TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ WIMAX
Giới thiệu chương
Chương 1 sẽ khám phá các khái niệm cơ bản và cấu trúc của hệ thống mạng WiMAX, bao gồm các băng tần sử dụng Qua đó, chúng ta sẽ nhận diện được các ứng dụng thực tế cũng như những ưu và nhược điểm của công nghệ WiMAX so với các phương thức truyền thông khác.
Giới thiệu về WiMAX
WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) là công nghệ dựa trên chuẩn 802.16 của IEEE, cung cấp truy cập vô tuyến đầu cuối (last mile) như một giải pháp thay thế cho cáp, DSL và WLAN.
Tiêu chuẩn IEEE 802.16 định nghĩa các giao diện vô tuyến cho mạng WiMAX, cung cấp truy cập băng rộng cố định (BWA) với khả năng hỗ trợ thoại, video và dịch vụ dữ liệu tốc độ cao BWA nổi bật với chi phí lắp đặt và bảo trì thấp hơn so với mạng hữu tuyến truyền thống và mạng quang, đặc biệt tại những khu vực xa xôi hoặc địa hình khó khăn WiMAX là giải pháp mở rộng mạng truyền dẫn quang, cung cấp dung lượng lớn hơn so với mạng cáp và DSL Mạng WiMAX có thể dễ dàng xây dựng nhanh chóng thông qua việc triển khai một số lượng nhỏ trạm gốc trên tòa nhà hoặc cột điện, tạo ra hệ thống truy cập vô tuyến hiệu quả.
Hệ thống WiMAX cung cấp kết nối băng rộng vô tuyến với ba loại hình: cố định, mang xách và di động Người dùng có thể di chuyển trong khi kết nối, với khả năng phủ sóng rộng rãi, từ việc sử dụng cố định cho đến di chuyển với tốc độ đi bộ.
17 sóng của một trạm anten phát lên đến 50km dưới các điều kiện tầm nhìn thẳng (LOS) và bán kính lên tới 8km không theo tầm nhìn thẳng (NLOS)
- WIMAX có 2 mô hình ứng dụng là cố định và di động:
+ Mô hình ứng dụng WIMAX cố định (Fixed WIMAX)
Mô hình cố định sử dụng các thiết bị theo tiêu chuẩn IEEE.802.16-2004
Tiêu chuẩn "không dây cố định" sử dụng anten cố định tại nhà thuê bao, thường đặt trên nóc nhà hoặc cột tháp giống như chảo vệ tinh Tiêu chuẩn IEEE 802.16-2004 cho phép đặt anten trong nhà, nhưng tín hiệu thu sẽ kém hơn so với anten ngoài trời Băng tần hoạt động được quy định trong khoảng 2,5GHz hoặc 3,5GHz với độ rộng băng tầng 3,5MHz Trong mạng cố định, WiMAX cung cấp kết nối không dây đến các modem cáp, các đôi dây thuê bao của mạch xDSL, mạch Tx/Ex và mạch OC-x.
WiMAX cố định phục vụ đa dạng người dùng, bao gồm xí nghiệp, khu dân cư nhỏ, mạng WLAN công cộng kết nối với mạng đô thị, trạm gốc BS của mạng di động, và các mạch điều khiển trạm BS Người dùng WiMAX có thể phân bố rộng rãi tại các khu vực nông thôn và vùng sâu, nơi khó tiếp cận với mạng cáp hữu tuyến.
+ WIMAX di động (Mobile WIMAX)
Mô hình WiMAX di động sử dụng thiết bị theo tiêu chuẩn IEEE802.16e, được phê duyệt vào năm 2005, nhằm phục vụ người dùng cá nhân di động trong băng tần dưới 6GHz Tiêu chuẩn 802.16e mở rộng từ 802.16-2004, cho phép kết hợp với WLAN và mạng di động 3G, tạo thành mạng di động với vùng phủ sóng rộng Các nhà cung cấp viễn thông hy vọng sẽ hợp tác để phát triển mạng lưới này.
Để triển khai mạng viễn thông số truy cập không dây với phạm vi phủ sóng rộng, cần thực hiện 18 tác động nhằm đáp ứng nhu cầu đa dạng của người sử dụng.
WIMAX di động sở hữu những đặc điểm tương tự như EV-DO và HSxPA, giúp tăng tốc độ truyền thông Các tính năng nổi bật bao gồm mã hóa và điều chế thích nghi (AMC), kỹ thuật sửa lỗi bằng dò lặp (HARQ), phân bố nhanh (Fast Scheduling) và khả năng chuyển giao mạng (Handover) hiệu quả.
Mô hình hệ thống
Mô hình phủ sóng mạng WiMAX tương tự như một mạng điện thoại di động được cho trên hình 1.1
Máy tính cá nhân Điện thoại
Toà nhà 1 Điện thoại VoIP
Hình 1.1 Mô hình hệ thống WiMAX
- Một hệ thống WiMAX được mô tả như hình trên gồm có 2 phần :
+ Trạm phát: giống như các trạm BTS trong mạng thông tin di động với công suất lớn
+ Trạm thu: có thể là các anten nhỏ như các loại card mạng tích hợp (hay gắn thêm) trên các mainboard của máy tính như WLAN
Các trạm phát WiMAX kết nối với Internet qua các đường truyền tốc độ cao hoặc liên kết với các trạm trung chuyển thông qua đường truyền trực xạ, cho phép phủ sóng đến những khu vực xa.
Hình 1.2 Miền Fresnel trong trường hợp LOS
Các anten thu phát có thể trao đổi thông tin qua qua các đường truyền
Trong truyền thông không gian, có hai loại truyền tín hiệu là LOS (Line of Sight) và NLOS (Non-Line of Sight) Trong trường hợp LOS, các anten được lắp đặt cố định tại các vị trí cao, giúp tín hiệu ổn định và đạt tốc độ truyền tối đa Băng tần sử dụng trong trường hợp này có thể lên đến tần số cao khoảng 66GHz.
Tần số 20 GHz ít bị giao thoa với các kênh tín hiệu khác và có băng thông sử dụng lớn Đường truyền LOS yêu cầu miền Fresnel thứ nhất không có chướng ngại vật; nếu không, cường độ tín hiệu sẽ giảm đáng kể Kích thước miền Fresnel phụ thuộc vào tần số hoạt động và khoảng cách giữa trạm phát và trạm thu.
Trong trường hợp truyền NLOS, hệ thống sử dụng băng tần thấp hơn 2-
Tín hiệu 11GHz, giống như WLAN, có khả năng vượt qua các vật cản thông qua các hiện tượng như phản xạ, nhiễu xạ và tán xạ để đến đích Tại điểm thu, các tín hiệu nhận được bao gồm sự tổng hợp từ nhiều thành phần khác nhau, bao gồm đường đi trực tiếp, các đường phản xạ, năng lượng tán xạ và thành phần nhiễu xạ Những tín hiệu này có những đặc điểm khác nhau về khoảng trễ, suy giảm, phân cực và trạng thái ổn định liên quan đến đường truyền trực tiếp.
Hình 1.3 Truyền sóng trong trường hợp NLOS
Hiện tượng truyền sóng đa đường gây ra sự thay đổi phân cực tín hiệu, làm cho việc sử dụng và tái sử dụng tần số trong triển khai LOS trở nên khó khăn trong các ứng dụng NLOS Việc chỉ đơn giản tăng công suất phát để vượt qua các chướng ngại vật không phải là giải pháp công nghệ cho NLOS Điều kiện phủ sóng của cả LOS và NLOS bị ảnh hưởng bởi đặc tính truyền sóng của môi trường, tổn hao trên đường truyền và quỹ công suất của đường truyền vô tuyến.
Các ưu và nhược điểm của công nghệ WiMAX
1.4.1 Một số ưu điểm chính của công nghệ WiMAX
- Lớp vật lí của WiMAX dựa trên nền kĩ thuật OFDM (ghép kênh phân tần trực giao)
Kỹ thuật này giảm thiểu hiệu ứng phân tán đa đường, giúp WiMAX hoạt động hiệu quả trong môi trường không có tầm nhìn trực tiếp (NLOS), từ đó mở rộng độ bao phủ Nhờ vậy, khoảng cách giữa trạm thu và trạm phát có thể đạt tới 50km.
Kỹ thuật OFDM cho phép các sóng mang con chồng lấn lên nhau, giúp tiết kiệm băng thông và tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên Với phổ tín hiệu 10MHz hoạt động ở chế độ TDD và tỉ số đường xuống/đường lên là 3:1, tốc độ đỉnh có thể đạt tới 25Mbps cho đường xuống và 6.7Mbps cho đường lên.
- Hệ thống WiMAX có công suất cao
Trong WiMAX, tín hiệu được truyền qua hai hướng: hướng lên (uplink) và hướng xuống (downlink), với tần số hướng lên thấp hơn hướng xuống, cả hai đều áp dụng kỹ thuật OFDM OFDM cho phép sử dụng tối đa 2048 sóng mang, trong đó 1536 sóng mang được phân bổ cho thông tin và chia thành 32 kênh con, mỗi kênh con tương đương 48 sóng mang Ngoài ra, WiMAX còn áp dụng các phương pháp điều chế nhiều mức thích ứng từ BPSK, QPSK đến 256-QAM, kết hợp với các kỹ thuật sửa lỗi như ngẫu nhiên hóa, mã hóa sửa lỗi Reed Solomon.
22 xoắn tỉ lệ mã từ 1/2 đến 7/8, làm tăng độ tin cậy kết nối với hoạt động phân loại sóng mang và tăng công suất qua khoảng cách xa hơn
+ Ngoài ra WiMAX còn cho phép sử dụng công nghệ TDD và FDD cho việc phân chia truyền dẫn hướng lên và hướng xuống
- Lớp MAC dựa trên nền OFDMA (Orthogonal Frequency Division
Công nghệ truy nhập đa người dùng OFDM (OFDMA) trong WiMAX cho phép chia băng tần từ 5MHz đến trên 20MHz thành nhiều băng con 1.75MHz, giúp nhiều thuê bao truy cập đồng thời một hoặc nhiều kênh linh hoạt và hiệu quả OFDMA điều chỉnh tốc độ dữ liệu tương ứng với băng thông bằng cách thay đổi số mức FFT ở lớp vật lý, với các hệ thống WiMAX sử dụng biến đổi FFT 128 bit, 512 bit, và 1024 bit tương ứng với băng thông kênh truyền 1.25MHz, 5MHz, và 10MHz, tạo điều kiện thuận lợi cho người dùng kết nối giữa các mạng có băng thông khác nhau.
- Chuẩn cho truy cập vô tuyến cố định và di động tương lai
WiMAX, được phát triển bởi diễn đàn WiMAX, dựa trên chuẩn 802.16 của IEEE, là hệ thống truy cập vô tuyến băng rộng cho cả di động và cố định Các sản phẩm và thiết bị phần cứng sẽ được diễn đàn WiMAX chứng nhận để đảm bảo tính tương thích với HiperLAN của ETSI và WiFi.
+ Hỗ trợ các kĩ thuật anten: phân tập thu phát, mã hoá không gian, mã hoá thời gian
+ Hỗ trợ kĩ thuật hạ tầng mạng trên nền IP: QoS (trong các dịch vụ đa phương tiện, thoại), ARQ (giúp bảo đảm độ tin cậy kết nối), …
+ Thiết lập, cài đặt dịch vụ WiMAX dễ dàng sẽ giảm chi phí cho nhà cung dịch vụ cũng như khách hàng
Cần tạo điều kiện thuận lợi cho sự phát triển dịch vụ truyền thông đa phương tiện tại các vùng sâu, vùng xa, nơi mà hạ tầng mạng băng rộng gặp khó khăn Điều này sẽ giúp khắc phục những hạn chế của đường truyền Internet DSL và cáp, góp phần nâng cao chất lượng kết nối và thông tin tại những khu vực này.
CPE vô tuyến cố định có thể sử dụng chipset modem giống như trong máy tính cá nhân và PDA, cho phép lắp đặt dễ dàng trong nhà Các modem này tương tự như cáp và DSL, và các trạm gốc cũng sử dụng chipset chung thiết kế cho điểm truy cập WiMAX chi phí thấp Sự gia tăng số lượng chipset tần số vô tuyến (RF) giúp giảm chi phí đầu tư và nâng cao khả năng tích hợp.
1.4.2 Một số nhược điểm của công nghệ WiMAX
- Dải tần WiMAX sử dụng không tương thích tại nhiều quốc gia, làm hạn chế sự phổ biến công nghệ rộng rãi
- Do công nghệ mới xuất hiện gần đây nên vẫn còn một số lỗ hổng bảo mật
Despite being referred to as a technology standard, the current situation reveals that there are nearly 10 different technology standards in use According to the WiMAX forum, only about 12 companies have developed certified WiMAX standards, including Alvarion, Selex Communication, Airspan, Proxim Wireless, Redline, Sequans, Siemens, SR Telecom, Telsim, Wavesat, Aperto, and Axxcelera.
Mặc dù nhiều hãng sản xuất thiết bị đầu cuối như Intel, Alcatel, Alvarion và Motorola đang tích cực nghiên cứu và phát triển, nhưng giá thành sản phẩm vẫn còn ở mức cao.
Công nghệ WiMAX bắt nguồn từ Mỹ, nhưng chưa có thông tin chính thức về cách Mỹ áp dụng công nghệ này và khắc phục các sự cố liên quan Tại Việt Nam, VNPT đã triển khai WiMAX ở một số tỉnh miền núi với sự hợp tác từ các nhà thầu nước ngoài như Motorola và Alvarion.
Tại Bắc, đặc biệt là ở Lào Cai, hiện chỉ có các điểm truy cập Internet tại Bưu điện tỉnh và huyện Tuy nhiên, chưa có kết luận chính thức về hiệu quả đáng kể của hệ thống này.
Cấu trúc của WiMAX
- Về cấu trúc phân lớp, hệ thống WiMAX được phân chia thành 4 lớp:
+ Lớp con tiếp ứng (convergence) làm giữ vai trò giao diện giữa lớp đa truy nhập và các lớp bên trên
+ Lớp đa truy nhập ( MAC layer)
+ Lớp vật lý (physical layer)
Các lớp này tương đương với 2 lớp dưới cùng cùng của mô hình OSI, được tiêu chuẩn hoá để giao tiếp với nhiều ứng dụng lớp trên
1.5.1 Các đặc tính của lớp vật lý ( PHY)
- Có 3 kiểu lớp vật lý ( PHY) được đưa ra trong chuẩn 802.16:
+ WirelessMAN PHY SC: Sử dụng điều chế đơn sóng mang
WirelessMAN PHY sử dụng công nghệ OFDM với 256 điểm FFT, cho phép ghép kênh phân chia theo tần số trực giao Đây là yêu cầu cần thiết để hoạt động trong các băng tần miễn cấp phép.
WirelessMAN PHY OFDMA sử dụng công nghệ đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao với 2048 điểm FFT, cho phép gửi một tập con nhiều sóng mang đến các máy thu riêng biệt Hệ thống này dựa trên chuẩn 802.16c, hoạt động trong băng tần 11-66GHz Trạm gốc (Base Station - BS) chỉ cần một anten đẳng hướng để truyền dữ liệu xuống các người dùng thông qua mã số nhận dạng kết nối (Connection Identifier - CID) Các máy thu (Subscriber Station - SS) sử dụng anten định hướng để nhận tín hiệu từ các trạm phát Tín hiệu xử lý phía máy phát bao gồm các bước ngẫu nhiên hóa, mã hóa sửa lỗi và sắp xếp các ký hiệu.
Trước khi truyền tín hiệu, việc sửa dạng xung (pulse shaping) và ngẫu nhiên hoá là cần thiết để đảm bảo khôi phục tín hiệu ở đầu thu Nếu tín hiệu không được mã hoá ngẫu nhiên, năng lượng có thể tập trung tại một số tần số nhất định, gây nguy hiểm cho máy thu Bộ dao động VCO có thể khoá pha tại các tần số này thay vì sóng mang, dẫn đến không giải điều chế được và mất thông tin Bộ mã hoá sửa lỗi FEC, bao gồm mã Reed Solomon, mã chập và có thể thêm mã kiểm tra chẵn lẻ hay mã xoắn turbo, giúp cải thiện độ tin cậy của dữ liệu Tỉ lệ mã phụ thuộc vào điều kiện kênh truyền và tỉ số bít lỗi (BER) Các kĩ thuật điều chế phổ biến như QPSK, 16-QAM và đôi khi 64-QAM được áp dụng cho kết nối vi ba điểm - điểm (PPP) và điểm - đa điểm (PMP), tiết kiệm thời gian và chi phí so với lắp đặt cáp.
Tập chuẩn 802.16a hỗ trợ WirelessMAN PHY SC cho băng tần dưới 11GHz và hoạt động trong điều kiện NLOS Các thiết bị đầu cuối (SS) có thể là máy tính kết nối với modem và anten đẳng hướng Chuẩn này cũng cho phép song công TDD và FDD, tương tự như 802.16c, đồng thời áp dụng các kỹ thuật cân bằng và ước lượng kênh để cải thiện hiệu ứng đa đường Để nâng cao chất lượng tín hiệu, chuẩn này sử dụng TCM, FEC, ghép xen, hệ thống anten thích ứng (AAS) và mã hóa không gian thời gian (STC).
WirelessMAN 256 là công nghệ mạng không dây dựa trên tiêu chuẩn 802.16d, cung cấp dịch vụ kết nối băng rộng trong nhà Các thiết bị trạm khách (SS) là anten di động có thể sử dụng trong nhà với tốc độ thấp Công nghệ OFDM cho phép kết nối không có đường nhìn (NLOS) dưới 11GHz, đồng thời loại bỏ khối cân bằng trong bộ thu Bên cạnh đó, các kỹ thuật hỗ trợ như FEC cũng được áp dụng để nâng cao hiệu suất kết nối.
Reed-Solomon, AAS, STC, ghép xen; thời gian kí hiệu và số điểm FFT có thể thay đổi cho phù hợp với băng thông tương ứng
WirelessMAN OFDMA 2048 sóng mang có nhiều ưu điểm vượt trội so với WirelessMAN 256 sóng mang, dựa trên chuẩn 802.16e (2005) với hỗ trợ OFDMA ở lớp vật lý Công nghệ này cho phép người dùng di chuyển với tốc độ lên tới gần 125 km/s, sử dụng các phương pháp mã hóa kênh như mã xoắn, mã xoắn turbo, mã khối, và mã kiểm tra chẵn lẻ mật độ thấp (LDPC) Dữ liệu được ngẫu nhiên hóa và ghép xen để giảm thiểu tổn thất trong quá trình khôi phục và lỗi cụm Bên cạnh kỹ thuật AAS, hệ thống còn áp dụng phân tập thu phát MIMO để nâng cao hiệu suất truyền tải.
1.5.2 Các đặc tính của lớp truy nhập (MAC)
Chuẩn 802.16 của IEEE đưa ra cùng một lớp MAC cho tất cả lớp
Lớp MAC trong WiMAX sử dụng phương thức kết nối điểm - đa điểm và khác biệt hoàn toàn so với WiFi WiMAX hỗ trợ cả truyền song công FDD và TDD, áp dụng kỹ thuật TDMA/OFDMA, cho phép linh hoạt điều chỉnh băng thông và tốc độ truyền tải dữ liệu Trong khi WiFi có các trạm truy cập ngẫu nhiên tới điểm truy cập, dẫn đến giảm thông lượng mạng do khoảng cách khác nhau, lớp MAC của 802.16 có lịch trình hoạt động cố định cho từng thuê bao, chỉ yêu cầu cạnh tranh kênh một lần khi gia nhập mạng Sau đó, mỗi trạm được gán một khe thời gian, có thể điều chỉnh trong quá trình truyền dẫn, giúp duy trì ổn định cho chế độ truyền tải.
Việc quản lý 27 trường hợp quá tải và số lượng thuê bao vượt quá giới hạn cho phép có thể nâng cao hiệu quả sử dụng băng tần Thuật toán lịch trình giúp trạm phát gốc điều khiển chất lượng dịch vụ (QoS) bằng cách cân bằng nhu cầu truyền thông giữa các thuê bao.
Hình 1.4 Phân lớp của WiMAX so với mô hình OSI
Các chuẩn của WIMAX
Chuẩn 802.16 được tạo ra với mục đích là tạo ra những giao diện
Giao diện không dây sử dụng một giao thức MAC (Media Access Control) chung, với kiến trúc mạng cơ bản của 802.16 bao gồm một trạm phát (BS - Base Station) và các trạm người sử dụng (SS - Subscriber Station).
Trong một vùng phủ sóng, trạm gốc (BS) sẽ quản lý toàn bộ lưu lượng dữ liệu (Traffic), điều này có nghĩa là không có sự giao tiếp trực tiếp giữa hai điểm truy cập (SS) Kết nối giữa trạm gốc và điểm truy cập sẽ được thiết lập thông qua một kênh truyền dẫn.
Kiến trúc phân lớp của WiMAX
Kênh Uplink cho phép nhiều SS chia sẻ thông tin, trong khi kênh Downlink có tính chất phát sóng (Broadcast) Khi không có vật cản giữa BS và SS (Line of sight), thông tin được truyền tải qua băng tần cao Ngược lại, trong trường hợp có nhiễu, thông tin sẽ được truyền qua băng tần thấp để đảm bảo chất lượng kết nối.
1.6.2 Các chuẩn bổ sung (Amendments) của WIMAX
Chuẩn 802.16a hoạt động trên băng tần từ 2-11 GHz, là băng tần được ưa chuộng nhất nhờ khả năng truyền tín hiệu vượt qua các chướng ngại vật Chuẩn này cũng hỗ trợ triển khai mạng Mesh, cho phép các thiết bị cuối (Terminal) giao tiếp với trạm gốc (BS) thông qua các thiết bị khác, từ đó mở rộng vùng phủ sóng của BS.
Chuẩn 802.16b hoạt động trên băng tần 5-6GHz, nhằm cung cấp dịch vụ chất lượng cao (QoS) Chuẩn này ưu tiên truyền thông tin cho các ứng dụng video, thoại và real-time thông qua các lớp dịch vụ khác nhau (Class of Service).
- Chuẩn 802.16c: Chuẩn này định nghĩa sóng các Profile mới cho dải băng tần từ 10-66 Ghz với mục đích cải tiến Interoperability
- Chuẩn 802.16d: Có một số cải tiến nhỏ so với 802.16a Chuẩn này được chuẩn hoá 2004 Các thiết bị Pre-WIMAX có trên thị trường là dựa vào chuẩn này
Chuẩn 802.16e đang trong giai đoạn hoàn thiện và chuẩn hóa, nổi bật với khả năng cung cấp dịch vụ di động Vận tốc di chuyển tối đa cho phép người dùng sử dụng dịch vụ này lên đến 100 km/h.
Ngoài ra, còn có nhiều chuẩn bổ sung khác đang được triển khai hoặc đang trong giai đoạn chuẩn hoá như 802.16g, 802.16f, 802.16h…
So sánh WiMAX với WiFi
Sự khác biệt chính giữa WiMAX và WiFi nằm ở mục đích thiết kế của chúng; WiFi là công nghệ mạng LAN nội hạt nhằm tăng cường tính di động cho mạng hữu tuyến, trong khi WiMAX được phát triển để cung cấp dịch vụ truy cập không dây băng rộng cho mạng thành phố Do đó, WiFi hỗ trợ truyền dẫn trong khoảng cách hơn trăm mét, còn WiMAX có thể phục vụ người dùng trong bán kính lên đến hàng chục kilômét.
WiMAX và WiFi có sự khác biệt rõ rệt về công nghệ liên kết vô tuyến và phạm vi truyền dẫn Chuẩn IEEE802.11 WLAN hoạt động trong băng tần không cấp phép 2.4 hoặc 5GHz, trong khi WiMAX sử dụng dải tần rộng hơn từ 2-11GHz, bao gồm cả băng tần cấp phép và không cấp phép WiMAX có khả năng lựa chọn tần số động để tìm kiếm kênh chưa sử dụng, giúp giảm nhiễu ở các vùng xa Hệ thống WiMAX sử dụng kỹ thuật ghép kênh phân chia theo thời gian (TDD) và ghép kênh phân chia theo tần số (FDD) cho kênh đường lên và đường xuống, trong khi WiFi chủ yếu là các hệ thống TDD hoạt động trên cơ sở tranh chấp, dẫn đến việc tất cả các mạng WiFi là bán song công WiFi sử dụng hai công nghệ truyền dẫn vô tuyến cơ bản, trong đó 802.11b là một ví dụ điển hình.
Công nghệ khóa mã hóa bổ sung (CCK) sử dụng 30 nghệ trải phổ tuần tự trực tiếp, với luồng bit được xử lý bằng mã đặc biệt và điều chế qua QPSK Các chuẩn 802.11a và 802.11g áp dụng OFDM, trong khi đầu phát mã hóa luồng bit trên 64 sóng mang với BPSK, QPSK hoặc 16-QAM, 64-QAM Đầu thu không cần nhận tất cả sóng mang con để khôi phục thông tin, do một số dữ liệu là không cần thiết WiMAX ứng dụng OFDM và OFDMA để nâng cao quy mô và tốc độ mạng, tương tự như WiFi, cả hai đều sử dụng điều chế thích ứng và hiệu chỉnh lỗi trước (FEC) để tối ưu hóa tốc độ truyền và hiệu suất Khi tín hiệu vô tuyến suy giảm hoặc nhiễu, tỷ lệ lỗi tăng lên, và điều chế thích ứng cho phép đầu phát tự động điều chỉnh để cải thiện hiệu suất Mặc dù chuẩn 802.11b ban đầu không có FEC, nhưng FEC mã xoắn đã được tích hợp trong 802.11a và 802.11g, trong khi WiMAX sử dụng cả hai hệ thống FEC mã xoắn và Reed-Solomon.
WiMAX hỗ trợ nhiều công nghệ vô tuyến hiện đại như anten thông minh, giúp giảm nhiễu và nâng cao tốc độ truyền Kết hợp với công nghệ MIMO cho đầu phát và đầu thu đa dạng, WiMAX cải thiện phạm vi bao phủ mạng Tốc độ truyền dữ liệu của WiMAX có thể đạt tới 100Mbps trong một kênh 20MHz, với tốc độ duy trì là 70Mbps, trong khi WiFi chỉ hỗ trợ tốc độ tối đa 54Mbps.
Lớp MAC của WiMAX và WiFi hoàn toàn khác nhau Đối với
WiMAX là giao thức lớp MAC cho phép chia sẻ kênh vô tuyến giữa hàng trăm người dùng mà vẫn duy trì chất lượng dịch vụ (QoS) Công nghệ này áp dụng kỹ thuật yêu cầu cấp phát nhằm loại trừ các tranh chấp đường lên, hỗ trợ độ trễ nhất quán cho thoại và độ trễ biến đổi cho các dịch vụ dữ liệu.
Giao thức ARQ trong WiFi sử dụng yêu cầu truyền lại tự động, trong khi giao thức MAC của WiFi, gọi là CSMA/CA, hoạt động dựa trên cơ sở tranh chấp Trong mạng WLAN, các trạm phát và thu trên cùng một kênh vô tuyến, nhưng không thể lắng nghe khi đang gửi, dẫn đến khó khăn trong việc phát hiện xung đột Để giải quyết vấn đề này, WiFi sử dụng chức năng điều khiển phân tán (DCF) với hệ thống khoảng thời gian đợi và bộ đếm thời gian lùi nhằm giảm thiểu xung đột Khi kênh được cho là rỗi, trạm WiFi mới thực hiện phát sóng, và nếu không nhận được xác nhận, nó sẽ thử lại sau một khoảng thời gian ngẫu nhiên Xung đột gia tăng khi lưu lượng tăng hoặc trong tình trạng node ẩn Ngược lại, trong mạng WiMAX, giao thức yêu cầu chấp nhận giúp điều khiển truy cập đường lên, nơi người dùng phải gửi yêu cầu trên kênh truy cập tranh chấp, và chỉ có một trạm được phép gửi tại một thời điểm, do đó không xảy ra xung đột WiMAX hỗ trợ nhiều mức QoS và có thể cung cấp bốn loại dịch vụ cơ bản, trong khi chuẩn 802.11j của WiFi cũng hỗ trợ QoS với hai kiểu hoạt động nhằm cải thiện dịch vụ thoại.
- Mở rộng đa môi trường WiFi (WME)
Đa môi trường được lập lịch WiFi (WSM) WME sử dụng giao thức truy nhập điều khiển phân tán nâng cao (EDCA), một phiên bản cải tiến của DCF EDCA định nghĩa 8 mức ưu tiên, giúp tối ưu hóa việc quản lý băng thông và cải thiện hiệu suất mạng.
Truy cập EDCA là một giao thức tranh chấp tương tự như DCF, nhưng với sự khác biệt trong cách quản lý ưu tiên Trong khi DCF sử dụng cùng một giá trị cho tất cả các trạm, EDCA phân bổ khoảng thời gian đợi và bộ đếm lùi khác nhau cho từng mức độ ưu tiên truy cập Điều này cho phép các truyền dẫn có độ ưu tiên cao hơn được gán thời gian chờ ngắn hơn, giúp giảm thiểu xung đột trên kênh Ngoài ra, chuẩn còn hỗ trợ kiểu packet-bursting, cho phép các điểm truy cập hoặc trạm di động dự trữ kênh và gửi từ 3 đến 5 gói tin một cách tuần tự.
WiMAX và WiFi sẽ đồng hành cùng nhau, trở thành những công nghệ bổ sung cho các ứng dụng khác nhau WiMAX không nhằm thay thế WiFi, mà ngược lại, nó mở rộng phạm vi phủ sóng của WiFi và cải thiện trải nghiệm người dùng.
Công nghệ WiFi và WiMAX phục vụ cho các mục đích khác nhau trong kết nối không dây, với WiFi tối ưu cho mạng nội bộ (LAN) và WiMAX cho mạng thành phố (MAN) Từ năm 2008 đến 2010, cả hai chuẩn 802.16 và 802.11 được kỳ vọng sẽ được tích hợp vào các thiết bị như laptop và PDA, cho phép người dùng kết nối trực tiếp tại nhà, văn phòng và khi di chuyển Mặc dù cả hai công nghệ đều hướng tới việc cung cấp kết nối không dây, WiMAX có một số ưu điểm vượt trội so với WiFi trong việc mở rộng phạm vi và khả năng phục vụ.
- Sai số tín hiệu truyền nhận ít hơn
- Khả năng vượt qua vật cản tốt hơn
- Số thiết bị sử dụng kết nối lớn hơn hàng trăm so với hàng chục trong WiFi
- Lớp vật lý MAC (Medium Access Control) dùng trong WiMAX dựa trên kỹ thuật phân chia theo khe thời gian cho phép đồng nhất băng
33 tần giữa các thiết bị (TDMA) hiệu quả hơn sơ với WiFi (sử dụng CSMA-
CA rất gần CSMA-CD sử dụng trong mạng Ethernet) Chính vì vậy phổ sóng vô tuyến sẽ đạt được tốt hơn
Mạng WiMAX không thể thay thế WiFi trong các ứng dụng, nhưng nó đóng vai trò bổ sung quan trọng trong việc hình thành mạng không dây Xu hướng hiện nay là cải thiện phạm vi phủ sóng một cách hiệu quả Kỹ thuật nổi bật trong lĩnh vực này là tối ưu hóa không gian, tích hợp với các công nghệ hiện tại, đồng thời chú trọng đến các yếu tố như công suất tiêu thụ thấp, phạm vi lớn và tốc độ truyền dữ liệu cao Để đảm bảo chất lượng mạng không dây, cần chú ý đến việc kiểm soát độ trễ trong quá trình truyền tải và hỗ trợ các dịch vụ như thoại và video.
WiMAX và WiFi được ứng dụng trong các môi trường khác nhau, với WiMAX không chỉ tập trung vào việc mở rộng phạm vi phủ sóng mạng di động mà còn hướng tới các mạng công cộng Một trong những mục tiêu phát triển quan trọng của WiMAX là cải thiện kết nối cho mạng VoIP trong tương lai gần.
Các dải tần áp dụng
- Các dải tần cấp phép 11-66 GHz
Dải tần từ 11-66 GHz hoạt động hiệu quả trong các môi trường vật lý với bước sóng ngắn và tầm nhìn thẳng (LOS), đồng thời ảnh hưởng của đa đường là không đáng kể Độ rộng băng tần của kênh trong dải tần này thường là 25 MHz hoặc 28 MHz Trong dải tần này, giao diện vô tuyến sử dụng kiểu điều chế sóng mang đơn WirelessMAN SC.
- Các dải tần cấp phép dưới 11 GHz
Các tần số dưới 11 GHz hoạt động hiệu quả trong các môi trường vật lý với bước sóng lớn hơn, cho phép chấp nhận điều kiện không cần đường ngắm (NLOS) và đa đường lớn hơn Tần số này cũng hỗ trợ tốt cho các kết nối đường ngắm gần (LOS).
Bảng 1.1 Đặc tính của các giao diện vô tuyến
Các dải tần dưới 11 GHz, chủ yếu từ 5-6 GHz, được nhiều quốc gia cho phép sử dụng mà không cần cấp phép Băng tần này cho phép công suất cao hơn so với các đoạn băng tần khác trong dải.
5GHz (5125-5250 MHz) thường được sử dụng trong các ứng dụng trong nhà Băng tần này thích hợp để triển khai WiMax cố định, độ rộng kênh là 10 MHz
Giao diện Khả năng áp dụng
Các tuỳ chọn Phương thức song công
WirelessMAN-SC TM 11-66 GHz TDD, FDD
TM Các băng tần dưới
WirelessMAN-OFDM TM Các băng tần dưới
WirelessMAN-OFDMA Các băng tần dưới
WirelessHUMAN TM Các băng tần dưới 11
GHz được miễn cấp phép
Ứng dụng của WiMAX
WiMAX cung cấp cho các doanh nghiệp giải pháp truy cập băng rộng với chi phí hợp lý, đặc biệt hữu ích cho những khu vực không có hạ tầng cáp Việc triển khai hệ thống WiMAX tạo ra sự cạnh tranh mới trên thị trường, giúp giảm giá dịch vụ và cho phép doanh nghiệp thiết lập mạng riêng Điều này rất quan trọng đối với các ngành như khí đốt, mỏ, nông nghiệp, vận tải và xây dựng tại những vị trí xa xôi Đối với hộ gia đình ở vùng nông thôn, nơi dịch vụ DSL và cáp chưa tiếp cận, WiMAX mang lại khả năng truy cập băng rộng, đặc biệt là ở các nước đang phát triển với hạ tầng viễn thông còn hạn chế.
Công nghệ WiMAX đã cách mạng hóa phương pháp truyền thông, mang lại sự tự do cho người dùng di động với khả năng kết nối thoại, dữ liệu và dịch vụ hình ảnh Người dùng có thể di chuyển từ nhà đến xe và đến công sở hay bất kỳ đâu trên thế giới mà không cần dây nối WiMAX hỗ trợ nhiều ứng dụng phân cấp, được chia thành hai loại chính: mạng công cộng và mạng riêng.
Mạng riêng, được thiết kế cho tổ chức, cơ quan hoặc doanh nghiệp, cung cấp kết nối thông tin chuyên dụng, đảm bảo chuyển giao tin cậy cho thoại, dữ liệu và hình ảnh Việc triển khai mạng riêng thường đơn giản và nhanh chóng, với các cấu hình phổ biến là điểm tới điểm hoặc điểm tới đa điểm.
1.9.1.1 Chuyển về các nhà cung cấp dịch vụ vô tuyến
Các nhà cung cấp dịch vụ vô tuyến (WSPs) triển khai thiết bị WiMAX để chuyển tải lưu lượng từ trạm gốc đến các mạng truy cập của họ, như thể hiện trong hình 1.5.
Hình 1.5 Minh hoạ chuyển về nhà cung cấp dịch vụ
Các mạng truy cập dựa trên WiFi, WiMAX hoặc công nghệ truy cập vô tuyến độc quyền thường được xem như một hot zone khi sử dụng thiết bị WiFi Với khả năng cung cấp thoại, dữ liệu và hình ảnh, đặc điểm QoS của WiMAX giúp tối ưu hóa dung lượng chuyển về Việc triển khai thiết bị WiMAX nhanh chóng hỗ trợ cho sự ra mắt của mạng WSP Tuy nhiên, việc chuyển về thuê từ công ty điện thoại địa phương có thể làm tăng chi phí hoạt động, trong khi giải pháp cáp quang đòi hỏi chi phí cao và thời gian triển khai đáng kể, ảnh hưởng đến việc giới thiệu dịch vụ mới Hơn nữa, cáp quang và DSL thường không mang lại lợi nhuận ở vùng nông thôn và ngoại thành, trong khi công nghệ DSL và cáp không đáp ứng được dung lượng cần thiết cho các mạng này.
Các ban phụ trách trường học có thể sử dụng mạng WiMAX để kết nối các trường với trụ sở ban trong một quận, đáp ứng các yêu cầu như không có đường nhìn (NLOS), băng thông cao (>15 Mbps), khả năng kết nối điểm tới điểm và điểm tới đa điểm, cùng với độ phủ rộng Mạng giáo dục dựa trên WiMAX sử dụng QoS để đảm bảo thực hiện đầy đủ các yêu cầu thông tin liên lạc, bao gồm hệ thống thoại, hoạt động dữ liệu như báo cáo sinh viên, email, truy cập internet, intranet, và giáo dục từ xa giữa trụ sở ban và các trường trong vùng, cũng như giữa các trường với nhau.
Giải pháp WiMAX mang lại vùng phủ sóng rộng, đặc biệt có lợi cho các trường học ở nông thôn với hạ tầng thông tin liên lạc hạn chế Khi các ban phụ trách trường sở hữu và vận hành mạng riêng, họ có thể linh hoạt đáp ứng các thay đổi về vị trí và bố trí tiện ích, từ đó giảm thiểu đáng kể chi phí vận hành.
Giải pháp có dây thường không đáp ứng được nhu cầu triển khai nhanh chóng và chi phí thấp cho các mạng giáo dục, trong khi hầu hết các phiên bản DSL và công nghệ cáp không cung cấp đủ băng thông cần thiết.
Trụ sở ban trường học
Sinh viên Điện thoại VoIP
Sinh viên Điện thoại VoIP
Hình 1.6 Minh hoạ về mạng giáo dục
Các cơ quan an ninh công cộng như cảnh sát, cứu hỏa và tìm kiếm cứu nạn có thể tận dụng mạng WiMAX để cải thiện khả năng ứng phó trong các tình huống khẩn cấp.
Hệ thống cung cấp truyền thông thoại hai chiều giữa trung tâm giải quyết nhanh và các đội ứng cứu khẩn cấp, cho phép truyền tải hình ảnh video và dữ liệu từ hiện trường vụ tai nạn hoặc thảm họa về trung tâm điều khiển Dữ liệu này được tiếp sóng đến các chuyên gia cấp cứu, giúp họ phân tích tình huống trong thời gian thực như thể họ có mặt tại hiện trường WiMAX QoS cho phép mạng xử lý nhiều loại lưu lượng khác nhau, với khả năng triển khai cao Đội ứng cứu có thể thiết lập mạng vô tuyến tạm thời tại hiện trường chỉ trong vài phút và tiếp sóng lưu lượng trở về trung tâm qua mạng WiMAX hiện hành.
Các giải pháp có dây không phù hợp trong các tình huống không thể dự đoán như tai nạn và thảm họa, nơi tính di động là rất cần thiết Ví dụ, cảnh sát cần truy cập cơ sở dữ liệu từ phương tiện di chuyển, hay lính cứu hỏa cần thông tin về tuyến đường tốt nhất đến hiện trường Hệ thống camera trong xe cứu thương cũng giúp cung cấp thông tin về tình trạng bệnh nhân trước khi đến bệnh viện Trong những tình huống này, WiMAX là giải pháp lý tưởng nhờ khả năng hỗ trợ di động và băng thông cao, vượt trội hơn so với các hệ thống băng hẹp.
Trung tâm điều khiển/trụ sở chính
Thiết bị đầu cuối quản trị
Mạng WiMAX Thiết bị đầu cuối DL
Cảnh sát Thiết bị đầu cuối DL
Thiết bị đầu cuối DL
Xe cứu hoả Địa điểm xảy ra thảm hoạ/tai nạn
Hình 1.7 Minh hoạ về mạng an ninh công cộng
1.9.1.4 Các phương tiện liên lạc xa bờ
Các nhà sản xuất ga và dầu có thể tận dụng thiết bị WiMAX để thiết lập kết nối thông tin liên lạc từ các phương tiện mặt đất đến giàn khoan dầu và bệ khoan, nhằm hỗ trợ cho các hoạt động từ xa, cũng như đảm bảo các phương tiện liên lạc cơ bản và an ninh.
Các hoạt động từ xa bao gồm xử lý sự cố thiết bị phức tạp, kiểm tra định hướng địa điểm và truy cập cơ sở dữ liệu.
Các đoạn video về sự cố của các thành phần hoặc cụm lắp ráp được gửi đến đội ngũ chuyên gia trên mặt đất để phân tích Công tác an ninh bao gồm việc kiểm tra đèn cảnh báo và giám sát qua video Các phương tiện liên lạc cơ bản được sử dụng là điện thoại, email, truy cập internet và trao đổi video.
Máy tính xách tay người vận hành
Hình 1.8 Minh hoạ về mạng liên lạc xa bờ
Mạng công cộng cho phép truy cập và chia sẻ tài nguyên giữa nhiều người dùng, bao gồm cả doanh nghiệp và cá nhân Để đảm bảo lợi nhuận, mạng công cộng cần cung cấp vùng phủ sóng rộng rãi, với vị trí người dùng thường cố định hoặc có thể dự đoán Các ứng dụng chính bao gồm truyền thông thoại, dữ liệu và ngày càng nhiều truyền thông video An ninh là yếu tố quan trọng, do nhiều người dùng chia sẻ cùng một mạng, vì vậy các giải pháp như VLAN và mã hóa dữ liệu được áp dụng để bảo vệ thông tin Mạng công cộng có nhiều bối cảnh sử dụng đa dạng.
1.9.2.1 Nhà cung cấp dịch vụ vô tuyến truy cập mạng
Kết Luận chương
Chương 1 đã cung cấp cái nhìn tổng quát về công nghệ WiMAX, bao gồm cấu trúc, ưu nhược điểm và ứng dụng thực tế của nó Khi đã nắm vững kiến thức cơ bản này, chúng ta sẽ dễ dàng hơn trong việc tìm hiểu nguyên lý hoạt động và cách xử lý tín hiệu trong WiMAX ở các chương tiếp theo.
KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ OFDM
Giới thiệu chương
Kỹ thuật OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) đã trở thành một hệ thống thông tin phổ biến trong những năm gần đây, đặc biệt trong các ứng dụng thông tin tốc độ cao Được coi là tương lai của các hệ thống thông tin vô tuyến, OFDM có nhiều ưu điểm nổi bật Chương 2 sẽ trình bày các khái niệm cơ bản, ưu nhược điểm, cùng với nguyên lý điều chế và giải điều chế của kỹ thuật này, giúp chúng ta hiểu rõ hơn về ứng dụng và lợi ích của OFDM trong lĩnh vực thông tin.
Giới thiệu kỹ thuật điều chế OFDM
Kỹ thuật OFDM là kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao
Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) là một phương pháp kết hợp giữa mã hóa và ghép kênh, trong đó các tín hiệu độc lập từ các nguồn khác nhau được tổ hợp lại Trong OFDM, các tín hiệu độc lập này được biểu diễn dưới dạng các sóng mang con Quá trình bắt đầu bằng việc chia tín hiệu thành các nguồn độc lập, sau đó thực hiện mã hóa và ghép kênh để tạo ra sóng mang OFDM.
Kỹ thuật điều chế OFDM là một dạng đặc biệt của phương pháp FDM, trong đó dữ liệu được chia thành nhiều đường truyền băng hẹp với các sóng mang con (sub-carrier) trực giao Điều này cho phép phổ tín hiệu của các sóng mang phụ chồng lấn lên nhau mà vẫn đảm bảo khả năng khôi phục tín hiệu ban đầu tại đầu thu Nhờ vào sự chồng lấn này, hệ thống OFDM đạt hiệu suất sử dụng phổ cao hơn nhiều so với các kỹ thuật điều chế thông thường.
Phương pháp điều chế đa sóng mang trực giao OFDM ra đời khắc phục khả năng sử dụng phổ, kế thừa những ưu điểm của phương pháp điều chế
OFDM, hay điều chế đa sóng mang, là một phương pháp đặc biệt trong đó các sóng mang phụ được lựa chọn để trực giao với nhau, cho phép chúng chồng lấn lên nhau và tối ưu hóa hiệu quả sử dụng phổ tần số Kỹ thuật này, được ứng dụng rộng rãi trong thông tin vô tuyến, giúp giảm đáng kể băng tần cần thiết so với các kỹ thuật điều chế đơn sóng mang và đa sóng mang không trực giao Hình 2.1 minh họa rõ ràng lợi ích của việc sử dụng tài nguyên vô tuyến, đặc biệt là tần số, trong OFDM.
Kỹ thuật điều chế đa sóng mang không chồng phổ và kỹ thuật điều chế đa sóng mang chồng phổ có sự khác biệt quan trọng Trong kỹ thuật chồng phổ, người dùng có thể tiết kiệm khoảng 50% băng thông Tuy nhiên, để áp dụng kỹ thuật này, cần phải triệt tiêu nhiễu giữa các sóng mang, yêu cầu các sóng phải trực giao với nhau.
Hình 2.1 Kỹ thuật sóng mang không chồng xung (a) và kỹ thuật sóng mang chồng xung (b)
Trong OFDM, dữ liệu được chồng lên các sóng mang lân cận, giúp tăng hiệu quả sử dụng phổ Dưới những điều kiện nhất định, có thể cải thiện dung lượng hệ thống OFDM bằng cách điều chỉnh tốc độ dữ liệu trên từng sóng mang dựa vào tỷ số tín hiệu trên tạp âm (SNR) của sóng mang đó.
OFDM và FDM có nhiều điểm khác biệt quan trọng Trong khi FDM cho phép mỗi đài phát thanh truyền trên một tần số riêng biệt mà không có sự đồng bộ giữa các trạm, OFDM kết hợp tín hiệu từ nhiều trạm thành một dòng dữ liệu ghép kênh đơn Dữ liệu này được truyền qua khối OFDM, sử dụng nhiều sóng mang đồng bộ về thời gian và tần số, giúp kiểm soát can nhiễu giữa các sóng mang Các sóng mang trong OFDM chồng lấp nhau mà không gây ra can nhiễu giữa các sóng mang (ICI) nhờ vào tính chất trực giao của điều chế Ngược lại, FDM yêu cầu khoảng bảo vệ tần số lớn giữa các kênh để ngăn ngừa can nhiễu, dẫn đến hiệu quả sử dụng phổ thấp hơn Do đó, OFDM với khả năng đóng gói trực giao các sóng mang đã cải thiện đáng kể hiệu quả phổ.
Số lượng sóng mang con trong hệ thống WiMAX phụ thuộc vào độ rộng kênh và mức độ nhiễu, với kích thước FFT tương ứng Chuẩn giao tiếp vô tuyến 802.16d (2004) quy định 256 sóng mang con với kích thước FFT 256 điểm, tạo nên chuẩn Fixed WiMAX với độ rộng kênh cố định Trong khi đó, chuẩn 802.16e (2005) cho phép kích thước FFT mở rộng từ 512, mang lại tính linh hoạt hơn cho các ứng dụng.
2048 phù hợp với độ rộng kênh 5MHz đến 20MHz, hình thành chuẩn Mobile WiMAX (Scalable OFDMA), để duy trì tương đối khoảng thời
49 gian không đổi của các kí hiệu và khoảng dãn cách giữa các sóng mang với độ rộng kênh
- Dù thuật ngữ OFDM mới phổ biến rộng rãi gần đây nhưng kĩ thuật này đã được xuất hiện cách nay hơn 40 năm:
+ Năm 1966, R.W Chang đã phát minh ra kĩ thuật OFDM ở Mỹ
Năm 1971, Weisteins và Ebert đã chứng minh rằng phương pháp điều chế và giải điều chế OFDM có thể thực hiện qua biến đổi IDFT và DFT Với sự phát triển của công nghệ số, IFFT và FFT đã được áp dụng cho bộ điều chế OFDM.
+ N h ữ n g n ă m 1 9 8 0 , k ỹ t h u ậ t O F D M đ ư ợ c n g h i ê n c ứ u n h ằ m ứng dụng trong modem tốc độ cao và trong tryền thông di động
Vào những năm 1990, công nghệ OFDM đã được ứng dụng trong truyền dẫn thông tin băng rộng như HDSL, ADSL và VHDSL Sau đó, OFDM trở nên phổ biến trong lĩnh vực phát thanh số DAB và truyền hình số DVB Năm 1999, tiêu chuẩn IEEE 802.11 đã phát hành chuẩn 802.11a, cho phép OFDM hoạt động ở băng tần 5GHz UNI.
Năm 2003, IEEE đã công bố chuẩn 802.11g cho công nghệ OFDM hoạt động ở băng tần 2.4GHz, đánh dấu sự phát triển của OFDM trong các hệ thống băng rộng Điều này chứng minh tính hiệu quả của OFDM trong việc cải thiện hiệu suất truyền tải dữ liệu, đặc biệt trong các điều kiện có tỉ số S/N thấp.
Ngày nay, kỹ thuật OFDM đã được cải tiến bằng cách kết hợp với các phương pháp mã hóa kênh trong thông tin vô tuyến, tạo thành Coded OFDM Điều này có nghĩa là tín hiệu sẽ được mã hóa trước khi điều chế để giảm thiểu lỗi trên kênh truyền Do chất lượng kênh (độ fading và tỉ số S/N) khác nhau giữa các sóng mang con, tín hiệu được điều chế với các mức điều chế khác nhau, gọi là điều chế thích nghi Phương pháp này hiện đang được áp dụng trong hệ thống thông tin máy tính băng rộng HiperLAN của ETSI tại Châu Âu.
Hệ thống OFDM bắt đầu bằng việc chia dữ liệu tốc độ cao thành nhiều dòng dữ liệu song song tốc độ thấp hơn thông qua bộ chuyển đổi nối tiếp/song song (S/P) Mỗi dòng dữ liệu này được mã hóa bằng thuật toán sửa lỗi tiến (FEC) và sắp xếp theo trình tự hỗn hợp Các symbol hỗn hợp sau đó được đưa vào khối IDFT để tính toán các mẫu thời gian tương ứng với các kênh nhánh trong miền tần số Khoảng bảo vệ được chèn vào nhằm giảm nhiễu xuyên ký tự ISI trong quá trình truyền qua các kênh di động vô tuyến đa đường Cuối cùng, bộ lọc phía phát định dạng tín hiệu thời gian liên tục và chuyển đổi lên tần số cao để truyền Trong quá trình truyền, tín hiệu có thể bị ảnh hưởng bởi các nguồn nhiễu như nhiễu trắng cộng AWGN Tại phía thu, tín hiệu được chuyển xuống tần số thấp và tín hiệu rời rạc được thu nhận tại bộ lọc thu Khoảng bảo vệ được loại bỏ và các mẫu được chuyển từ miền thời gian sang miền tần số bằng phép biến đổi DFT sử dụng thuật toán FFT Tùy thuộc vào sơ đồ điều chế, sự dịch chuyển về biên độ và pha của các sóng mang nhánh sẽ được cân bằng bằng bộ cân bằng kênh.
Chèn pilot Ước lượng kênh
Loại bỏ dải bảo vệ
Khi thực hiện kênh đồng điều chỉnh (Channel Equalization), các ký hiệu hỗn hợp thu được sẽ được sắp xếp lại và giải mã, giúp tái tạo dòng dữ liệu nối tiếp ban đầu Trong quá trình này, tín hiệu OFDM và phổ OFDM đóng vai trò quan trọng, đảm bảo việc truyền tải dữ liệu hiệu quả và chính xác.
Hình 2.3 Tín hiệu và phổ OFDM
Nguyên lý điều chế OFDM
Ý tưởng OFDM cho phép truyền dẫn song song nhiều băng con chồng lấn nhau trên cùng một băng tần, tối ưu hóa hiệu quả sử dụng phổ tần Việc xếp chồng lấn này không chỉ nâng cao hiệu suất mà còn giúp phân tán lỗi khi truyền qua kênh Nhờ vào tính năng này, kết hợp với các kỹ thuật mã hóa kênh, hiệu năng hệ thống được cải thiện rõ rệt So với hệ thống FDM truyền thống, OFDM vượt trội hơn vì các băng con có thể chồng lấn mà không cần khoảng băng tần bảo vệ, dẫn đến hiệu quả sử dụng phổ tần cao hơn.
Để tách các băng con từ băng tổng chồng lấn mà không xảy ra giao thoa trong miền tần số (ICI) và giao thoa trong miền thời gian (ISI), yếu tố mấu chốt là tính trực giao của các sóng mang con Tính trực giao này cho phép truyền dẫn đồng thời nhiều băng tần con chồng lấn, nhưng vẫn đảm bảo khả năng tách biệt chúng ở phía thu Điều này không chỉ mang lại tính khả thi cao mà còn tiết kiệm chi phí nhờ vào việc sử dụng xử lý tín hiệu số và tối ưu hóa VLSI Do đó, trước hết, cần định nghĩa rõ về tính trực giao và sau đó áp dụng vào hệ thống truyền dẫn OFDM, bao gồm quá trình tạo và thu tín hiệu cũng như các điều kiện cần thiết để duy trì tính trực giao.
2.3.1 Sự trực giao của hai tín hiệu
Orthogonal trong hệ thống OFDM thể hiện mối quan hệ chính xác giữa các tần số của các sóng mang Ngược lại, trong hệ thống FDM thông thường, các sóng mang được phân cách một khoảng hợp lý để tín hiệu thu có thể được tái tạo thông qua bộ lọc và bộ giải điều chế.
Trong các hệ thống đa sóng mang, việc dự liệu các khoảng bảo vệ giữa các sóng mang là cần thiết để giảm thiểu sự can nhiễu, tuy nhiên điều này cũng làm giảm hiệu quả sử dụng phổ Tính trực giao giữa các tín hiệu là yếu tố quan trọng để đảm bảo sóng mang được định vị chính xác trong phổ điều chế Trong OFDM, các sóng mang có thể được sắp xếp sao cho dải biên của chúng chồng lên nhau mà không gây ra sự can nhiễu, miễn là chúng tuân thủ tính trực giao về mặt toán học Máy thu thực hiện việc giải điều chế và dịch tần xuống mức DC, lấy tích phân trên một chu kỳ của symbol để phục hồi dữ liệu gốc Nếu các sóng mang dịch xuống tần số tích phân đúng cách, các sóng mang sẽ độc lập tuyến tính với nhau, nhưng bất kỳ sự phi tuyến nào do can nhiễu giữa các sóng mang sẽ làm mất đi tính trực giao này.
Phần đầu của tín hiệu giúp nhận biết tính tuần hoàn của sóng, nhưng dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu xuyên ký tư (ISI) Để khắc phục điều này, phần đầu có thể được lặp lại và được gọi là tiền tố lặp (CP: Cycle Prefix).
Do tính trực giao, sóng mang con trong hệ thống OFDM không bị nhiễu bởi các sóng mang con khác Hệ thống này sử dụng kỹ thuật đa sóng mang dựa trên FFT và IFFT, giúp đạt hiệu quả không phải bằng cách lọc dải thông mà thông qua xử lý băng tần gốc.
Một cách khác để hiểu tính trực giao của tín hiệu OFDM là thông qua phổ tần số của nó Trong miền tần số, mỗi sóng mang thứ cấp OFDM có đáp tuyến tần số hình sinc (sin (x)/x), điều này xuất phát từ thời gian symbol tương ứng với nghịch đảo của sóng mang Mỗi symbol OFDM được truyền trong một khoảng thời gian cố định (TFFT), và thời gian symbol này tương ứng với nghịch đảo của khoảng cách.
Tải phụ 1/TFFT Hz tạo ra dạng sóng hình chữ nhật trong miền thời gian, dẫn đến đáp tuyến tần số sinc trong miền tần số Mỗi tải phụ có một đỉnh tại tần số trung tâm và các giá trị không được cân bằng tại các khoảng tần số cách đều nhau, tương ứng với khoảng cách sóng mang Tính trực giao trong quá trình truyền tín hiệu là kết quả của các đỉnh tải phụ Tín hiệu này được phát hiện thông qua biến đổi Fourier rời rạc (DFT).
Tín hiệu được coi là trực giao khi chúng độc lập với nhau, cho phép truyền tín hiệu hoàn hảo trên một kênh chung mà không bị can nhiễu Trong OFDM, các tải phụ được sắp xếp gần nhau nhưng vẫn duy trì tính trực giao, đạt được nhờ việc phân bổ các tín hiệu thông tin riêng biệt cho từng tải phụ Các tín hiệu OFDM được hình thành từ tổng các sóng hình sin, mỗi sóng tương ứng với một dải phụ Dải tần số cơ bản của mỗi tải phụ được chọn là bội số nguyên của thời gian symbol, dẫn đến việc các tải phụ có số chu kỳ nguyên trong một symbol và giữ được tính trực giao.
Khi hai sóng sin có cùng tần số, dạng sóng hợp thành sẽ luôn dương và giá trị trung bình không bằng không Đây là yếu tố quan trọng trong quá trình điều chế OFDM Các máy thu OFDM sử dụng kỹ thuật xử lý tín hiệu số, cụ thể là biến đổi nhanh Fourier (FFT), để chuyển đổi tín hiệu thu được từ miền tần số.
Để khắc phục hiện tượng không bằng phẳng của đáp tuyến kênh trong lý thuyết chuyển đổi chuỗi trực giao, cần sử dụng nhiều sóng mang, mỗi sóng mang chiếm một phần nhỏ băng thông Điều này giúp giảm thiểu ảnh hưởng của đáp tuyến kênh đến dữ liệu nói chung.
Số sóng mang cần được tối ưu hóa để đạt hiệu suất cao nhất, nhưng cần có khoảng bảo vệ để tránh can nhiễu giữa các sóng Việc sử dụng các sóng mang trực giao là giải pháp hiệu quả, cho phép các sóng mang trùng lắp mà không gây ra can nhiễu Các sóng mang con trong hệ thống cần được ký hiệu rõ ràng để đảm bảo tính chính xác và hiệu quả trong việc quản lý.
OFDM là si(t) và sj(t) Để đảm bảo tính trực giao cho OFDM, các hàm sin của sóng mang con phải thỏa mãn điều kiện sau :
Khoảng cách tần số giữa hai sóng mang con được ký hiệu là 1, trong khi T đại diện cho thời gian Số lượng sóng mang con được ký hiệu là N, và băng thông truyền dẫn được tính bằng N.Δf Cuối cùng, ts là thời gian dịch.
Dấu “*” trong công thức (2.1) chỉ sự liên hợp phức.Ví dụ: nếu tín hiệu là sin(mx) với m = 1,2… thì nó trực giao trong khoảng từ -π đến π
Trong toán học, số hạng trực giao liên quan đến việc nghiên cứu các vectơ Hai vectơ được coi là trực giao khi chúng vuông góc với nhau, tức là tạo thành một góc 90 độ, và tích của chúng bằng 0.
Hình 2.4 Tích của hai vectơ vuông góc bằng 0
Hình 2.5 Bộ điều chế OFDM
Giả sử băng thông hệ thống là B, chia thành Nc kênh con với chỉ số kênh con n thuộc tập hợp {−L, −L + 1, , −1, 0, 1, , L − 1, L}, dẫn đến NFFT = 2L + 1 Dòng dữ liệu đầu vào {a_l} được chia thành NFFT dòng song song, với tốc độ dữ liệu giảm đi NFFT lần qua bộ chia nối tiếp/song song Dòng bit trên mỗi luồng song song {a_l} được điều chế thành mẫu của tín hiệu phức d_k,n, trong đó n là chỉ số sóng mang phụ và i là chỉ số khe thời gian tương ứng với Nc bit song song sau bộ S/P Các mẫu tín hiệu phát d_k,n được nhân với xung cơ sở để giới hạn phổ của mỗi sóng mang, sau đó được dịch tần lên đến kênh con tương ứng bằng cách nhân với hàm phức e^(jLω_st), làm cho các tín hiệu trên các sóng mang trở nên trực giao Cuối cùng, tín hiệu sau khi nhân với xung cơ sở và dịch tần được cộng lại qua bộ tổng và được biểu diễn như mô tả.
Tín hiệu này được gọi là mẫu tín hiệu OFDM thứ k, biễu diễn tổng quát tín hiệu OFDM sẽ là: m(t)= m ' (t) k
Trước khi phát đi thì tín hiệu OFDM được chèn thêm chuỗi bảo vệ để chống nhiễu xuyên kí hiệu ISI
Phép điều chế OFDM có thể thực hiện được thông qua phép biến đổi
IDFT và phép giải điều chế OFDM có thể thực hiện được bằng phép biến đổi
DFT Thay vì sử dụng IDFT người ta có thể sử dụng phép biến đổi nhanh
Nguyên lý giải điều chế OFDM
2.4.1 Truyền dẫn phân tập đa đường
Kênh truyền dẫn phân tập đa đường được mô tả qua đáp ứng xung h(τ, t) và hàm truyền đạt H(j, t) trong toán học Đáp ứng xung thể hiện trễ truyền dẫn của kênh, tức là thời gian tín hiệu di chuyển từ máy phát đến máy thu Biến đổi Fourier của đáp ứng xung giúp xác định hàm truyền đạt của kênh.
Giả sử không có AWGN, mối liên hệ giữa tín hiệu thu u(t), tín hiệu phát m(t) và đáp ứng xung:
Hình 2.9 Mô hình kênh truyền Trong miền thời gian là tích chập của tín hiệu phát và đáp ứng xung của kênh: u(t) = m(t) * h( , t ) = h t m t d maz
2.4.2 Nguyên tắc giải điều chế
Hình 2.10 Bộ thu tín hiệu OFDM h(τ,t)
Các bước thực hiện ở đây ngược lại với phía máy phát Tín hiệu thu được sẽ trải qua quá trình tách chuỗi bảo vệ, giải điều chế để khôi phục băng tần gốc, giải điều chế ở các sóng mang con, và cuối cùng chuyển đổi mẫu tín hiệu phức thành dòng bít.
(tín hiệu số) và chuyển đổi song song sang nối tiếp
Hình 2.11 Tách chuỗi bảo vệ
Sau khi tách chuỗi bảo vệ khỏi luồng tín hiệu u(t), luồng tín hiệu nhận được là: u’(kTS+t)= u(kT+t) (2.12)
* Thực hiện giải điều chế bằng thuật toán FFT
Giả thiết một mẫu tin OFDM Ts được chia thành N FFT mẫu tín hiệu, tín hiệu được lấy mẫu với chu kỳ lấy mẫu là t a
Khi đó độ rộng một mẫu là : ta FFT s
Sau khi lấy mẫu, tín hiệu nhân được sẽ trở thành luồng tín hiệu số: u ’ (t) => uk ’
(kTs + nta) , n=0,1,2, ,NFFT – 1 (2.14) Mẫu tín hiệu sau khi giải điều chế d k , l
^ được biểu diễn dưới dạng số: d k , l
FFT nt kT jl N n a S k a u kT nt e
Tách sự biểu diễn thành phần mũ thành tích hai thành phần (2.15) được viết lại dưới dạng:
FFT nt jl kT jl N n a S k a u kT nt e e
Biểu thức trên chính là phép biễu diễn DFT với chiều dài N FFT.
Ứng dụng và hướng phát triển của kỹ thuật điều chế OFDM
Kỹ thuật OFDM đã trở thành tiêu chuẩn cho các hệ thống phát thanh số như DAB và DRM, cũng như các hệ thống truyền hình số như DVB-T và DVB-H Bên cạnh đó, OFDM cũng đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao tốc độ truyền dẫn của hệ thống ADSL, nhờ vào khả năng điều chế đa sóng mang và cho phép chồng lấn phổ giữa các sóng mang, từ đó cải thiện đáng kể hiệu suất truyền tải dữ liệu.
DRM (Digital Radio Mondiale) là hệ thống phát thanh số hiện đại, thay thế cho phát thanh truyền thống AM Với tần số sóng mang dưới 30MHz, DRM phù hợp cho việc truyền tải sóng ở khoảng cách xa Hệ thống này hoạt động trong môi trường kênh phân tập đa đường, có sự tham gia của phản xạ từ mặt đất và tầng điện li, cho phép phạm vi phủ sóng rộng lớn, bao gồm cả phát sóng đa quốc gia và liên lục địa.
Các tham số cơ bản của DRM theo ETSI, như sau: Độ rộng băng: B=9.328kHz Độ dài FFT: NFFT= 256
Số sóng mang được sử dụng để truyền tin: NC 8
Hệ thống DRM được thiết kế đặc biệt cho các máy thu tĩnh hoặc xách tay do độ trễ truyền dẫn tương đối lớn Điều này khác biệt với các hệ thống DAB và DVB, vốn được tối ưu hóa cho các máy thu có tốc độ di chuyển cao như ô tô và tàu hoả.
Thế hệ máy phát số đã khắc phục những nhược điểm của máy phát tương tự, cho phép truyền tải nhiều chương trình trên một kênh RF, hỗ trợ thu tín hiệu đa đường và thu di động Máy phát số DVB-T và máy phát hình tương tự có cấu trúc tương đồng, chỉ khác nhau ở phần điều chế.
Thông tin truy nhập kênh
Thông tin mô tả DV
Hình 2.13 Sơ đồ khối bộ DVB-T
Tín hiệu truyền được tổ chức thành từng khung, với 4 khung liên tiếp tạo thành 1 siêu khung, nhằm phục vụ cho việc truyền tải thông tin tham số của phía phát thông qua các sóng mang báo hiệu (Transmission Parameters Signalling carriers - TPS) Siêu khung được hình thành để chèn đủ số nguyên lần gói mã sửa sai Reed-Solomon 204 byte trong dòng truyền tải MPEG-2, giúp tránh việc chèn thêm các gói đệm không cần thiết Mỗi khung chứa 68 symbol OFDM, được đánh số từ 0 đến 67, và mỗi symbol này chứa hàng ngàn sóng mang (6817 với chế độ 8K, 1705 với chế độ 2K) trong dải thông 8MHz, mà Việt Nam chọn, trong khi một số nước khác chọn dải thông 7MHz.
- Sóng mang dữ liệu: được điều chế M-QAM, với mode 8K là 6048 sóng mang và mode 2K là 1512
- Sóng mang dẫn đường (pilot symbol, mang thông tin phía phát để khôi phục tín hiệu: các pilot này thường được điều chế BPSK với mức công suất 2.5dB
Trong hệ thống pilot, có tổng cộng 177 pilot hoạt động ở chế độ 8K và 15 pilot ở chế độ 2K Các pilot này được đặt cố định trong băng tần 8MHz, giúp cho việc thu nhận và sửa lỗi tần số cũng như pha trở nên hiệu quả hơn, đồng thời cho phép tự động điều chỉnh tần số.
Pilot rời rạc được phân bổ với 524 tín hiệu ở chế độ 8K và 131 tín hiệu ở chế độ 2K, không có vị trí cố định trong miền tần số, nhưng được phân tán đều trong dải tần 8MHz Điều này giúp đầu thu tự động điều chỉnh để đạt được đáp ứng kênh tối ưu nhất.
Sóng mang thông số phát TPS bao gồm nhóm thông số điều chế BPSK, với 68 sóng mang trong chế độ 8K và 17 sóng mang trong chế độ 2K, luôn có vị trí cố định trong biểu đồ chòm sao BPSK và trong dải tần 78MHz Để giảm thiểu nhiễu giữa các ký hiệu ISI và nhiễu tương hỗ giữa các sóng mang ICI, chuỗi bảo vệ GI được chèn vào mỗi symbol Việc chèn chuỗi bảo vệ này được thực hiện ở phía phát với thời gian bảo vệ T G khác nhau theo quy định của DVB, bao gồm 1/4 T U, 1/8 T U, 1/16 T U và 1/32 T U (T U: chiều dài phần tín hiệu có ích).
* DVB-H (Điện thoại di động truyền hình)
- Cấu trúc máy thu của điện thoại di động DVB-H được cho trên hình gồm 2 phần:
+ Một bộ giải điều chế DVB-H (gồm khối điều chế DVB-T, module Time slicing và module MPE-FEC) và một đầu cuối DVB-H
Tín hiệu vào được cung cấp bởi DVB-T, với khối điều chế DVB-T thu các gói dòng truyền tải MPEG-2, hỗ trợ các chế độ truyền dẫn 2K, 8K và 4K cùng với các thông số truyền dẫn TPS tương ứng Module Time Slicing giúp tiết kiệm năng lượng và tăng cường khả năng chuyển giao mạng linh hoạt Đồng thời, Module MPE-FEC cung cấp mã sửa lỗi tiến, cho phép bộ thu hoạt động hiệu quả trong các điều kiện thu khó khăn Tín hiệu sau khi giải điều chế DVB-H sẽ ở dạng các gói dòng truyền tải TS hoặc IP Datagrams, và đầu cuối DVB-H sẽ giải mã các IP Datagrams để hiển thị nội dung chương trình Hiện nay, nhiều hãng điện thoại đã giới thiệu các thế hệ ĐTDĐ DVB-H đầu tiên như NOKIA 7700, 7710, PHILIPS HoTMAN 2 và SIEMENS.
- Kiến trúc ban đầu của các máy ĐTDĐ DVB-H hiện nay gồm:
+ Điện thoại tích hợp 3 băng tần số: GSM, GPRS và UMTS (3G)
+ Màn hình cảm biến - touch screen
+ Âm thanh ngõ ra Stereo
+ Hỗ trợ chuẩn không dây Bluetooth
+ Bộ nhớ trong có dung lượng 1Gbit
Hãng NOKIA tuyên bố từ nay hãng sẽ tung ra thị trường khoảng 60 thiết bị sang trọng có tích hợp DVB-H
Công nghệ DVB-H nổi bật với ưu điểm tiết kiệm năng lượng lên tới 90%, khả năng thu tín hiệu tốt trong môi trường di động, và truyền tín hiệu dưới dạng IP đến các điện thoại di động Ứng dụng DVB-H cho đường xuống (downlink) trong mạng di động là một giải pháp đột phá, khắc phục những hạn chế về băng thông mà các thế hệ mạng viễn thông 2G, 2,5G và 3G hiện tại chưa thể giải quyết, đặc biệt khi số lượng thuê bao sử dụng dịch vụ truyền hình trực tuyến gia tăng đột biến.
Sự kết hợp giữa công nghệ quảng bá DVB-H và viễn thông đang được các hãng truyền thông lớn trên thế giới thử nghiệm, với sản phẩm chính thức ra mắt vào đầu năm 2005 từ các tên tuổi như Nokia, Philips và Siemens Các nhà sản xuất thiết bị số hàng đầu như Harris, Intelco và Rohde&Schwarz cũng đã cho ra mắt các sản phẩm tích hợp công nghệ DVB-H Cuộc cạnh tranh giữa điện thoại di động 3G và điện thoại di động truyền hình DVB-H đã bắt đầu, mở ra triển vọng mới cho người sử dụng nhờ vào những ưu điểm vượt trội của công nghệ này.
Bảng 2.1 So sánh giữa DVB-T và DVB-H
STT Đặc điểm DVB-T DVB-H
Tốc độ bit của một kênh truyền hình có độ nét tiêu chuẩn SDTV
2 Màn hiển thị Màn hình TV cỡ trung bình và lớn
Màn hình điện thoại nhỏ
Anten trên mái nhà (anten Yagi), trong nhà (anten roi) hoặc anten trên ôtô
Anten bên trong điện thoại
4 Nguồn cung cấp Cố định và là nguồn liên tục
Nguồn năng lượng Pin và có giới hạn
Thu cố định, thu xách tay trong nhà và thu trên phương tiện giao thông
Các máy cầm tay di động
Hiện nay, công nghệ phát sóng mặt đất DVB-T cho phép truyền khoảng 6-7 chương trình TV (SDTV) trên một kênh sóng với tốc độ tổng là 27,14 Mbit/s Trong khi đó, công nghệ IP Datacast (DVB-H) tương thích tốt với các màn hình nhỏ của thiết bị cầm tay, chỉ cần tốc độ 128-384 Kbit/s để phân phối một kênh video chất lượng cao Nhờ vào công nghệ này, hiệu quả phát quảng bá được nâng cao, cho phép truyền từ 10 đến 55 chương trình TV trên một kênh sóng.
Trong hệ thống thông tin di động 4G, kỹ thuật OFDM có thể kết hợp với MIMO để nâng cao dung lượng kênh vô tuyến và với CDMA để phục vụ đa truy cập mạng Nghiên cứu đang hướng tới việc thay đổi phép biến đổi FFT trong OFDM bằng Wavelet nhằm cải thiện độ nhạy của hệ thống với hiệu ứng dịch tần do mất đồng bộ và giảm độ dài tối thiểu của chuỗi bảo vệ Tuy nhiên, cần kiểm chứng khả năng ứng dụng của các kỹ thuật này trong tương lai.
Các yếu tố ảnh hưởng đến OFDM và giải pháp khắc phục
Công nghệ OFDM được thiết kế để hoạt động hiệu quả trong các môi trường kết nối đa dạng, bao gồm đường dẫn thẳng LOS, đường dẫn bị che khuất OLOS và không có đường dẫn thẳng NLOS Ưu điểm của OFDM là khả năng xử lý tín hiệu trong các điều kiện truyền dẫn khác nhau Tuy nhiên, tín hiệu đa đường dẫn là sự kết hợp giữa tín hiệu gốc và các tín hiệu phản xạ từ vật cản, dẫn đến hiện tượng nhiễu do các tín hiệu không đến cùng lúc Nhiễu này không chỉ do sự chênh lệch thời gian mà còn do sai lệch tần số giữa các sóng mang con, làm mất tính trực giao của chúng.
2.6.1 Nhiễu ISI (Inter-Symbol interference) và giải pháp khắc phục
- Nhiễu ISI và những ảnh hưởng của nhiễu ISI
ISI, hay hiện tượng nhiễu liên ký hiệu, xảy ra do hiệu ứng đa đường, trong đó tín hiệu đến sau ảnh hưởng đến tín hiệu trước đó Nguyên nhân của ISI là do tính chọn lọc của kênh fading trong miền thời gian và sự bất ổn định của kênh, dẫn đến giao thoa tín hiệu.
Ảnh hưởng của ISI gây ra sự nhận định sai về ký hiệu và làm khó khăn trong việc khôi phục tín hiệu gốc tại phía thu Tại đây, không chỉ có một bản tín hiệu gốc được thu nhận mà còn nhiều bản sao với độ trễ khác nhau, điều này ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu.
Và tín hiệu sau sẽ chồng lên tín hiệu trước gây khó khăn cho việc khôi phục nếu ta không khử được nhiễu này
- Giải pháp khắc phục nhiễu ISI
Khoảng bảo vệ được tạo ra bằng cách sao chép phần cuối của tín hiệu lên phần đầu, giúp đảm bảo tính liên tục và không bị gián đoạn tại điểm nối Việc này không chỉ duy trì tính trực giao mà còn hỗ trợ đồng bộ tín hiệu thông qua phương pháp nhân tương quan OFDM có khả năng khắc phục hoàn toàn nhiễu ISI nhờ vào khoảng bảo vệ Khi chiều dài khoảng bảo vệ lớn hơn độ trễ cực đại, các symbol sẽ không bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng fading đa đường Tuy nhiên, khoảng bảo vệ là dữ liệu không mang thông tin và cần được lựa chọn hợp lý tùy theo điều kiện môi trường để tiết kiệm băng tần.
2.6.2 Nhiễu ICI(Inter-Channel Interference) và giải pháp khắc phục
- Nhiễu ICI và ảnh hưởng của nhiễu ICI
+ ICI là nhiễu xuyên kênh, phát sinh do tín hiệu của các kênh nằm cạnh nhau gây nhiễu lên nhau
ICI (Inter-Cell Interference) hay nhiễu liên tế bào là hiện tượng nhiễu xảy ra giữa các tế bào trong mạng di động, do tín hiệu cùng băng tần phát sinh từ các tế bào khác nhau gây ra.
ICI là hiện tượng phổ biến trong các hệ thống đa sóng mang, đặc biệt trong hệ thống OFDM Trong bối cảnh này, ICI được gọi là nhiễu giao thoa giữa các sóng mang con, xảy ra do sự chồng chéo năng lượng phổ của các sóng mang.
71 con chồng lấn quá mức lên nhau làm phá vỡ tính trực giao của các sóng mang con
+ Nguyên nhân chính là do hiện tượng Doppler do tính di động của máy phát và máy thu, có sự chuyển động tương đối giữa chúng
Do tính chọn lọc tần số của kênh fading
+ Ảnh hưởng của ICI: những sóng mang con bị mất tính trực giao sẽ không thể khôi phục chính xác như đã phát
Để giảm thiểu tác động của nhiễu ICI, cần chèn khoảng thời gian bảo vệ một cách tuần hoàn và sử dụng pilot dẫn đường nhằm ước lượng và cân bằng kênh khi khôi phục tín hiệu ở phía thu.
2.6.3.Cải thiện hiệu năng hệ thống trên cơ sở sử dụng mã Gray Bất kỳ một hệ thống nào cũng đều phải xem xét, tính đến ảnh hưởng của tạp âm và nhiễu đến hệ thống, ảnh hưởng đến tỷ lệ lỗi truyền, hòa hợp giữa mức tạp âm vàhiệu quả phổ tần Đặc biệt đối với hệ thống truyền thông vô tuyến, ảnh hưởng của tạpâm và nhiễu lên tín hiệu nhiều hơn nhiều so với các hệ thống khác.Tạp âm và nhiễu sẽ làm giảm tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm (SNR) và làm giảm hiệuquả sử dụng phổ tần của hệ thống Tạp âm ở đây có thể có tạp âm ở các máy phát, máy thu Trong hệ thống truyền thông vô tuyến thì tạp âm cần quan tâm giải quyết nhất là tạp â m trên c hính kênh truyền ISI, ICI, IMD Nếu không làm giảm, không có biện pháp khắc phục những ảnh hưởng của nhiễu và tạp âm thì tín hiệu sẽ bị sai lệch và không thể khôi phục Giải pháp để khắc phục, làm giảm ảnh hưởng của nhiễu và tạp âm chính là sử dụng phương pháp mã hóa Gray
Mã hóa Gray là kỹ thuật mã hóa dữ liệu trong đó các điểm IQ lân cận trong chòm sao chỉ khác nhau 1 bit Phương pháp này giúp giảm xác suất xuất hiện lỗi nhiều bit trong một ký hiệu đơn.
Bảng 2.2 Bảng chuyển đổi mã Gray
Cơ số 10 Mã Gray Cơ số 10 Mã Gray
2.6.4 Nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần
Trong những năm gần đây, OFDM đã thu hút sự chú ý nhờ vào khả năng tiết kiệm băng tần và tính đơn giản trong thiết kế hệ thống so với các hệ thống đơn sóng mang Tín hiệu OFDM được tạo thành từ các sóng mang con có phổ tổng hợp dạng sinc, cho phép chúng chồng lấn và trực giao với nhau, từ đó tối ưu hóa việc sử dụng băng tần Tuy nhiên, phổ tổng hợp vẫn tạo ra một đường bao chiếm băng tần lớn, do đó cần loại bỏ các thành phần tần số ngoài băng Việc này có thể thực hiện thông qua bộ lọc băng thông hoặc khoảng bảo vệ cosin tăng, và chúng ta sẽ tìm hiểu chi tiết về hai giải pháp này.
- Giải pháp dùng khoảng bảo vệ cosin tăng
Một trong những phương pháp hiệu quả để giảm bớt đường bao bên của phổ tín hiệu OFDM là sử dụng khoảng bảo vệ cosin tăng Phương pháp này làm dốc khoảng bảo vệ đến ‘0’ trước khi bắt đầu kí hiệu tiếp theo, giúp giảm công suất đường bao bên và tối ưu hóa việc loại bỏ tín hiệu ngoài băng Khoảng bảo vệ cosin tăng (Raise Cosine) có hình dạng của một hàm cosin bình phương, với tính chất giảm dần đến ‘0’ được chọn rất nhỏ và có thể bỏ qua ở phía thu, do đó làm giảm thiểu nhiễu ISI.
- Giải pháp dùng bộ lọc băng thông
Việc sử dụng khoảng bảo vệ cosin tăng giúp cắt bớt thành phần tần số ngoài băng, cải thiện hiệu quả sử dụng phổ tần Tuy nhiên, để tối ưu hóa hơn nữa, cần áp dụng bộ lọc băng thông với sự cắt gọn, cho phép phân chia các khối tín hiệu OFDM hiệu quả Bộ lọc dốc đứng giúp các khối tín hiệu OFDM xếp gần nhau trong miền tần số, từ đó nâng cao khả năng sử dụng phổ tần Tuy nhiên, sự cắt này có thể ảnh hưởng đến tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm (SNR), do đó cần xem xét kỹ lưỡng khi thiết kế hệ thống OFDM sử dụng bộ lọc.
Lọc băng thông là quá trình quan trọng trong việc chuyển đổi tín hiệu giữa miền tần số và dạng sóng tương tự, nhằm ngăn ngừa hiện tượng chồng phổ Trong hệ thống OFDM, việc loại bỏ hiệu quả một số búp sóng giúp cải thiện chất lượng tín hiệu Giá trị loại bỏ búp sóng phụ thuộc vào loại bộ lọc được sử dụng, trong đó bộ lọc số mang lại độ linh hoạt, độ chính xác và tỷ lệ cắt cao hơn so với bộ lọc tương tự Nhờ đó, bộ lọc số đóng vai trò quan trọng trong việc hạn chế băng thông không cần thiết của tín hiệu OFDM.
Bộ lọc có tác động đến năng lượng của các tải phụ bên ngoài, gây méo tín hiệu và can nhiễu giữa các sóng mang ICI Điều này cho thấy ảnh hưởng của lọc băng thông đến các chỉ tiêu kỹ thuật trong hệ thống OFDM.
Trong miền thời gian, symbol OFDM có hình dạng chữ nhật, tương ứng với suy giảm dạng sin trong miền tần số Việc áp dụng bộ lọc băng thông cho tín hiệu OFDM sẽ tạo ra dạng sóng hình chữ nhật trong miền tần số, trong khi suy giảm trong miền thời gian sẽ có dạng sin giữa các symbol Điều này dẫn đến nhiễu ISI giữa các symbol OFDM, làm giảm hiệu suất kỹ thuật.
Các ưu và nhược điểm của kĩ thuật OFDM
Ngoài ưu điểm tiết kiệm băng thông kênh truyền kể trên, OFDM còn có một số ưu điểm sau đây :
+ OFDM tăng hiệu suất sử dụng bằng cách cho phép chồng lấn những sóng mang con.[4]
Hệ thống OFDM cải thiện khả năng chống chịu fading bằng cách phân chia kênh thông tin thành nhiều kênh con phẳng và băng hẹp, giúp tối ưu hóa việc lựa chọn tần số so với các hệ thống sóng mang đơn.
+ Hệ thống OFDM có thể loại bỏ hiện tượng nhiễu xuyên kí hiệu ISI
(Inter-Symbol Interference) nếu độ dài chuỗi bảo vệ (guard interval) lớn hơn độ trễ truyền dẫn lớn nhất của kênh truyền
+ OFDM phù hợp cho việc thiết kế hệ thống truyền dẫn băng rộng
+ Cấu trúc máy thu đơn giản
+ OFDM ít bị ảnh hưởng với khoảng thời gian lấy mẫu hơn so với hệ thống đơn sóng mang.[4]
Việc áp dụng chuỗi bảo vệ có tác dụng giảm thiểu hiện tượng ISI do phân tập đa đường Tuy nhiên, chuỗi bảo vệ không chứa thông tin hữu ích và chiếm một phần băng thông của đường truyền, dẫn đến giảm hiệu suất truyền tải.
+ Do yêu cầu về tính trực giao giữa các sóng mang phụ nên hệ thống
OFDM khá nhạy cảm với hiệu ứng Dopler, dịch tần (frequency offset) và dịch thời (time offset) do sai số đồng bộ
+ Đường bao biên độ của tín hiệu phía phát không bằng phẳng, gây ra méo phi tuyến ở các bộ khuếch đại công suất ở đầu phát và đầu thu.
Kết luận chương
Chương này trình bày các vấn đề cơ bản về kỹ thuật điều chế OFDM, bao gồm ưu nhược điểm, nguyên lý điều chế và giải điều chế Những kiến thức này sẽ hỗ trợ cho việc nghiên cứu kỹ thuật đa truy nhập phân tần trực giao OFDMA, được áp dụng trong công nghệ WiMAX, sẽ được thảo luận trong chương 3.
