Chương 1: CÁC DẠNG SÓNG TIỀM NĂNG CHO CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN THẾ HỆ TIẾP THEO Việc lựa chọn các dạng sóng tiềm năng cho các hệ thống thông tin vô tuyến đa sóng mang thế hệ tiếp theo nhận được sự quan tâm lớn của cộng đồng khoa học cũng như các nhóm tiêu chuẩn hóa quốc tế. Cho tới thời điểm hiện tại, nhờ đạt được hiệu suất phổ cao trong dải tần được phân bổ, có khả năng chống lại pha-đinh đa đường và pha-đinh chọn lọc theo tần số, kỹ thuật OFDM tiếp tục được lựa chọn cho các hệ thống vô tuyến băng rộng thế hệ tiếp theo như hệ thống DVB-T2 [5], hệ thống 5G [6]. Tuy nhiên, để đáp ứng các yêu cầu phát sinh từ các ứng dụng mới, cùng với OFDM, một lớp kỹ thuật điều chế mới cho các mạng đa truy nhập trực giao đã được nghiên cứu đề xuất, bao gồm các kỹ thuật điều chế dựa trên việc tạo dạng xung và các kỹ thuật điều chế dựa trên lọc băng con [3]. Trong chương này, bên cạnh việc phân tích các hạn chế của OFDM để thấy rõ bài toán cần tiếp tục giải quyết khi áp dụng nó vào các hệ thống thông tin vô tuyến đa sóng mang thế hệ tiếp theo, một số dạng sóng mới tiềm năng nhất cho các hệ thống này cũng sẽ được tập trung phân tích, trên cơ sở đó chỉ ra các bài toán tiếp theo cần phải xử lý.
Cơ bản về OFDM 1. Nguyên lý cơ bản của OFDM OFDM là phương pháp điều chế đa sóng mang trong đó kênh chọn lọc tần số sẽ được chia thành Nc kênh tần số con (kênh con) song song. Các kênh con này là các kênh băng hẹp có pha-đinh gần như bằng phẳng [12]. Mỗi kênh con được điều chế bằng cách sử dụng các sóng mang con có các tần số khác nhau.
OFDM là một trong những phương pháp điều chế đa sóng mang được sử dụng phổ biến vì khả năng chống pha-đinh đa đường, hiệu quả sử dụng băng thông tốt hơn so với các phương pháp điều chế thông thường và cho phép truyền dữ liệu tốc độ cao [13]. Trong OFDM, các sóng mang con được chọn sao cho chúng trực giao với nhau để loại bỏ xuyên âm giữa các sóng mang con và mang lại hiệu suất phổ cao cho hệ 7 thống. Gọi T là độ dài kí hiệu điều chế trên mỗi sóng mang con, khoảng cách giữa các sóng mang con được chọn là f 1/ T. Mô tả của bộ điều chế OFDM cơ bản được chỉ ra trong Hình 1.
Nó bao gồm Nc bộ điều chế phức, trong đó mỗi bộ điều chế tương ứng với một sóng mang con OFDM. Tín hiệu OFDM băng gốc cơ bản s(t ) trong khoảng thời gian mT t (m 1)T có thể được biểu diễn như sau: Nc 1 Nc 1 s(t ) sk (t ) Sk( m )e j 2 k ft (1. mT j 2 f Nc 1t e j 2 f Nc 1t S N( mc )1 sNc 1 (t ) e ( m 1)T SˆNc 1 (t ) . Điều chế OFDM b.
Giải điều chế OFDM Hình 1. Nguyên lý cơ bản của điều chế và giải điều chế OFDM [14] Trong mỗi khoảng T, Nc kí hiệu điều chế được truyền song song. Các kí hiệu điều chế có thể được thực hiện bằng các phương pháp điều chế khác nhau, chẳng hạn như điều chế khóa dịch pha M mức (M-PSK), hoặc điều chế biên độ cầu phương M mức (M-QAM). Thuật ngữ ghép kênh phân chia theo tần số trực giao là do hai sóng mang con trực giao với nhau trong khoảng thời gian mT t (m 1)T , nghĩa là: ( m 1)T ( m 1)T SSe j 2 k1ft j 2 k2 ft sk1 (t ) sk2 (t )dt k1 k2 e dt 0, k1 k2 (1.2) mT mT 8 Hình 1.1b minh họa nguyên lý cơ bản của giải điều chế OFDM.
Bộ giải điều chế bao gồm một dãy Nc bộ tương quan, mỗi bộ cho một sóng mang con. Do tính trực giao giữa các sóng mang con theo Biểu thức (1.2), nên trong trường hợp lý tưởng, hai sóng mang con OFDM không gây nhiễu cho nhau sau khi giải điều chế, mặc dù thực tế là phổ của các sóng mang con lân cận chồng lên nhau. Do đó, việc tránh nhiễu giữa các sóng mang con OFDM không chỉ đơn giản là cần có sự phân tách phổ giữa chúng mà còn do cấu trúc miền tần số riêng biệt của mỗi sóng mang con kết hợp với việc lựa chọn khoảng cách giữa chúng sao cho chúng trực giao với nhau. Khoảng cách để đảm bảo tính trực giao giữa các sóng mang con là f 1/ T.
Tuy nhiên, nếu có bất kỳ sự thay đổi nào trong cấu trúc miền tần số của các sóng mang con OFDM, đặc biệt trong các kênh vô tuyến chọn lọc theo thời gian, có thể dẫn đến mất tính trực giao giữa các sóng mang con và do đó gây ra nhiễu giữa chúng. Để xử lý vấn đề này cũng như để làm cho tín hiệu OFDM thực sự mạnh đối với tính chọn lọc tần số kênh vô tuyến, kỹ thuật chèn tiền tố thường được sử dụng. Tuy nguyên tắc cơ bản của điều chế và giải điều chế OFDM với một dãy các bộ điều chế/bộ tương quan tương ứng được minh họa trong Hình 1.1, nhưng đây không phải là cấu trúc bộ điều chế/giải điều chế thích hợp nhất cho việc triển khai thực tế. Để triển khai OFDM với độ phức tạp tính toán thấp hơn, biến đổi FFT thường được sử dụng.
Để xác thực điều này, xét tín hiệu OFDM rời rạc theo thời gian (được lấy mẫu) với giả thiết tốc độ lấy mẫu f s là bội số của khoảng cách sóng mang con f , tức là f s 1/ Ts N f , với Ts là chu kỳ lấy mẫu. Tham số N được chọn sao cho định lý lấy mẫu [15] là phù hợp nhất. Lý do của việc này là do một tín hiệu OFDM xác định theo Công thức (1.1) trên lý thuyết có băng thông vô hạn và do đó định lý lấy mẫu không thể được xác định chính xác hoàn toàn. Vì Nc f có thể được coi là băng thông danh định của tín hiệu OFDM, nên N phải lớn hơn Nc trong một giới hạn thích hợp.
Với các giả thiết này, tín hiệu OFDM rời rạc theo thời gian có thể được biểu diễn như sau: 9 Nc 1 Nc 1 N 1 sn s(nTs ) Sk e j 2 k fnT Sk e j 2 kn / N Sk e j 2 kn/ N (1.3) k 0 k 0 k 0 trong đó: S 0 k Nc Sk k (1.4) 0 Nc k N Do đó, chuỗi sn , hay nói cách khác, tín hiệu OFDM được lấy mẫu, là kết quả của phép biến đổi Fourier rời rạc ngược (Inverse discrete Fourier transform - IDFT) kích thước N của khối kí hiệu điều chế S0 , S1 ,., S Nc 1 sau khi được mở rộng đến độ dài N bằng cách chèn 0 (zero padding) [14]. Như vậy, điều chế OFDM có thể được thực hiện bằng cách xử lý IDFT, sau đó là chuyển đổi số sang tương tự, như được minh họa trong Hình 1.a Đặc biệt, bằng cách chọn IDFT kích thước N 2m , m là một số nguyên dương, điều chế OFDM có thể được thực hiện hiệu quả bằng phép biến đổi IFFT cơ số 2. Khi này, tỉ số L N N c có thể được coi là hệ số lấy mẫu quá mức của tín hiệu OFDM rời rạc theo thời gian. S0 s0 r0 â 0 s1 r1 â 1 S1 IDFT nTs DFT aˆ0 , aˆ1 ,.
r (t ) rn (FFT) kích P→S D/A S→ P kích SNc 1 thước thước aˆN 1 c N N 0 s N 1 rN 1 Không sử dụng 0 a. Bộ điều chế b. Bộ giải điều chế Hình 1. Điều chế /giải điều chế OFDM bằng xử lý IFFT/FFT [14] Tương tự như điều chế, quá trình xử lý FFT hiệu quả có thể được sử dụng cho giải điều chế OFDM, thay thế cho tập Nc bộ giải điều chế song song của Hình 1.1b bằng việc lấy mẫu với tốc độ f s 1/ Ts , theo sau là khối DFT/FFT kích thước N , như minh họa trong Hình 1.
Như vậy, tín hiệu OFDM không bị lỗi có thể được giải điều chế mà không có bất kỳ sự can nhiễu nào giữa các sóng mang con. Tuy nhiên, trong trường hợp kênh phân tán theo thời gian, như biểu diễn trong Hình 1.3, tính trực giao giữa các sóng 10 mang con sẽ không được đảm bảo. Điều này không những gây ra xuyên nhiễu giữa các kí hiệu trong một sóng mang con mà còn gây nhiễu giữa các sóng mang con. Để giải quyết vấn đề này cũng như làm cho tín hiệu OFDM thực sự không nhạy cảm với sự phân tán thời gian của kênh vô tuyến, kỹ thuật chèn tiền tố vòng (Cyclic- Prefix - CP) thường được sử dụng trong truyền dẫn OFDM.
T Sk( m1) Sk( m ) Sk( m1) Đường trực tiếp Đường phản xạ Khoảng thời gian để giải điều chế đường trực tiếp Hình 1. Phân tán thời gian và định thời tín hiệu nhận được tương ứng Như minh họa trong Hình 1.4, quá trình chèn CP được thực hiện bằng cách sao chép phần cuối cùng của kí hiệu OFDM và chèn vào phần đầu của kí hiệu OFDM. Việc chèn CP làm tăng độ dài của kí hiệu OFDM từ T đến T TCP , trong đó TCP là độ dài của tiền tố vòng, do đó, dẫn đến việc giảm tốc độ kí hiệu OFDM tương ứng. Như được minh họa trong phần dưới của Hình 1.4, nếu sự tương quan ở phía máy thu vẫn chỉ được thực hiện trong khoảng thời gian T 1/ f , thì tính trực giao sóng mang con cũng sẽ được bảo toàn trong trường hợp kênh phân tán theo thời gian, miễn là khoảng phân tán thời gian nhỏ hơn TCP.
Sao chép và chèn S0 Điều chế OFDM Chèn CP (IFFT) S Nc 1 T T +TCP N mẫu (N+NCP mẫu) TCP T Đường trực tiếp Đường phản xạ Khoảng thời gian để giải điều chế đường trực tiếp Hình 1. Chèn tiền tố vòng 11 Trong thực tế, việc chèn CP được thực hiện ở đầu ra rời rạc theo thời gian của bộ IFFT của máy phát. Khi đó, việc chèn CP được thực hiện bằng việc sao chép NCP mẫu cuối cùng của khối đầu ra IFFT kích thước N và chèn chúng vào đầu khối. Việc này làm tăng độ dài khối từ N thành N NCP .