http://www.e-ptit.edu.vn/hoctap/hoclieu/LTTP.pdf OFDMA - Giải pháp đa truy nhập mới trong thông tin di động Sau đa truy nhập phân chia theo mã CDMA, vào những năm 2000 có một giải pháp đa truy nhập mới được phát minh đã lôi cuốn rất nhiều nghiên cứu khoa học trên thế giới. Đó là đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao OFDMA (Orthorgonal Frequency Division Multiple Access). Từ khi ra đời tới nay, hệ thống Thông tin di động đã cho loài người thấy những bước tiến vượt bậc của nó trong ứng dụng mạng tế bào số (Digital cellular system) và hệ thống không dây số (Digital cordless telecommunication system) trên phạm vi toàn thế giới: Từ năm 1991, mạng điện thoại tế bào số ứng dụng kỹ thuật Đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA, điển hình là hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM (Global System for Mobile Communication) đãđược ứng dụng rộng rãi tại châu Âu và nhiều nước trên thế giới. Phương thức truy nhập mới Đa truy nhập phân chia theo mã CDMA (Code Division Multiple Access) được coi là một ứng cử viên hàng đầu để hỗ trợ đa dịch vụ trong Thông tin di động vì nó mang các ưu điểm: Có khả năng đáp ứng đa dịch vụ; cung cấp dung lượng cao hơn các phương thức truy cập truyền thống như TDMA và FDMA; chống lại việc chọn lọc theo tần số của kênh truyền; tính bảo mật và khả năng chống nhiễu Tiếp theo, hệ thống dựa trên nguyên tắc kết hợp CDMA và ghép kênh tín hiệu phân chia theo tần số trực giao (OFDM), gọi là hệ thống CDMA đa sóng mang (MC- CDMA) được đề xuất đã gây nên sự chú ý rất lớn vì có thể được thu - phát dễ dàng tín hiệu nhờ sử dụng thuật toán biến đổi Fourie nhanh mà không làm tăng đáng kể mức độ phức tạp của các thiết bị. Hơn nữa đây còn là một giải pháp đầy tiềm năng để phân chia kênh với việc sử dụng các tần số tốt một cách hiệu quả. Mặc dù vậy, phải cần đánh giá năng lượng tạp âm cũng như giá trị xuyên nhiễu sóng mang. Mặt khác, trong ứng dụng kênh đường lên, cần tách sóng đa người dùng vì sự trực giao của mã giữa các người dùng hoàn toàn bị méo do sự chọn lọc theo tần số của kênh truyền. Vào những năm 2000, một giải pháp đa truy nhập mới được phát minh, gây nên sự chú ý và lôi cuốn rất nhiều nhà nghiên cứu khoa học trên thế giới. Đó là giải pháp đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao OFDMA (Orthorgonal Frequency Division Multiple Access). Tiếp cận với giải pháp này, bài viết đề cập đến các khái niệm cơ bản nhất về OFDMA và đánh giá, so sánh OFDMA với giải pháp CDMA với các tiêu chí của thông tin di động. CÁC NỘI DUNG CƠ BẢN CỦA OFDMA Khái niệm về OFDMA OFDM (Orthorgonal Frequency Division Multiplexing) được giới thiệu và ứng dụng như một sơ đồ điều chế hay một phần của kỹ thuật đa truy nhập bằng cách áp dụng việc trải mã trên miền tần số khi tạo nên hệ thống MC-CDMA. Trong OFDMA, vấn đề đa truy nhập được thực hiện bằng cách cung cấp cho mỗi người dùng một phần trong số các sóng mang có sẵn. Bằng cách này, OFDMA tương tự như phương thức đa truy nhập phân chia theo tần số thông thường (FDMA); tuy nhiên nó không cần thiết có dải phòng vệ lân cận rộng như trong FDMA để tách biệt những người dùng khác nhau. Hình 1 mô tả một ví dụ về bảng tần số thời gian của OFDMA, trong đó có 7 người dùng từ a đến g và mỗi người sử dụng một phần xác định của các sóng mang phụ có sẵn, khác với những người còn lại. f a a a c a c b b b b t Hình 1. Ví dụ của biểu đồ số thời gian và OFDMA Thí dụ cụ thể này thực tế là sự hỗn hợp của OFDMA và TDMA bởi vì mỗi người sử dụng chỉ phát ở một trong 4 khe thời gian, chứa 1 hoặc vài symbol OFDM. 7 người sử dụng từ a đến g đều được đặt cố định (fix set) cho các sóng mang theo bốn khe thời gian. OFDMA nhảy tần Trong ví dụ trước của OFDMA, mỗi người sử dụng đều có một sự sắp đặt cố định cho sóng mang. Có thể dễ dàng cho phép nhảy các sóng mang phụ theo khe thời gian như được mô tả trong hình 2. f a c b t Hình 2. Ví dụ của biểu đồ tần số thời gian với 3 người dùng nhảy tần a, b, c đều có 1 bước nhảy với 4 khe thời gian Việc cho phép nhảy với các mẫu nhảy khác nhau cho mỗi người sử dụng làm biến đổi thực sự hệ thống OFDM trong hệ thống CDMA nhảy tần. Điều này có lợi là tính phân tập theo tần số tăng lên bởi vì mỗi người sử dụng dùng toàn bộ băng thông có sẵn cũng như là có lợi về xuyên nhiễu trung bình, điều rất phổ biến đối với các biến thể của CDMA. Bằng cách sử dụng mã sửa lỗi hướng đi trên các bước nhảy, hệ thống có thể sửa cho các sóng mang phụ khi bị phađinh sâu hay các sóng mang bị xuyên nhiễu bởi các người dùng khác. Do đặc tính xuyên nhiễu và phađinh thay đổi với mỗi bước nhảy, hệ thống phụ thuộc vào năng lượng tín hiệu nhận được trung bình hơn là phụ thuộc vào phađinh và năng lượng nhiễu trong trường hợp xấu nhất. Ưu điểm cơ bản của hệ thống OFDMA nhảy tần hơn hẳn các hệ thống DS- CDMA và MC-CDMA là tương đối dễ dàng loại bỏ được xuyên nhiễu trong một tế bào bằng cách sử dụng các mẫu nhảy trực giao trong một tế bào. Một ví dụ của việc nhảy tần như vậy được mô tả trong hình 3 cho N sóng mang phụ, nó luôn luôn có thể tạo ra N mẫu nhảy trực giao. a b c d e f Hình 3. Ví dụ của 6 mẫu nhảy tần trực giao với 6 tần số nhảy khác nhau SO SÁNH OFDMA VÀ MC-CDMA Sự khác nhau cơ bản giữa kỹ thuật OFDMA và MC-CDMA là: Các người dùng OFDMA trong cùng một tế bào sử dụng việc đặt khác nhau cho các sóng mang trong khi đó ở MC-CDMA, tất cả các người dùng sử dụng đồng thời toàn bộ các sóng mang. Các mã trực giao hoặc các mã trải tần trực giao được sử dụng trong MC-CDMA để phân biệt các người dùng khác nhau. Tuy nhiên do sự sai lệch mã bởi các kênh phađinh đa đường, MC-CDMA mất đi sự trực giao của nó trong kênh đường lên ngay cả trong một tế bào đơn. Điều đó làm phức tạp hơn kỹ thuật san bằng cần thiết, dẫn đến tổn hại SNR và làm giảm ưu điểm về tính phức tạp của OFDM qua kỹ thuật sóng mang đơn. OFDMA không có nhược điểm này bởi vì trong một tế bào đơn tất cả các người dùng có các sóng mang khác nhau, bằng cách ấy loại trừ khả năng xuyên nhiễu giữa các symbol và giữa các sóng mang. Do đó OFDMA không chịu ảnh hưởng của các xuyên nhiễu trong một tế bào miễn là các ảnh hưởng của việc dịch tần số và thời gian giữa các người dùng được giữ ở mức đủ thấp. Đây là ưu điểm cơ bản của OFDMA so với MC-CDMA và DS- CDMA vì trong các sơ đồ đó xuyên nhiễu trong một tế bào là nguồn nhiễu chính. Tỷ số đặc trưng của xuyên nhiễu trong một tế bào và xuyên nhiễu giữa các tế bào là 0,55 [5]. Bởi vì dung lượng của hệ thống tỷ lệ nghịch với tổng năng lượng xuyên nhiễu, sự tăng dung lượng lên 2,8 lần có thể đạt được bằng cách loại trừ tất cả các xuyên nhiễu trong một tế bào do đó độ tăng dung lượng tối đa của OFDMA hơn hẳn mạng DS-CDMA và MC-CDMA. Ưu điểm cơ bản của việc dùng CDMA nói chung hay MC-CDMA nói riêng là làm trung bình tác động xuyên nhiễu. Trong CDMA, nhiễu bao gồm nhiều tín hiệu xuyên nhiễu hơn so với nhiễu trong hệ thống không CDMA. Mỗi sự xuyên nhiễu tín hiệu chịu một phađinh độc lập gây bởi các tác động đa đường và che khuất (Shadowing). Với cả hệ thống CDMA và hệ thống không CDMA, sự gián đoạn liên lạc xẩy ra khi công suất nhiễu tổng cộng (sau khi giải trải đối với hệ thống CDMA) vượt quá một giá trị cực đại nào đó. Trong hệ thống không CDMA, xuyên nhiễu luôn luôn bao gồm các xuyên nhiễu của một kênh đơn hay của vài kênh cộng lại. Do phađinh, năng lượng xuyên nhiễu biến động thất thường trong một dải rộng vì thế cần lưu ý tới dộ dự trữ phađinh, điều này sẽ làm giảm dung lượng của hệ thống. Trong hệ thống CDMA, nhiễu là tổng của rất nhiều các tín hiệu xuyên nhiễu. Bởi vì tất cả các tín hiệu này bị phađinh độc lập nên sự thăng giáng của công suất xuyên nhiễu tổng cộng sẽ nhỏ hơn nhiều so với sự thăng giáng công suất của tín hiệu xuyên nhiễu đơn. Vì thế trong một hệ thống CDMA, dự trữ phađinh có thể nhỏ hơn đáng kể so với dự trữ phađinh của hệ thống không CDMA. Sự cải thiện này về độ dự trữ phađinh sẽ quyết định chủ yếu tới mức tăng dung lượng của hệ thống CDMA. Trong OFDMA, việc trung bình xuyên nhiễu có được bằng cách có các mẫu nhảy khác nhau trong mỗi tế bào. Các chuỗi nhảy được thiết kế sao cho 2 người dùng trong các tế bào khác nhau gây nhiễu lẫn nhau chỉ trong một phần nhỏ của tất cả các bước nhảy. Trong hệ thống tải nặng (heavily loaded), tức hệ thống có nhiều người sử dụng cùng một lúc, thì nhiều bước nhảy sẽ gây nhiễu nhưng sự xuyên nhiễu sẽ khác nhau ở mỗi bước nhảy. Vì thế, bằng việc sửa lỗi hướng đi qua một vài bước nhảy, chất lượng của OFDMA sẽ bị giới hạn bởi lượng trung bình của xuyên nhiễu hơn là bị giới hạn bởi nhiễu trong trường hợp xấu nhất. Một ưu điểm nữa của OFDMA so với DS-CDMA và MC-CDMA là có một số cách tương đối đơn giản làm giảm tổng xuyên nhiễu giữa các tế bào. Ví dụ như các máy thu có thể đánh giá chất lượng tín hiệu của mỗi bước nhảy và sử dụng thông tin này để cung cấp cho các bước nhảy bị xuyên nhiễu nặng trong quá trình giải mã. Một đặc điểm quan trọng khác của CDMA là có thể thực hiện chuyển vùng mềm bằng cách phát đồng thời 2 tín hiệu từ các trạm gốc khác nhau trong cùng một kênh tới một máy di động. Việc kết hợp các tín hiệu từ các trạm gốc khác nhau đã mang lại độ lợi phân tập, nó làm giảm độ dự trữ phađinh một cách đáng kể, bởi vì xác suất cả 2 trạm gốc yếu đi nhỏ hơn nhiều xác suất 1 trạm bị yếu đi. Phađinh ít đi có nghĩa là năng lượng cần được phát ít đi và vì thế xuyên nhiễu được phát ra ít hơn, điều này làm tăng dung lượng của cả hệ thống. Một đặc điểm tốt của chuyển vùng mềm CDMA là nó không ảnh hưởng tới độ phức tạp của máy di động. Cũng như đối với máy di động đã đề cập, các tín hiệu chồng chéo của các trạm gốc khác nhau có cùng ảnh hưởng như các tín hiệu gây ra bởi sự truyền đa đường. Trong hệ thống OFDMA có 2 phương pháp chuyển vùng mềm cơ bản được áp dụng cho cả đường lên và đường xuống (từ trạm gốc đến máy di động và di động đến trạm gốc). Yêu cầu cho cả 2 phương pháp là việc phát từ các trạm gốc đi và việc phát tới các trạm gốc được đồng bộ để sự khác biệt về trễ tại hai trạm nằm trong phạm vi thời gian phòng vệ của các symbol OFDM. Kỹ thuật thứ nhất là sử dụng cùng một tập sóng mang và cùng một chuỗi nhảy như nhau trong 2 tế bào để kết nối tới 2 trạm gốc. Vì thế, trong đường xuống, máy di động nhận tổng 2 tín hiệu với cùng nội dung số liệu giống hệt như nhau. Máy di động không thể phân biệt được giữa 2 trạm gốc; hiệu quả chuyển vùng mềm tương tự thêm vào thành phần đa đường bên ngoài làm tăng độ lợi phân tập. Dạng chuyển vùng này tương tự như chuyển vùng mềm trong mạng DS-CDMA. Kỹ thuật thứ 2 cho chuyển vùng mềm là sử dụng các bộ sóng mang phụ khác nhau trong 2 tế bào. Khác với phương pháp thứ nhất, ở đường xuống, máy di động lúc này phải phân biệt giữa 2 trạm gốc. Nó phải giải điều chế các tín hiệu từ 2 trạm gốc một cách riêng biệt, sau đó các tín hiệu này có thể được kết hợp lại, tốt nhất là bằng cách sử dụng bộ tổ hợp theo tỷ lệ cực đại. Dạng chuyển vùng này tương tự với loại có thể được dùng trong mạng không CDMA. Các ưu điểm của phương pháp thứ 2 trội hơn phương pháp thứ nhất trong đường xuống là tăng ích SNR tăng lên do sự phân tập của máy thu và tự do hơn cho các trạm gốc trong việc phân bổ các sóng mang có sẵn. ở phương pháp thứ nhất, các trạm gốc bắt buộc phải sử dụng cùng các sóng mang. Ưu điểm chính của phương pháp thứ nhất là việc thực hiện đơn giản hơn; không cần có thêm phần cứng bổ trợ, chỉ cần thêm một vài giao thức để kết nối đồng thời với 2 trạm gốc. Phương pháp thứ 2 đòi hỏi có thêm phần cứng bởi vì nó buộc phải giải điều chế thêm một bộ sóng mang khác. Hơn nữa nó phải thực hiện xử lý thêm để tổ hợp theo tỷ lệ cực đại các tín hiệu nhận được từ các trạm gốc khác nhau. KẾT LUẬN Trước nhu cầu ngày càng lớn về thông tin liên lạc nói chung và thông tin di động nói riêng, việc nghiên cứu áp dụng các công nghệ tiên tiến cũng như tìm kiếm các giải pháp mới nhằm nâng cao về chất lượng- dung lượng cũng như các loại hình dịch vụ thông tin liên lạc có ý nghĩa hết sức quan trọng và thiết thực. Sau các phương thức đa truy nhập thông tin di động truyền thống như FDMA, TDMA, và CDMA, OFDMA là một phương thức đa truy nhập mới nhất và là một chủ đề lý thú đang được hết sức quan tâm nghiên cứu bởi nhiều nhà khoa học và các tổ chức Viễn thông Quốc tế. Tài liệu tham khảo [1]. Chouly, A., A. Brajal and S. Jourdan, Nov, 1993, “Orthogonal Multicarrier Techniques applied to Direct Sequence Spread Spectrum CDMA Systems.” Proc. of IEEE GLOBECOM’93, pp.1723c. [2]. Chen. Q E. S. Sousa and S. Pasupathy, 1995, ”Performance of a Coded Multi- Carrier DS-CDMA System in Multi-path Fading Channels, “ Wireless Personal Communications. Vol.2. Nos 1&2, pp. 167-187. [3]. CIMINI, L. J., June 1985, “Analysis and Simulation of a Digital Mobile Channel sing Orthogonal Frequency Division Multiplexing,“ IEEE Trans. on Communications, Vol. COM-33. No.6,pp. 665-675. [4]. Da Silva, V. M., and E. S. Sousa, June 1994, “Multicarrier orthogonal CDMA singals for quasi-synchronous communica . http://www.e-ptit.edu.vn/hoctap/hoclieu/LTTP.pdf OFDMA - Giải pháp đa truy nhập mới trong thông tin di động Sau đa truy nhập phân chia theo mã CDMA, vào những năm 2000 có một giải pháp đa truy nhập mới. dịch vụ thông tin liên lạc có ý nghĩa hết sức quan trọng và thiết thực. Sau các phương thức đa truy nhập thông tin di động truy n thống như FDMA, TDMA, và CDMA, OFDMA là một phương thức đa truy. Division Multiple Access). Tiếp cận với giải pháp này, bài viết đề cập đến các khái niệm cơ bản nhất về OFDMA và đánh giá, so sánh OFDMA với giải pháp CDMA với các tiêu chí của thông tin di