Tiểu luận môn thông tin di động LỊCH SỬ CỦA OFDM

GIỚI THIỆU VỀ “LỊCH SỬ CỦA OFDM”...1 LỊCH SỬ CỦA PHƯƠNG PHÁP GHÉP KÊNH THEO TẦN SỐ TRỰC GIAO...1 NỀN TẢNG FDM...1 MẬT ĐỘ CÁC KÊNH CON...3 TẠO TÍN HIỆU SỬ DỤNG BIẾN ĐỔI FOURIER RỜI RẠC DF

GIỚI THIỆU VỀ “LỊCH SỬ CỦA OFDM” 1

LỊCH SỬ CỦA PHƯƠNG PHÁP GHÉP KÊNH THEO TẦN SỐ TRỰC GIAO 1

NỀN TẢNG FDM 1

MẬT ĐỘ CÁC KÊNH CON 3

TẠO TÍN HIỆU SỬ DỤNG BIẾN ĐỔI FOURIER RỜI RẠC (DFT) VÀ BIẾN ĐỔI FOURIER NHANH (FFT) CỦA NÓ 7

ADSL: ỨNG DỤNG OFDM LỚN ĐẦU TIÊN 9

CÁC THÁCH THỨC CỦA OFDM: TIỀN TỐ LẶP VÀ KHẮC PHỤC TỶ LỆ ĐỈNH/TRUNG BÌNH CAO 11

NHỮNG ỨNG DỤNG KHÁC 13

WHERE CAN IT GO NEXT? 15

GIỚI THIỆU VỀ “LỊCH SỬ CỦA OFDM”

OFDM ( ghép kênh phân chia theo tần số trực giao) là một kĩ thuật quan trọng trong ngành viễn thông hiện đại, được sử dụng từ công nghệ DSL đến hệ thống Wi-Fi 802.11 Việc được ứng dụng trong nhiều thế hệ của các hệ thống không dây đã khai thác được tối đa các lợi ích mà công nghệ OFDM mang lại OFDM kết hợp với kĩ thuật MIMO được kì vọng sẽ cải thiện được nhiều dung lượng truyền dẫn không dây.

Steve Wein-stein, cựu chủ tịch và là người đứng đầu ủy ban Truyền thông xã hội,

là một người đi tiên phong trong việc phát triển hệ thống OFDM Ông ấy được biết đến

là một người có kinh nghiệm trong việc mô tả lịch sử OFDM Chúng tôi xin gửi bài viết sau đây tới độc giả của tạp chí truyền thông IEEE.

Misha Schwart

LỊCH SỬ CỦA PHƯƠNG PHÁP GHÉP KÊNH THEO TẦN SỐ TRỰC GIAO

Stephen B.Weinstein

OFDM (ghép kênh phân chia theo tần số trực giao) là một trong những ý tưởng được xây dựng trong một thời gian dài, và bắt đầu trở nên thực tiễn hơn khi có sự xuất hiện của kho ứng dụng khổng lồ cùng với các phần mềm tiện ích đi kèm với các công nghệ điện tử Bài báo này sẽ mô tả cơ sở và các bước phát triển nổi bật của OFDM, cùng với sự giải thích lí do mà nó được sử dụng Tôi cũng sẽ đưa ra một khái niệm mở rộng của OFDM như ghép kênh phân chia theo tần số ( FDM ) gồm các kênh phụ chồng chéo nhưng không bị nhiễu Nó yêu cầu phải sử dụng hai phép biến đổi rời rạc: Biến đổi Fourier và biến đổi Fourier nhanh

NỀN TẢNG FDM

Có một lịch sử lâu đời đằng sau việc phát triển FDM, được phát triển bởi các công

ty viễn thông, họ muốn tăng thêm lợi nhuận, các doanh nhân và các nhà phát minh trong thập niên 1870 đã hợp tác để tăng dung lượng của một đường truyền viễn thông bằng cách ghép thêm nhiều kênh không nhiễu.Ghép kênh phân chia theo thời gian (TDM) hay linh hoạt hơn đó là kĩ thuật đa truy nhập phân chia theo thời gian, với việc sử dụng khung thời gian được phát minh bởi Baudot cùng cộng sự và đặc biệt hữu ích khi đường truyền viễn thông quá tải, nó tác động tới khoảng cách giữa các tín hiệu Tuy nhiên, tốc độ bust

sẽ bị giới hạn do nhiễu kí hiệu, hay sự chồng lấn với những xung bên cạnh, do vậy sẽ không có một kênh cân bằng tốt Người ta đã đưa ra nhiều phương pháp ghép thay thế, hệ thống viễn thông Edison’s quadruplex là một ví dụ, hai bản tin được gửi đi đồng thời theo các hướng khác nhau,theo biên độ và phân cực khác nhau

Ghép kênh phân chia theo tần số đã được quan tâm từ rất sớm Sự phát triển của công nghệ OFDM bắt đầu từ thập niên 1870, Alexander Gra-ham Bell bắt đầu được tài trợ bởi Gardiner Hubbard ( người sau này trở thành bố vợ của Bell ) giúp ông làm việc trong phòng điều tần nơi đây chính là một hệ thống truyền dẫn FDM ghép đa kênh Đối thủ của ông Elisha-Gray cũng đang làm việc ở đây và có một bằng sáng chế Thomas Edison cũng theo đuổi nghiên cứu về điện báo Thiết bị truy cập những công nghệ này được kì vọng sẽ được thực hiện trong hệ thống DSL ( đường dây thuê bao số ) Tuy nhiên, Bell đam mê với điện báo và ông dành nhiều công sức trong việc nghiên cứu hệ thống thoại tương tự hơn là việc nghiên cứu máy điện báo kép rời rạc

Hình 1: Hệ thống điện tín Bell, được sử dụng để đáp ứng tần số khác nhau Bức ảnh cho thấy các thiết bị gốc được sử dụng, cho phép bởi bảo tảng Viễn Thông, Lasalle, Quebec, Canada

FDM được sử dụng phổ biến trong việc mang tín hiệu điện báo tương tự như lời

mô tả của Schwartz FDM cho tín hiệu thoại tương tự được triển khai lần đầu bởi George-Squier có vai trò nòng cốt trong hệ thống tín hiệu thông tin của quân đội Hoa Kì vào năm 1910 trong một bộ máy sử dụng một băng cơ sở và một băng tần kênh thông dải Công ty AT&T cho rằng điều này thiếu sự tin cậy bởi lẽ ở tần số hoạt động thì tín hiệu bị phân tán và mất mát Nhưng AT&T cũng triển khai một hệ thống 5 kênh của riêng họ vào năm 1918 mà không đề cao việc sử dụng sóng mang con và bộ lặp FDM là thành phần chính trong hệ thống truyền tải tín hiệu Băng thông và thông dải không phải là những vấn đề nghiêm trọng nữa vì đã có những bộ lặp tin cậy và kênh phụ 8kHz cung cấp tín hiệu thoại 4kHz Hệ thống sóng mang N2 được phát triển giữa thập niên 1960 (hình 2) sử dụng hai dải băng tần kép và truyền xa 200 dặm

Hình 2: Phổ tần số của hệ thống sóng mang N2, cho 12 kênh phụ

Với sự xuất hiện của viễn thông số, hệ thống sóng mang FDM với những sóng mang con dành riêng cho tín hiệu thoại bắt đầu, ở thập niên 1970, bắt đầu được thay thế cho hệ thống TDM/FDM hoặc TDM thuần túy Hiển nhiên, tốc độ tổng của hệ thống TDM sẽ cao hơn kéo theo việc băng thông lớn hơn, từ đó dẫn tới hiện tượng nhiễu kí tự

Ở tần số cao các hệ thống vô tuyến sẽ bị ảnh hưởng nghiêm trọng của hiện tượng pha-ding trên đường truyền khiến cho các tín hiệu bị mở rộng và nhiễu kí tự

Câu trả lời cho những vấn đề này là chuỗi dữ liệu truyền dẫn trên kênh tần số vô tuyến ( và kênh của hệ thống DSL bị sai lệch nghiêm trọng ) người ta quan tâm tới việc

xử lí mỗi gói FDM, tập trung vào việc giảm pha-ding ở các kênh phụ

Mỗi kênh phụ sẽ bị ảnh hưởng bởi một phần nhỏ của đặc tính kênh ( hình 4), nó xấp sỉ khoảng liên tục biên độ và pha Những kênh hẹp này được cân bằng một cách dễ dàng, trong một mô hình phân tích phức tạp, bằng cách nhân nghịch đảo một số phức tạp Điều này góp phần cân bằng với những vấn đề phức tạp của FDM khiến nó trở thành hiện thực với OFD

MẬT ĐỘ CÁC KÊNH CON

Nhưng FDM cũng có nhược điểm :

-) Sự tiêu hao của phổ tần số vô tuyến trong không gian bảo vệ giữa các kênh con

-) Sự phức tạp lớn của vô số các bộ điều chế riêng biệt cho các kênh con khác nhau

Vấn đề thứ nhất được giảm nhẹ bằng việc định nghĩa OFDM như là một hệ thống FDM với các tín hiệu kênh con có sự chồng chéo lên nhau nhưng không gây nhiễu phổ tần số Chúng được biểu diễn bởi tín hiệu hình sin, bởi vì chúng trực giao trong chu kì T của tín hiệu sóng mang phụ cơ bản ( thấp nhất ) Trong một hệ thống OFDM gửi dữ liệu

phức {a n}, tín hiệu kênh con

s n (t) = a n g(t)exp(j2𝜋f n t),

f n = n/T, 0 ≤ n ≤ N–1,

g(t) = 1 với 0 < t < T

g(t) = 0 với t ≤ 0 hoặc t ≥ T (1)

trực giao lẫn nhau dù có sự chồng chéo về phổ Số lượng các kênh con , N, là tùy ý và khác nhau giữa các ứng dụng Các xung dạng chữ nhật g(t) có phổ sin(f)/f làm cho phổ của các kênh con chồng chéo hơn lên các kênh con lân cận với nó Một khối tín hiệu OFDM, trong khoảng thời gian T, có thể được định nghĩa là tổng của các tín hiệu kênh con, và các khối liên tiếp nhau.Trong trường hợp không có kênh biến dạng, cũng không

có nhiễu giữa các kênh con cũng như giữa các kí hiệu

Rất dễ để chỉ ra rằng biến đổi ngược DFT (IDFT) N điểm trên khối dữ liệu {a0, a1,…,

a N-1} ( có thể ở dạng phức )

sk =

1 0

N

n





 anexp{j2πnk/N}, (2) tạo ra các mẫu, trong những khoảng thời gian T/N của tín hiệu OFDM là tổng của các tín hiệu kênh con xác định trong phương trình (1) Để phục hồi dữ liệu, ta dùng biến đổi DFT tín hiệu nhận được, như phương trình (2) nhưng với số mũ âm Hình 6 là một minh họa đơn giản của toàn bộ hệ thống OFDM, bao gồm cả hoạt động đầu chu kỳ được mô tả sau

Với xung chữ nhật g(t) và một kênh bị méo dẫn đến nhiễu giữa các kí hiệu, vấn đề

sẽ xảy ra sớm hơn, nhưng có ưu điểm là máy phát không cần phải biết đặc tính kênh ( mặc dù bên nhận có đặc tính kênh với mục đích cân bằng ) Tuy nhiên, nếu các đặc tính kênh được biết đến tại máy phát thì nhiều dạng xung khác là có thể Chang [8], trong sự đóng góp cơ bản cho OFDM, đã phát triển các điều kiện chung cho các dạng xung, định nghĩa là sự kết hợp của bộ lọc phát và đặc tính kênh, với băng thông giới hạn nhưng vẫn

có sự chồng chéo quang phổ Những xung như thế này, bao gồm cả những xung cô-sin trong hình 5, làm cho một hệ thống OFDM khả thi mà không cần nhiễu giữa các kí hiệu Hình 7 mô tả hệ thống Chang với bộ lọc truyền tải A1, A2, … , An tùy thuộc vào hàm chuyển kênh H(f) Nếu đặc tính kênh có hiệu quả bằng phẳng trong một kênh con hẹp, nó

có thể có hiệu lực bỏ qua sự phụ thuộc vào H(f) Chang cho rằng dữ liệu thực sự để điều chế biên độ nằm trong mỗi kênh con

Saltzberg [9] mở rộng nghiên cứu của Chang sang dữ liệu phức ( ví dụ như điều chế biên

độ vuông góc QAM) Hệ thống ông mô tả (Hình 7) được gọi là OFDM-OQAM (bù QAM) Để loại bỏ nhiễu giữa các kí hiệu và các băng con

( cho kênh truyền tải không méo ) ông đã chỉ ra rằng thời gian dữ liệu đồng pha và vuông pha là T/2, như trong hình 8 Ông không dự đoán được tại máy phát của kênh; các bộ lọc truyền tải và nhận , có đặc tính Nyquist Saltzberg đã nghiên cứu việc thực hiện các mô hình Chang trong một kênh phân tán, giả sử nhiễu giữa các kí hiệu và các kênh con có sự

bù pha cho nhau, và kiểm tra đặc tính xung tương ứng theo tiêu chí của Chang Ông đã tạo ra các tiêu chuẩn hiệu suất về việc mở mắt cổ điển bắt nguồn từ kết quả đầu ra chồng chéo với các chuỗi dữ liệu đầu vào khác nhau Chang và Gibby phân tích hiệu suất của hệ thống Salzberg trong sự hiện diện của lỗi thời gian lấy mẫu, bù pha song mang, và bóp méo pha trong bộ lọc của nó [10] Hirosaki [11] góp phần cải tiến OFDM / OQAM, đặc biệt là tốc độ xử lý nhanh hơn nhiều bằng việc thay thế biến đổi DFT N-điểm bằng biến đổi DFT N/2-điểm, với tần số sóng mang được chọn sao cho f1/f = 0.5, với f1 là tần số sóng mang con thấp nhất, và f là khoảng cách giữa các kênh con Đối với việc thực hiện xử lý tín hiệu số, ông cho rằng OFDM/OQAM có lợi ích đáng kể trong việc truyền

dữ liệu đơn kênh

Các nhà nghiên cứu khác tiếp tục phát triển OFDM/OQAM Một điều đặc biệt trong việc tạo xung là được giới hạn trong miền thời gian và miền tần số Bolcskei, Duhamel và Hleiss [12] đã cải thiện năng suất xung đối xứng và làm cho hiệu suất đạt gần đến hiệu quả sử dụng phổ OFDM tối ưu, như ví dụ trong hình 9

TẠO TÍN HIỆU SỬ DỤNG BIẾN ĐỔI FOURIER RỜI RẠC (DFT) VÀ BIẾN ĐỔI FOURIER NHANH (FFT) CỦA NÓ

Bài toán thứ hai của FDM, tạo ra một đa kênh hiệu quả, gần với việc đóng gói tín hiệu dữ liệu, đã được giải quyết bằng việc thực hiện FFT của DFT Zimmerman và Kirsh

đã đăng tải một bài báo đáng chú ý trong việc thiết kế một trạm thu phát vô tuyến OFDM cao tần (KATHRYN) vào năm 1967 [13], bài báo này được viết tiếp sau một bài báo được viết bởi Bello năm 1965 mô tả đáp ứng của hệ thống với kênh truyền bao gồm việc

sử dụng khoảng bảo vệ thời gian

KATHRYN đã tạo ra những tín hiệu kênh con trực giao sử dụng DFT trong việc thực hiện phần cứng tương tự Có 34 kênh con trong 3KHz băng thông, như thể hiện trong hình 10 cùng với hình ảnh về thiết bị thực Hệ thống có vẻ có phân bố công suất đều cho tất cả các kênh con, ngoại trừ việc thay đổi tốc độ truyền dẫn bằng việc sử dụng nhiều kênh con theo nhiều điều kiện Đã có điều chế pha nhị phân và điều chế cầu phương của mỗi sóng mang con, mặc dù bề ngoài nó không gần với những hiểu biết về OFDM-OQUAM của những năm sau này, nhưng có khía cạnh cần hiểu ở đây là chòm sao tín hiệu rộng có thể được sử dụng trong những kênh con với những đặc tính kênh tốt hơn

Việc chuyển đổi sang FFT để tạo ra DFT sẽ được trình bày ngay sau đây Paul Ebert, Jack Salz, và tôi đã được thúc đẩy vào cuối 1960 để tìm ra một ứng dụng tốt trong

truyền thông dữ liệu theo thuật toán biến đổi Fourier nhanh vừa được Cooley-Tukey công

bố [14], một cách giảm sự phức tạp để tính toán biến đổi Fourier rời rạc đòi hỏi phả thực hiện NlogN xấp xỉ hơn là N2 Về sau nó được phát hiện rằng FFT có thể quay lại với nhà toán học vĩ đại Karl Friedrich Gauss (khoảng năm 1805) người đã sử dụng FFT để giúp cho việc tính toán các phần tử của một chuỗi Fourier hữu hạn trong việc tính toán quỹ đạo của tiểu hành tinh [15] FFT lợi dụng tính chất tuần hoàn và đối xứng của hàm phân

bố mũ, chuyển đổi một DFT chiều dài N thành một số các DFT chiều dài ngắn hơn với việc tái sử dụng những kết quả tính toán của những DFT có chiều dài ngắn hơn [cnx.org/ content/m12026/latest/]

Nó trở lên rõ ràng với chúng tôi rằng, greatly reducing equalization complexity at the cost of the complexity of generating the subband signals, việc sử dụng FFT có thể xoay quanh những ưu điểm của của OFDM thông qua những hệt hống single-carrier Theo như Zimmerman và Kirsh đã chú ý năm 1967, OFDM hỗ trợ việc khai thác linh hoạt một phổ tần thỏa mãn fading hay (trong ADSL) nhiễu chọn lọc tần số Chúng tôi đã đưa ra quan điểm của mình [7] (Hình 11) nhưng quan tâm ít đến phương pháp tiếp cận này trong phạm vi phân chia truyền thông dữ liệu voiceband của chúng tôi ở phòng thí nghiệm Bell (within our voiceband data communication division at Bell Laboratories)

Nó có vẻ là không đáng để nộp đơn xin cấp bằng sáng chế Những ứng dụng lớn như ADSL, truyền thông không dây, và phát thanh truyền hình âm thanh và video số vẫn chưa được áp dụng

Việc sử dụng FFT khiến cho OFDM có thể thực hiện được nhưng những tranh cãi

về mối quan hệ giữa việc xử lý tín hiệu OFDM và sự cân bằng kênh rộng sóng mang đơn vẫn còn tiếp diễn ngày nay Sari [16] và những người khác [17,18] đã chú ý rằng việc tạo

và tách một tín hiệu OFDM tương tự việc cân bằng một hệ thống sóng mang đơn trong miền tần số Sự linh hoạt của OFDM có vẻ khiến nó chiến thắng trong thực tiễn hiện nay

ADSL: ỨNG DỤNG OFDM LỚN ĐẦU TIÊN

Mặc dù đã được minh họa cụ thể bởi hệ thống của KATHRYN vào giữa năm

1960, những ứng dụng không dây có vẻ thực hiện trước những ứng dụng có dây., ứng dụng consumer-oriented lớn đầu tiên là trong ADSL (Đường dây thuê bao số bất đối xứng) DSL đã được nghiên cứu trong những phòng thí nghiệm Bell, nơi mà Gitlin và những người khác đã xác định rằng những hệ thống single-channel có thể làm việc ở tốc

độ Mb trên những đường dây thuê bao dài khoảng 18 Kms [19], và những nghiên cứu đã được làm cuối năm 1980 bằng việc luân phiên sử dụng OFDM và CAP (carrierless amplitude-phase modulation, một biến thể trong single-carrier QAM) Hiệu năng có vẻ có thể so sánh được và những phòng thí nghiệm Bell đã tiếp tục phát triển những modem CAP xây dựng dựa trên thí nghiệm dài với những modem voiceband ADSL, với một tốc

độ truyền dẫn cao hơn về phía thuê bao, được đĩnh nghĩa bởi Lechleider và những đồng nghiệp của ông ta tại Bellcore cùng thời điểm Nhiều sự phát triển tiếp sau đó của ADSL

và hệ thống DSL tốc độ cao hơn được theo đuổi ở những phòng thí nghiệm Bell bởi Lawrence và đồng nghiệp của mình [20] Nó đã bị bỏ lại cho Cioffi và bạn của anh ta, Amati, để phát triển discrete multitone ( DMT, essential OFDM) [21]

Mẫu modem DMT ADSL đầu tiên của Amati đã chiến thắng một cuộc thi với CAP ở Bellcore-sponsored test vào tháng Một, 1993 Có một số lý do cho thành công của multitone, nhưng lý do chính, như được đề xuất cho tôi bởi John Cioffi, có thể là do khả năng tránh mở rộng công suất trong những phần phổ tần được đặc trưng bởi tạp âm rất lớn hay một kênh “không” xâu (a deep C channel null), một khả năng khó để đạt được đối với những hệ thống single-carrier Dung lượng kênh Shannon, được minh họa trong

hình 13, với công suất đổ theo đường cong đại diện cho tỉ số công suất tạp âm trên bình phơng độ lớn kênh, có thể gây ra những điểm không có công suất Nhóm Amati đã tạo ra chiến lược phân bổ bit động chiến lược đã phân bổ dữ liệu ( và công suất dữ liệu) tuân theo kênh biến đông liên tục và những điều kiện tạp âm điển hình của một cặp đường dây thuê bao xoắn Một cuộc thi Bellcore-sponsored thứ hai cho DSL tốc độ rất cao (VDSL), được tổ chức vào năm 2003, cũng đã cho thấy hiệu năng tốt hơn của DMT

Công nghệ gốc và giờ vẫn thịnh hành là ADSL1 [22] sử dụng 256 điểm DFT với những sóng mang con được chia sẻ bằng 4.3125 KHz và tốc độ mỗi một symbol (block)

là 4000/s Bao gồm khoảng thời gian bảo vệ của 40 mẫu, tốc độ lấy mẫu của tín hiệu được phát là 2.208 millions/s Tốc độ dữ liệu là từ 32kb/s đến gần 8Mb/s Những băng con 0-32( ngoại trừ một vài băng con thấp nhất được chiếm dụng bởi dịch vụ điện thoại analog và một băng bảo vệ) được sử dụng cho upstream và những băng 33-255 cho downstream Tổng băng thông của đường dây thuê bao, upstream và downstream, vào khoảng 1.1MHz

Đối với thế hệ sau ADSL2+ thì trong những đường dây thuê bao ngắn hơn, 512 băng con được sử dụng, và tốc độ lấy mẫu là 4.416 million/s, dễ thấy tốc độ dữ liệu tối đa khoảng 24Mb/s VDSL mới hơn, trong những hệ thống lai với những đường thuê bao ngắn nhất, có thể sử dụng cùng khoảng cách sóng mang con và cùng tốc độ ký hiệu với ADSL nhưng lên tới 4096 băng con, chiếm dụng khoảng 17,6MHz băng thông Ngoài ra VDSL có thể sử dụng 8KHz tốc độ ký hiệu và 8.625 kHz khoảng cách sóng mang, hỗ trợ lên tới 150Mb/s tốc độ dữ liệu downstream và 75Mb/s cho upstream Những nhóm upstream và downstream của các băng con được phân bố trên toàn bộ băng thông

Mặc dù những phát triển sớm của ADSL1 được diễn ra ở Mỹ, việc triển khai DMT ADSL đầu tiên, sử dụng thiết bị Amati , lại diễn ra ở các quốc gia khác, đầu tiên với British Telecom vào cuối năm 1993 và đầu năm 1994, đề xuất tốc độ 2.024Mb/s downstream France Telecom triển khai một hệ thống 8Mb/s (on relatively short subscriber lines) vào năm 1994 Deutsche Telekom triển khai những hệ thống 2Mb/s và 8Mb/s vào năm 1994 Telecom Italia đề xuất ADSL 4Mb/s và 8Mb/s vào năm 1994/1995, và Telstra khởi xướng một hệ thống 6Mb/s (bao gồm live video) ở Úc vào năm 1994/1995 Cuối cùng, năm 1997, một nhóm các công ty điều hành Bell ở Mỹ đã quyết định hướng tới DMT ADSL Texas Instruments đã thâu tóm Amati cuối năm 1997 với giá 450 triệu USD, thành công kinh tế lớn đầu tiên đối với một nhà sản xuất thiết bị OFDM