OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) - Kiến Thức Cho Người lao Động Việt Nam

download

Kỹ thuật đơn sóng mang

Các kỹ thuật trải phổ được sử dụng trong các hệ thống thông tin di động thế hệ ba có khả năng chống lại pha đinh và nhiễu, song tồn tại những yêu cầu không thực hiện được chẳng hạn: nếu người dùng cần có tốc độ 20 Mbps ở giao diện vô tuyến và hệ số trải phổ là 128 (giá trị điển hình hiện nay), dẫn đến phải xử lý tốc độ 2,56 Gbps theo thời gian thực vì thế cần có độ rộng băng tần lớn không thực tế. Mặt khác, thấy rõ:

Bạn đang đọc: OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)

· Do tài nguyên phổ tần hạn hẹp, thế cho nên cần phải sử dụng hiệu suất cao .
· Do những khó khăn vất vả tương quan đến hiệu ứng gần xa và có sự tiêu thụ hiệu suất lớn .
Ngoài ra, những kỹ thuật đơn sóng mang đối phó kém hiệu suất cao so với pha đinh và truyền lan đa đường đặc biệt quan trọng trong trường hợp vận tốc bit rất cao. Ở những giải pháp điều chế truyền thống cuội nguồn M-QAM, M-PSK …, khi vận tốc tài liệu truyền cao thì kéo theo độ rộng ký hiệu sẽ giảm, đến một giá trị mà độ rộng ký hiệu < trải trễ cực lớn của kênh, khi đó kênh sẽ là kênh lựa chọn tần số và gây ISI cho tín hiệu thu. Đây là một điểm yếu kém chính khiến những mạng lưới hệ thống sử dụng những giải pháp điều chế truyền thống lịch sử không hề truyền tài liệu với vận tốc cao, hoặc giá tiền rất cao so với những dịch vụ nhu yếu vận tốc tài liệu cao

Kỹ thuật đa sóng mang trực giao OFDM

OFDM là một công nghệ tiên tiến được cho phép tăng độ rộng ký hiệu truyền dẫn do đó dung sai đa đường lớn hơn rất nhiều so với những kỹ thuật đã sử dụng trước đây, được cho phép khắc phục những điểm yếu kém cơ bản của kỹ thuật đơn sóng mang .

Lịch sử phát triển

OFDM là một giải pháp truyền khá phức tạp trên kênh vật lý, nguyên lý cơ bản của giải pháp là sử dụng kỹ thuật đa sóng mang để truyền một lượng lớn ký tự tại cùng một thời gian. Sử dụng kỹ thuật OFDM có rất nhiều ưu điểm, đó là hiệu suất cao sử dụng phổ rất cao, năng lực chống giao thoa đa đường tốt ( đặc biệt quan trọng trong mạng lưới hệ thống không dây ) và rất dễ lọc bỏ nhiễu ( nếu một kênh tần số bị nhiễu, những tần số lân cận sẽ bị bỏ lỡ, không sử dụng ). Ngoài ra, vận tốc truyền Uplink và Downlink hoàn toàn có thể biến hóa thuận tiện bằng việc biến hóa số lượng sóng mang sử dụng. Một ưu điểm quan trọng của mạng lưới hệ thống sử dụng đa sóng mang là những sóng mang riêng hoàn toàn có thể hoạt động giải trí ở vận tốc bit nhỏ dẫn đến chu kỳ luân hồi của ký tự tương ứng sẽ được lê dài. Ví dụ, nếu muốn truyền với vận tốc là hàng triệu bit trên giây bằng một kênh đơn, chu kỳ luân hồi của một bit phải nhỏ hơn 1 micro giây. Điều này sẽ gây ra khó khăn vất vả cho việc đồng điệu và vô hiệu giao thoa đa đường. Nếu cùng lượng thông tin trên được trải ra cho N sóng mang, chu kỳ luân hồi của mỗi bit sẽ được tăng lên N lần, lúc đó việc giải quyết và xử lý yếu tố định thời, đa đường sẽ đơn thuần hơn .
Kỹ thuật OFDM do R.W Chang ý tưởng năm 1966 ở Mỹ. Trong những thập kỹ vừa mới qua nhiều khu công trình khoa học về kỹ thuật này đã được triển khai ở khắp nơi trên quốc tế. Đặc biệt là khu công trình khoa học của Weistein và Ebert đã chứng tỏ rằng phép điều chế OFDM hoàn toàn có thể thực thi được trải qua những phép đổi khác IDFT và phép giải điều chế OFDM hoàn toàn có thể triển khai được bằng phép đổi khác DFT. Vào đầu những năm 80, đội ngũ kỹ sư phòng thí nghiệm CCETT ( Centre Commun d’Etudes en Télédiffusion et Télécommunication ) dựa vào những triết lý Wienstein và Ebert đã đề xuất kiến nghị chiêu thức điều chế số rất hiệu suất cao trong nghành nghề dịch vụ phát thanh truyền hình số, đó là OFDM ( Orthogonal Frequency Divionsion Multiplex ). Phát minh này cùng với sự tăng trưởng của kỹ thuật số làm cho kỹ thuật điều chế OFDM được sử dụng ngày càng trở nên thoáng rộng. Thay vì sử dụng IDFT và DFT người ta hoàn toàn có thể sử dụng phép đổi khác nhanh IFFT cho bộ điều chế OFDM, sử dụng FFT cho bộ giải điều chế OFDM .
Ngày nay kỹ thuật OFDM còn phối hợp với những giải pháp mã kênh sử dụng trong thông tin vô tuyến. Các mạng lưới hệ thống này còn được gọi với khái niệm là COFDM ( Coded OFDM ). Trong những mạng lưới hệ thống này tín hiệu trước khi được điều chế OFDM sẽ được mã kênh với những loại mã khác nhau với mục tiêu chống lại những lỗi đường truyền. Do chất lượng kênh ( độ fading và tỷ suất tín hiệu trên tạp âm ) của mỗi sóng mang phụ là khác nhau, người ta thực thi điều chế tín hiệu trên mỗi sóng mang với những mức điều chế khác nhau. Hệ thống này mở ra khái niệm về mạng lưới hệ thống truyền dẫn sử dụng kỹ thuật OFDM với bộ điều chế tín hiệu thích ứng ( adaptive modulation technique ). Kỹ thuật này hiện đã được sử dụng trong mạng lưới hệ thống thông tin máy tính băng rộng HiperLAN / 2 ở Châu Âu. Trên quốc tế mạng lưới hệ thống này được chuẩn hóa theo tiêu chuẩn IEEE. 802.11 a .

Các ưu và nhược điểm

Bên cạnh những ưu điểm kể trên của kỹ thuật OFDM, những mạng lưới hệ thống sử dụng kỹ thuật này còn có nhiều ưu điểm cơ bản khác liệt kê sau đây :
* Hệ thống OFDM hoàn toàn có thể vô hiệu trọn vẹn nhiễu liên ký tự ( Intersymbol Interference – ISI ) nếu độ dài chuỗi bảo vệ ( Guard interval length ) lớn hơn trễ truyền dẫn lớn nhất của kênh .
* Phù hợp cho việc phong cách thiết kế mạng lưới hệ thống truyền dẫn băng rộng ( mạng lưới hệ thống có vận tốc truyền dẫn cao ), do tác động ảnh hưởng của sự phân tập về tần số ( frequency selectivity ) so với chất lượng mạng lưới hệ thống được giảm nhiều so với mạng lưới hệ thống truyền dẫn đơn sóng mang .
* Hệ thống có cấu trúc bộ thu đơn thuần .

Bên cạnh đó, kỹ thuật OFDM cũng có một vài điểm yếu kém cơ bản đó là :
* Một trong những yếu tố của OFDM là nó có hiệu suất đỉnh cao hơn so với hiệu suất trung bình. Khi tín hiệu OFDM được điều chế RF, sự đổi khác này diễn ra tựa như so với biên độ sóng mang, sau đó tín hiệu được truyền đi trên thiên nhiên và môi trường tuyến tính, tuy nhiên độ tuyến tính rất khó giữ khi điều chế ở hiệu suất cao, do vậy méo dạng tín hiệu kiểu này hay diễn ra trên bộ khuyếch đại hiệu suất của bộ phát. Bộ thu phong cách thiết kế không tốt hoàn toàn có thể gây méo dạng trầm trọng hơn. Méo dạng gây ra hầu hết những yếu tố như trải phổ, gây ra nhiễu giữa những mạng lưới hệ thống khi truyền trên những tần số RF kề nhau .
* Việc sử dụng chuỗi bảo vệ hoàn toàn có thể tránh được nhiễu ISI nhưng lại làm giảm đi một phần hiệu suất đường truyền, do bản thân chuỗi bảo vệ không mang thông tin có ích .
* Do nhu yếu về điều kiện kèm theo trực giao giữa những sóng mang phụ, mạng lưới hệ thống OFDM rất nhạy cảm với hiệu ứng Doppler cũng như là sự dịch tần ( frequency offset ) và dịch thời hạn ( time offset ) do sai số đồng điệu .
– Ảnh hưởng của sự xô lệch thời hạn đồng điệu : OFDM có năng lực chịu đựng tốt những sai số về thời hạn nhờ những khoảng chừng bảo vệ giữa những symbol. Với một kênh truyền không có delay do hiệu ứng đa đường, time offet hoàn toàn có thể bằng khoảng chừng bảovệ mà không mất đi tính trực giao, chỉ gây ra sự xoay pha của những sóng mang con mà thôi. Nếu lỗi time offset lớn hơn khoảng chừng bảo vệ thì hoạt động giải trí của mạng lưới hệ thống suy giảm nhanh gọn. Nguyên nhân là do những symbol trước khi đến bộ FFT sẽ gồm có một phần nội dung của những symbol khác, dẫn đến ISI ( Inter-Symbol Interference ) .
– Ảnh hưởng của sự rơi lệch đồng nhất tần số : Một trong những yếu tố lớn của OFDM là nó dễ bị ảnh hưởng tác động bởi offset về tần số. Giải điều chế tín hiệu OFDM hoàn toàn có thể gây ra sai về vận tốc bit. Điều này làm cho tính trực giao giữa những subcarrier bị mất đi ( tác dụng của ICI và sự xoay pha không thay thế sửa chữa được ở bộ
thu ) .
Sai số về tần số diễn ra hầu hết theo 2 nguồn chính : lỗi của bộ xê dịch và hiệu ứng Doppler. Bất kỳ một sự bất đồng bộ nào giữa bộ phát và bộ thu đều hoàn toàn có thể gây ra offset về tần số. Offset này hoàn toàn có thể được bù bằng cách dùng bộ bám tần số, tuy nhiên chỉ khắc phục mà thôi, hoạt động giải trí của mạng lưới hệ thống vẫn bị tác động ảnh hưởng .
Sự vận động và di chuyển tương đối giữa bộ thu và bộ phát gây ra di dời Doppler của tín hiệu. Điều này hoàn toàn có thể hiểu là sự offset tần số trong thiên nhiên và môi trường truyền tự do, nó hoàn toàn có thể khắc phục bằng một bộ bù tại bộ xê dịch. Một vần đề quan trọng của hiệu ứng Doppler là trải Doppler, nó gây nên bởi sự vận động và di chuyển giữa bộ phát và bộ thu trong môi trường tự nhiên đa đường. Trải Doppler gây nên bởi tốc độ tương đối giữa những thành phần tín
hiệu phản xạ lại, tạo ra quy trình “ điều chế tần số ” cho tín hiệu. Quá trình này diễn ra ngẫu nhiên trên những subcarrier do trong môi trường tự nhiên thông thường, một lượng lớn phản xạ đa đường xảy ra. Trải Doppler khó được bù và làm suy giảm chất lượng tín hiệu .

Ngày nay OFDM đã được tiêu chuẩn hóa là chiêu thức điều chế cho những mạng lưới hệ thống phát thanh số DAB và DRM, truyền hình mặt đất DVB-T, mạng máy tính không dâytốc độ cao HiperLAN / 2 …

Sự ứng dụng của kỹ thuật OFDM ở Việt Nam

Có thể nói mạng internet băng rộng ADSL ( Asymmetric Digital Subscriber Line ) rất quen thuộc ở Nước Ta, nhưng ít người biết rằng sự nâng cao vận tốc đường truyền trong mạng lưới hệ thống ADSL chính là nhờ công nghệ tiên tiến OFDM. Nhờ kỹ thuật điều chế đa sóng mang và sự được cho phép chồng phổ giữa những sóng mang mà vận tốc truyền dẫn trong mạng lưới hệ thống ADSL tăng lên một cách đáng kể so với những mạng cung ứng dịch vụ internet
thường thì .
Bên cạnh mạng phân phối dịch vụ ADSL hiện đang được sử dụng rất thoáng đãng ở Nước Ta lúc bấy giờ, những mạng lưới hệ thống thông tin vô tuyến như mạng truyền hình số mặt đất DVBT cũng đang được khai thác sử dụng. Các mạng lưới hệ thống phát thanh số như DAB và DRM chắc như đinh sẽ được khai thác sử dụng trong một tương lai không xa. Các mạng về thông tin máy tính không dây như HiperLAN / 2, IEEE 802.11 a, g cũng sẽ được khai thác một
cách thoáng rộng ở Nước Ta .

Xem thêm: Công nghệ ảnh hưởng đến sự phát triển nền kinh tế như thế nào?

Các hướng phát triển trong tương lai

Kỹ thuật OFDM hiện được đề cử làm chiêu thức điều chế sử dụng trong mạng thông tin thành thị băng rộng Wimax theo tiêu chuẩn IEEE 802.16 a và mạng lưới hệ thống thông tin di động thế hệ thứ tư. Trong mạng lưới hệ thống thông tin di động thế hệ thứ tư, kỹ thuật OFDM còn hoàn toàn có thể phối hợp với những kỹ thuật khác như kỹ thuật đa anten phát và thu ( MIMO technique ) nhằm mục đích nâng cao dung tích kênh vô tuyến và phối hợp với công nghệ CDMA nhằm mục đích Giao hàng dịch vụ đa truy vấn của mạng. Một vài hướng điều tra và nghiên cứu với mục tiêu biến hóa phép biến hóa FFT trong bộ điều chế OFDM bằng phép biến hóa Wavelet nhằm mục đích cải thiện sự nhạy cảm của mạng lưới hệ thống so với hiệu ứng dịch tần do mất đồng điệu gây ra và giảm độ dài tối thiểu của chuỗi bảo vệ trong mạng lưới hệ thống OFDM. Tuy nhiên năng lực ứng dụng của công nghệ tiên tiến này cần phải được kiểm chứng đơn cử hơn nữa trong tương lai .

Các cột mốc và ứng dụng quan trọng của OFDM

1957 : Kineplex, multi-carrier HF modem
1966 : Chang, Bell Labs : thuyết trình và đưa ra quy mô OFDM
1971 : Weinstein và Ebert đề xuất sử dụng FFT và khoảng chừng bảo vệ
1985 : Cimini miêu tả ứng dụng của OFDM trong thông tin di động
1987 : Alard và Lasalle : vận dụng OFDM cho digital broadcasting
1995 : Chuẩn ETSI DAB : chuẩn OFDM cơ bản tiên phong
1997 : Chuẩn ETSI DVB-T
1998 : Dự án Magic WAND trình diễn OFDM modems cho mạng WLAN
1999 : Chuẩn IEEE 802.11 a và ETSI BRAN HiperLAN / 2 cho Wireless LAN
2000 : Được dùng trong truy vấn vô tuyến cố định và thắt chặt ( V-OFDM, Flash-OFDM )
2001 : OFDM được đề cử cho những chuẩn mới 802.11 và 802.16
2002 : Được dùng trong chuẩn IEEE 802.11 g chuẩn cho WLAN
2003 : OFDM được đề cử cho UWB ( 802.15.3 a )
2004 : Được dùng trong chuẩn IEEE 802.16 – 2004 chuẩn cho mạng WMAN
( WiMAX )
Được dùng trong chuẩn Chuẩn ETSI DVB-H
Được đề cử cho chuẩn IEEE 802.15.3 a, mạng WPAN ( MB-OFDM )
Được đề cử cho chuẩn IEEE 802.11 n, thế hệ tiếp nối của mạng WLAN
2005 : Được đề cử cho chuẩn di động tế bào 3.75 G ( 3GPP và 3GPP2 )
Được đề cử cho chuẩn 4G ( CJK )

So sánh một số kĩ thuật OFDM

Sự khác nhau giữa OFDM và OFDMA ở hình dưới đây

Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao OFDMA chia băng tần thành các băng con, mỗi băng con là một sóng mang con. Khác với OFDM, trong OFDMA mỗi trạm thuê bao không sử dụng toàn bộ không gian sóng mang con mà không gian sóng mang con được chia cho nhiều thuê bao cùng sử dụng một lúc. Mỗi trạm thuê bao sẽ được cấp một hoặc vài sóng mang con gọi là kênh con hoá.
Khi các trạm thuê bao không sử dụng hết không gian sóng mang con thì tất cả công suất phát của trạm gốc sẽ chỉ tập trung vào số sóng mang con được sử dụng. Trong quá trình truyền dẫn mỗi trạm thuê bao được cấp phát một kênh con riêng.Kỹ thuật đa truy nhập phân loại theo tần số trực giao OFDMA chia băng tần thành những băng con, mỗi băng con là một sóng mang con. Khác với OFDM, trong OFDMA mỗi trạm thuê bao không sử dụng hàng loạt khoảng trống sóng mang con mà khoảng trống sóng mang con được chia cho nhiều thuê bao cùng sử dụng một lúc. Mỗi trạm thuê bao sẽ được cấp một hoặc vài sóng mang con gọi là kênh con hoá. Khi những trạm thuê bao không sử dụng hết khoảng trống sóng mang con thì tổng thể hiệu suất phát của trạm gốc sẽ chỉ tập trung chuyên sâu vào số sóng mang con được sử dụng. Trong quy trình truyền dẫn mỗi trạm thuê bao được cấp phép một kênh con riêng .OFDMA là kỹ thuật đa truy vấn vào kênh truyền OFDM, một dạng nâng cấp cải tiến của OFDM

Sự khác nhau giữa OFDMA và SOFDMA:
Thật ra thì SOFDMA cũng là OFDMA chỉ khác nhau đó là trong SOFDMA thì kích thướng FFT có thể thay đổi tuỳ theo độ rộng băng tần nhưng khoảng cách giữa các sóng mang con là không đổi 10.94KHz. Còn trong OFDMA có kích thước FFT cố định là 2048.
Như vậy trong SOFDMA, độ rộng phổ của các băng con là như nhau trong các hệ thống khác nhau, giúp quá trình chuyển giao thuận lợi hơn. Ngoài ra việc tương thích giữa các hệ thống sẽ làm giảm chi phí thiết kế, xây dựng mạng.