấn đề cần phải giải quyết khi thực hiện hệ thống sử dụng OFDM:
+ Ƣớc lƣợng tham số kênh. + Đồng bộ sóng mang
+ Giảm tỉ số công suất tƣơng đối cực đại PAPR(Peak to Average Power Ratio)
- Vấn đề thứ nhất liên quan trực tiếp đến chỉ tiêu chất lƣợng hệ thống OFDM nếu dùng phƣơng pháp giải điều chế liên kết, còn hai vấn đề sau liên quan đến việc xử lý các nhƣợc điểm của OFDM. Ngoài ra, để nâng cao chỉ tiêu chất lƣợng hệ thống, ngƣời ta sử dụng mã hóa tín hiệu OFDM.
1.7.1. Ước lượng tham số kênh
Ƣớc lƣợng kênh (Channel estimation) trong hệ thống OFDM là xác định hàm truyền đạt của các kênh con và thời gian để thực hiện giải điều chế bên thu khi bên phát sử dụng kiểu điều chế kết hợp (coherent modulation). Để ƣớc lƣợng kênh, phƣơng pháp phổ biến hiện nay là dùng tín hiệu dẫn đƣờng (PSAM-Pilot signal assisted Modulation). Trong phƣơng pháp này, tín hiệu pilot bên phát sử dụng là tín hiệu đã đƣợc bên thu biết trƣớc về pha và biên độ.
Tại bên thu, so sánh tín hiệu thu đƣợc với tín hiệu pilot nguyên thủy sẽ cho biết ảnh hƣởng của các kênh truyền dẫn đến tín hiệu phát. Ƣớc lƣợng kênh có thể đƣợc phân tích trong miền thời gian và trong miền tần số. Trong miền thời gian thì các đáp ứng xung h(n) của các kênh con đƣợc ƣớc lƣợng. Trong miền tần số thì các đáp ứng tần số H(k) của các kênh con đƣợc ƣớc lƣợng. Có hai vấn đề chính đƣợc quan tâm khi sử dụng PSAM:
- Vấn đề thứ nhất là lựa chọn tín hiệu pilot: Phải đảm bảo yêu cầu chống nhiễu, hạn chế tổn hao về năng lƣợng và băng thông khi sử dụng tín hiệu này. Với hệ thống OFDM, việc lựa chọn tín hiệu pilot có thể đƣợc thực hiện trên giản đồ thời gian-tần số, vì vậy kỹ thuật OFDM cho khả năng lựa chọn cao hơn so với hệ thống đơn sóng mang. Việc lựa chọn tín hiệu pilot ảnh hƣởng rất lớn đến các chỉ tiêu hệ thống.
- Vấn đề thứ hai là việc thiết kế bộ ƣớc lƣợng kênh: Phải giảm đƣợc độ phức tạp của thiết bị trong khi vẫn đảm bảo đƣợc độ chính xác yêu cầu. Yêu cầu về tốc độ thông tin cao (tức là thời gian xử lý giảm) và các chỉ tiêu hệ thống là hai yêu cầu ngƣợc nhau. Vì vậy, khi thiết kế cần phải dung hòa hai yêu cầu trên.
1.7.2 Đồng bộ trong OFDM
Đồng bộ là một trong những vấn đề đang rất đƣợc quan tâm trong kỹ thuật OFDM bởi nó có ý nghĩa quyết định đến khả năng cải thiện các nhƣợc điểm của OFDM. Chẳng hạn, nếu không đảm bảo sự đồng bộ về tần số sóng mang thì sẽ dẫn đến nguy cơ mất tính trực giao giữa các sóng mang nhánh, khiến hệ thống OFDM mất đi các ƣu điểm đặc trƣng nhờ sự trực giao này. Trong hệ thống OFDM, ngƣời ta xét đến ba loại đồng bộ khác nhau là : Đồng bộ ký tự (symbol synchronization), đồng bộ tần số sóng mang (carrier frequency synchronization), và đồng bộ tần số lấy mẫu (sampling frequency synchronization).
1.7.2.1 Đồng bộ ký tự
Đồng bộ ký tự nhằm xác định chính xác thời điểm bắt đầu một ký tự OFDM. Hiện nay, với kỹ thuật sử dụng tiền tố lặp (CP) thì đồng bộ ký tự đã đƣợc thực hiện một cách dễ dàng hơn. Hai yếu tố cần đƣợc chú ý khi thực hiện đồng bộ ký tự là lỗi thời gian (timing error) và nhiễu pha sóng mang (carrier phase noise).
Lỗi thời gian gây ra sự sai lệch thời điểm bắt đầu một ký tự OFDM. Nếu lỗi thời gian đủ nhỏ sao cho đáp ứng xung của kênh vẫn còn nằm trong chiều dài khoảng tiền tố lặp (CP) thì hệ thống vẫn đảm bảo sự trực giao giữa các sóng mang. Trong trƣờng hợp này thì thời gian trễ của một ký tự đƣợc xem nhƣ là độ dịch pha của kênh truyền và độ dịch pha này đƣợc xác định nhờ kỹ thuật ƣớc lƣợng kênh. Trong trƣờng hợp ngƣợc lại, nếu chiều dài của CP nhỏ hơn lỗi thời gian thì hệ thống sẽ xuất hiện lỗi ISI. Có hai phƣơng pháp để thực hiện đồng bộ thời gian, đó là đồng bộ thời gian dựa vào tín hiệu pilot và đồng bộ thời gian dựa vào tiền tố lặp.
Phƣơng pháp đồng bộ thời gian dựa vào tín hiệu pilot đƣợc áp dụng cho các hệ thống OFDM mà tín hiệu đƣợc truyền đi bằng kỹ thuật điều tần. Trong phƣơng pháp này, bên phát sẽ mã hóa một số tín hiệu đã biết trƣớc thông tin về pha và biên độ trên một số sóng mang phụ. Phƣơng pháp này sau đó đã đƣợc điều chỉnh để sử dụng cho cả hệ thống OFDM mà tín hiệu truyền đi đƣợc truyền theo kỹ thuật điều biên. Thuật toán đồng bộ thời gian sử dụng tín hiệu pilot gồm 3 bƣớc là: nhận biết công suất (power detection), đồng bộ thô (coarse synchronization) và đồng bộ tinh (fine synchronization).
Nhiễu pha sóng mang
Nhiễu pha sóng mang là hiện tƣợng không ổn định về pha của các sóng mang do sự không ổn định của bộ tạo dao động bên phát và bên thu.
1.7.2.2 Đồng bộ tần số sóng mang
Trong đồng bộ tần số sóng mang, hai vấn đề chính đƣợc quan tâm đến là lỗi tần số (frequency error) và thực hiện ƣớc lƣợng tần số.
Lỗi tần số
Lỗi tần số đƣợc tạo ra do sự khác biệt về tần số giữa hai bộ tao dao động bên phát và bên thu, do độ dịch tần Doppler, hoặc do nhiễu pha xuất hiên khi kênh truyền không tuyến tính. Hai ảnh hƣởng do lỗi tần số gây ra là: suy giảm biên độ tín hiệu thu đƣợc (vì tín hiệu không đƣợc lấy mẫu tại đỉnh của mỗi sóng mang hình sin) và tạo ra nhiễu xuyên kênh ICI (vì các sóng mang bị mất tính trực giao).
Ƣớc lƣợng tần số
Tƣơng tự nhƣ kỹ thuật đồng bộ ký tự, để thực hiện đồng bộ tần số, có thể sử dụng tín hiệu pilot hoặc sử dụng tiền tố lặp. Trong kỹ thuật sử dụng tín hiệu pilot, một số sóng mang đƣợc sử dụng để truyền những tín hiệu pilot (thƣờng là
các chuỗi giả nhiễu). Sử dụng những ký tự đã biết trƣớc về pha và biên độ sẽ giúp ta ƣớc lƣợng đƣợc độ quay pha do lỗi tần số gây ra. Để tăng độ chính xác cho bộ ƣớc lƣợng, ngƣời ta sử dụng thêm các vòng khóa pha (Phase Lock Loop-PLL).
Nhận xét : Một vấn đề cần đƣợc quan tâm đến là mối quan hệ giữa đồng bộ ký tự và đồng bộ tần số sóng mang. Để giảm ảnh hƣởng của sự mất đồng bộ tần số sóng mang thì có thể giảm số lƣợng sóng mang, tăng khoảng cách giữa hai sóng mang cạnh nhau. Nhƣng khi giảm số sóng mang thì phải giảm chu kỳ của mỗi ký tự trên mỗi sóng mang, dẫn đến việc đồng bộ ký tự rất khó khăn và phải chặt chẽ hơn. Điều đó chứng tỏ hai vấn đề đồng bộ trên có quan hệ chặt chẽ lẫn nhau, cần phải có sự dung hòa hợp lý để hệ thống đạt đƣợc các chỉ tiêu kỹ thuật đề ra.
1.7.2.3 Đồng bộ tần số lấy mẫu
Tại bên thu, tín hiệu liên tục theo thời gian thu đƣợc lấy mẫu theo đồng hồ bên thu, vì vậy sẽ xuất hiện sự bất đồng bộ giữa đồng hồ bên phát và bên thu. Ngƣời ta đƣa ra hai phƣơng pháp để khắc phục sự bất đồng bộ này. Phƣơng pháp thứ nhất là sử dụng bộ dao động điều khiển bằng điện áp (Voltage Controlled Oscillator-VCO). Phƣơng pháp thứ hai đƣợc gọi là : Lấy mẫu không đồng bộ. Trong phƣơng pháp này, các tần số lấy mẫu vẫn đƣợc giữ nguyên nhƣng tín hiệu đƣợc xử lý số sau khi lấy mẫu để đảm bảo sự đồng bộ.
1.7.3. Giảm PAPR (Peak to Average Power Ratio)
- Tỉ số công suất đỉnh trên công suất trung bình là một trong những hạn chế cơ bản của tín hiệu OFDM. Khi tỉ số này cao, việc sử dụng bộ khuyếch đại công suất sẽ không đạt hiệu suất cao vì phải dành dự trữ công suất để tránh nhiễu phi tuyến. Nhƣ vậy, giảm PAPR là yêu cầu quan trọng của hệ thống sử dụng OFDM.
- PAPR của một ký tự OFDM là tỉ số giữa giá trị lớn nhất của bình phƣơng một mẫu đơn lẻ trên miền thời gian với giá trị trung bình bình phƣơng của mẫu này: 2 2 1 ,... 1 , 0 max PAPR m m N m X X (1.10)
- PAPR biểu diễn dải biên độ của các mẫu tạo ra bên máy phát tín hiệu OFDM. Nói cách khác, PAPR biểu diễn khoảng cách đến gốc của ký tự trong không gian tín hiệu
- Hệ thống điều chế pha M mức (M-PSK): Do các ký tự trong không gian tín hiệu chỉ khác nhau về pha trong khi độ lớn bằng nhau nên PAPR=1.
Hệ thống dùng 16QAM PAPR=1.8
- Có hai phƣơng pháp giảm PAPR chính :
+ Đƣa thêm một số thông tin hỗ trợ (data, mã) vào ký tự OFDM.
+ Sử dụng các xử lý không gian tín hiệu (QAM, DPSK) sao cho tín hiệu miền thời gian sau bộ IDFT có PAPR thấp.
1.8. Ƣu khuyết điểm của OFDM
1.8.1. Ưu điểm
- Tăng hiệu quả sử dụng băng thông.
- Bền vững với fading chọn lọc tần số do các ký hiệu có băng thông hẹp nên mỗi sóng mang phụ chỉ chịu fading phẳng.
- Chống đƣợc nhiễu liên ký hiệu ISI do chu kỳ ký hiệu dài hơn cùng với việc chèn thêm khoảng bảo vệ cho mỗi ký hiệu OFDM.
- Sự phức tạp của máy phát và máy thu giảm đáng kể nhờ sử dụng FFT và IFFT.
- Có thể truyền dữ liệu tốc độ cao.
1.8.2. Khuyết điểm
- Nhạy với offset tần số
+ Chỉ cần một sai lệch nhỏ cũng có thể làm mất tính trực giao của các sóng mang phụ. Vì vậy OFDM rất nhạy với hiệu ứng dịch tần Dopler.
+ Các sóng mang phụ chỉ thật sự trực giao khi máy phát và máy thu sử dụng cùng tập tần số. Vì vậy, máy thu phải ƣớc lƣợng và hiệu chỉnh offset tần số sóng mang của tín hiệu thu đƣợc.
- Tại máy thu, sẽ rất khó khăn trong việc quyết định vị trí định thời tối ƣu để giảm ảnh hƣởng của ICI và ISI.
- Tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình PAPR (Peak to Average Power Ratio) là lớn vì tín hiệu OFDM là tổng của N thành phần đƣợc điều chế bởi các
tần số khác nhau. Khi các thành phần này đồng pha, chúng tạo ra ở ngõ ra một tín hiệu có biên độ rất lớn. Ngƣợc lại, khi chúng ngƣợc pha, chúng lại triệt tiêu nhau làm ngõ ra bằng 0. Chính vì vậy, PAPR trong hệ thống OFDM là rất lớn.
1.9. Ứng dụng OFDM cho mạng 4G [1]
1.9.1. Lộ trình tiến lên 4G
Thông tin di động phát triển qua các thế hệ khác nhau. 1stGeneration (1G) đến ( 1980 ) 2ndGeneration(2G) đến ( 1990 ) 3thGeneration (3G) ( 2000 ) Analog Voice AMPS, NMT Digital Voice và Data GSM, IS-95, PDC Digital
Voice, Internet, Media
W-CD CDMA- 2000, IMT-2000MA
Hình 1.16. Lộ trình tiến lên 4G. Thế hệ thứ nhất 1G:
+ Các hệ thống thông tin di động 1G đƣợc xây dựng từ những năm 1980. Ví dụ: NMT (Nordic Mobile telephone) của công ty Ericsion, Thụy Điển. AMPS (American Mobile Phone System) của công ty AT&T, Mỹ.
+ Dựa trên các công nghệ Analog, dùng kỹ thuật đa truy cập phân chia theo tần số (FDMA- Frequency Division Multiple Access).
+ Các hệ thống di động 1G đƣợc phát triển trong phạm vi quốc gia, do đó không có khả năng tƣơng thích lẫn nhau.
Do yêu cầu thông tin di động ngày càng cao, hơn thế nữa là nhu cầu phải có một hệ thống thông tin di động toàn cầu. Vì vây hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 2 (2G) ra đời.
Thế hệ thứ 2 - 2G
+ Đƣợc phát triển ngay trong những thập niên 90.
+ Dựa trên công nghệ số, dùng kỹ thuật đa truy cập phân chia theo thời gian (TDMA – Time Division Mutiple Access) và đa truycập phân chia theo mã (CDMA – Code Division Multiple Access).
+ Theo quan điểm của ngƣời sử dụng, hệ thống 2G hấp dẫn hơn hệ thống 1G, bởi vì ngoài dịch vụ thoại truyền thống, hệ thống 2G còn cung cấp thêm một số dịch vụ truyền dữ liệu, tuy tốc độ còn thấp.
+ Chƣa thực hiện đƣợc hệ thống thông thông tin di động toàn cầu, do đó trên thị trƣờng tồn tại một số hệ thống di động 2G nhƣ GSM (Global System for Mobile Communicasion), IS-95 (Interim Standard-95), PDC (Personal Digital Celular)… Trong đó GSM đƣợc sử dụng rộng rãi nhất.
Đến những năm 2000, hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3(3G) ra đời với mục tiêu hình thành một hệ thống thông tin di động duy nhất trên toàn thế giới.
+ Dựa trên công nghệ số với sự khẳng định ƣu thế vƣợt trội của CDMA. + Có khả năng cung cấp những dịch vụ có tốc độ khác nhau nhƣ thoại, Internet tốc độ cao, truyền hình ảnh chất lƣợng cao, nhắn tin đa phƣơng tiện (MMS)…
+ Các chuẩn cho 3G: IMT-2000, CDMA2000, W-CDMA…
Hệ thống di động 3G chƣa đƣợc áp dụng rộng rãi, nhƣng các nghiên cứu về hệ thống 4G, mà công nghệ chủ yếu là các kỹ thuật đa sóng mang đã đƣợc tiến hành và OFDMA là một ứng cử viên sáng giá. Vì vậy việc tìm hiểu về hệ thống thông tin di động dùng kỹ thuật đa truy nhập OFDMA là cần thiết và mang ý nghĩa thực tế.
Hiện nay các nhà cung cấp dịch vụ di động chính ở việt nam là Mobifon, Vinaphon, S-Fone và viettel. Con đƣờng đi lên 3G từ các công nghệ khác nhau đều đã có: Các nhà khai thác GSM sẽ đi lên W-CDMA, còn các nhà cung cấp sử dụng công nghệ CDMA sẽ tiến lên CDMA2000. Bây giờ chỉ còn việc xác định thời điểm triển khai cho phù hợp.
Năm 2004, Ericsson đã cùng Mobifon thử nghiệm thành công dịch vụ di động 3G. Vào cuối năm 2005, nhà cung cấp này dự định sẽ đƣa ra dịch vụ 2,5G hay còn gọi là EDGE. Trong đó Vinaphon và viettel vẫn đang sử dụng công nghệ 2G.
Tính đến nay, S-Fone là nhà cung cấp đầu tiên và duy nhất sử dụng công nghệ CDMA. Chuẩn mà S-Fone đang sử dụng là CDMA2000 1X, chuẩn này chỉ cách chuẩn 3G CDMA2000 1X Evdo một khoảng không xa. Vì vậy S-Fone sẽ có khả năng tiến nhanh hơn trên con đƣờng hƣớng tới 3G.
Mặc dù hiện nay số thuê bao di động ở nƣớc ta chƣa có nhiều nhu cầu gì khác hơn ngoài nhu cầu đàm thoại di động, nhƣng hiện nay các nhà dầu tƣ đã triển khai mạng 3G. 3G+
cũng đã bắt đầu triển khai ở một số nƣớc và 4G đang đƣợc nghiên cứu để đƣợc một chuẩn chung. Lộ trình phát triển từ 3G lên 4G của 3GPP là một lộ trình dài hạn và có vị thế áp đảo trong xu thế cạch tranh của các công nghệ thông tin di động băng rộng.
Hiện nay các hoạt động nghiên cứu và phát triển (R& D) 3G và lộ trình lên 4G đang đƣợc tiến hành trong 3GPP - là tổ chức quốc tế chịu trách nhiệm cho việc phát triển và hài hoà các tiêu chuẩn đƣợc phát triển đƣợc phát hành của UMTS UTRA (WCDMA và TD-SDMA). Quá trình nghiên cứu phát triển UMTS lên 3G phát triển và tiến dần đến 4G là việc đƣa ra công nghệ HSPA (High Speed Packet Access - đa truy nhập gói tốc độ cao) và LTE (Long term Evolution - phát triển dài hạn) cho phần vô tuyến và SAE (System Architecture Evolution - phát triển kiến trúc hệ thống) cho phần mạng.
Hiện nay UMTS đã và đang triển khai trên thế giới. 3GPP đã tiến hành các nghiên cứu để cải thiện hiệu năng của UMTS bằng việc đƣa ra các phát hành R5, R6 và R7 với các tính năng nhƣ HSDPA, HSUPA và MBMS. Mục tiêu của LTE là nghiên cứu phát triển hiệu năng hệ thống sau R6 RAN để có thể triển khai vào năm 2010. Các nghiên cứu của LTE nhằm giảm giá thành, tăng cƣờng hỗ trợ cho các dịch vụ lợi nhuận cao và cải thiện khai thác bảo dƣỡng cũng nhƣ cung cấp dịch vụ. Để đạt đƣợc các mục tiêu này cần đƣa ra một công nghệ vô tuyến tiềm năng mới cho phép nâng cao hiệu suất phổ tần,