OFDM

OFDM

Orthogonal Frequency Division Multiplex

 

1.บทนำ 

        การสื่อสารWirelessbroadband ถูกพัฒนาขึ้นมาเพื่อตอบสนองความต้องการของผู้ใช้ไม่ว่าจะเป็นธุรกิจขนาดเล็ก หรือตามบ้านในการส่งข้อมูลดิจิตอลที่มีคุณภาพสูง เช่นข้อมูลภาพและเสียง การมัลติเพล็กซ์โดยการแบ่งความถี่สัญญาณพาหะตั้งฉากซึ่งกันละกัน (Orthogonal Frequency Division Multiplex: OFDM) เป็นวิธีการมอดูเลตที่ถูกพัฒนาขึ้นมาเพื่อใช้ในการส่งผ่านข้อมูลความเร็วสูง ในสายมาก่อน การนำเสนอนี้จะเป็นจะนำเสนอแนวคิดของ OFDM และการพัฒนาการที่ถูกนำมาใช้ในการส่งผ่านข้อมูลในการสื่อสาร Wireless broadband

2.ความเป็นมา OFDM 

       OFDM แม้จะเป็นหนึ่งในมาตรฐานทางเทคนิคที่แตกแขนงออกมาจากเทคโนโลยี Spread Spectrum ก็ตาม แต่ก็ถือว่ามีการรับส่งข้อมูลแบบเป็นการมอดูเลตที่ใช้สัญญาณพาหะหลายสัญญาณ (Multi-carrier modulation: MCM ) เป็นเทคนิคที่ทำให้ช่องสื่อสารถูกแบ่งออกเป็นย่อยๆ โดยแต่ละส่วนจะเป็นช่องย่อยๆ ที่อิสระจากกันซึ่ง MCM ไม่ได้เป็นเทคโนโลยีที่ใหม่พราะว่ามันเกิดขึ้นเมื่อตั้งแต่ พ.ศ.2498 และถูกนำมาใช้โดยห้องปฏิบัติการโทรศัพท์เบลล์ (Bell Telephone La-oratories’ ) ในปี พ.ศ. 2508 เทคนิค OFDM ถูกนำไปประยุกต์ใช้ในกิจการสื่อสารทางทหาร ด้านระบบสื่อสารผ่านความถี่สูง (HF) เช่นระบบ KINEPLEX ของบริษัท วิทยุคอลลินส์ และระบบโทรพิมพ์ที่ใช้การเลื่อนความถี่ ย่านแคบของเวสเทริน อิเล็คทริก (Western Electric) เป็นต้น

        ต้นแบบของการมอดูเลตที่ใช้สัญญาณพาหะหลายสัญญาณมีการทดลองใช้ โดยการกำเนิดจำนวนสัญญาณพาหะจากวงจรกำเนิดความถี่ ที่เป็นอิสระจากกัน ซึ่งเครื่องรับรองต้องการวงจรกรองแถบความถี่ผ่านย่านแคบ เพื่อใช้แยกแยะสัญญาณพาหะออกจากกันก่อนที่จะทำการดีมอดูเลต ทั้งนี้การใช้งานสมัยนั้นระบบค่อนข้างจะใหญ่ เทอะทะ ราคาแพง และอาจจะไม่สามารถ นำมาใช้กับงานในปัจจุบันได้ ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา DOCSIS ซึ่งมีการทำงานแบบ MCM ถูกพัฒนาขึ้นในอเมริกาเหนือ และถูกตรวจสอบโดยสหภาพโทรคมนาคมนานาชาติ (ITU ) ในเดือนมีนาคม พ.ศ. 2541 โดย DOCSISถูกพัฒนาขึ้นมาเป็นมาตรฐานสำหรับการส่งข้อมูลดิจิตอลความเร็วสูงบน เครือข่ายสายการเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วของการติดต่อสื่อสารด้วยสัญญาณดิจิตอล บวกกับการที่มีการสร้างไอซีที่มีความเร็วสูง ดังที่เราเห็นการเพิ่มขึ้น ของความเร็วซีพียูที่มีขายในบ้านเรา รวมทั้งมีการนำเอาการแปลฟาสท์ฟูเรียร์ (Fast Fourier Transform : FFT) มาประยุกต์ใช้ ทำให้ความเป็นไปได้ในการพัฒนา OFDM กลับมาใช้ในงานปัจจุบันสูง ซึ่งแท้จริงแล้ว OFDM กลายมาเป็นสิ่งที่น่าสนใจมากขึ้นเมื่อมีการนำเอา FFT มาใช้ในการกำเนิดสัญญาณพาหะที่มีลักษณะตั้งฉากกัน (orthogonal carriers)

       2.1 ความหมาย ของ MCM 

        MCM เป็นหลักการของการส่งข้อมูลดิจิตอลโดยทำการแบ่งข้อมูลทั้งหมดเป็นจำนวน ข้อมูลขนาดใหญ่ที่ขนานกัน (โดยทั่วไป กลุ่มของข้อมูลแต่ละชุดจะมากกว่า 500 บิต) ซึ่งแต่ละกลุ่มจะมีการส่งผ่านข้อมูลที่ความเร็วต่ำๆ แต่เมื่อทำการส่งผ่านข้อมูลขนานกันไปโดยการรำแต่ละกลุ่มข้อมูลย่อยมามอดูเลต กับสัญญาณพาหะย่อย แต่ละสัญญาณพาหะย่อยจะจับจองแถบความถี่ในการส่งเพียงส่วนน้อยและจะมีการทับ ซ้อนกันเฉพาะสัญญาณพาหะที่อยู่ติดกันเท่านั้น ยิ่งเพิ่มจำนวนของสัญญาณพาหะย่อยมากขึ้นเท่าไหร่ยิ่งส่งข้อมูลได้มากขึ้น และมีปัญหาเกี่ยวกับการลดทอนสัญญาณน้อยลง อย่างไรก็ตามจำนวนของสัญญาณพาหะในทางปฏิบัติถูกจำกัดโดยข้อจำกัดของกระบวน การกรองความถี่, ช่วงเวลาในการคำนวณ, แถบความถี่ที่มีอยู่ภายในช่องสื่อสารและความถี่ดอปเปอร์(Doppler) ในกรณีใช้การสื่อสารไร้สาย

รูปที่ 1 แสดงหลักการทำงานของ MCM( ปราโมทย์ อนันต์วราพงษ์,2545)

 

 3. ความหมายของ OFDM 

        OFDM ย่อมาจาก Orthogonal Frequency Division Multiplex เป็นรูปแบบของ MCM สมัยใหม่ที่มีการเพิ่มความหนาแน่นของสัญญาณพาหะย่อยและการซ้อนทับสัญญาณพาหะ ที่อยู่ติดกัน ซึ่งเป็นเทคนิคการมอดูเลชั่นแบบหลายคลื่นพาหะ (Multiple Carrier Modulation) และเป็นรูปแบบของการสื่อสารแบบขนาน แตกต่างจากมาตรฐาน Spread Spectrum ทั่วไปที่ใช้แถบความถี่เดียวสำหรับรับส่งข้อมูลช่องเดียว 

        OFDM เป็นเทคโนโลยีการเข้ารหัสในชั้น Physical Layer สำหรับถ่ายทอด สัญญาณผ่านทางคลื่นวิทยุ ซึ่งกระบวนการนี้จะเป็นการแบ่งสัญญาณ ความถี่ออกเป็นหลาย ๆ เซ็กเมนต์ และในแต่ละเซ็กเมนต์จะมีความถี่ เฉพาะตัวด้วยรหัสที่ต่างกัน ซึ่งจะทำให้สามารถรองรับความจุได้มากกว่า คลื่นวิทยุในความถี่เดียวกัน ซึ่งโดยทั่วไปแล้ว OFDM ถูกใช้อยู่ในคลื่น ความถี่ 2.4 GHz ISM ซึ่งเป็นคลื่นความถี่มาตรฐานสำหรับมาตรฐาน เครือข่าย IEEE 802.11g ในขณะที่ IEEE 802.11a ถูกเลือกให้คลื่น ความถี่ที่ 5 GHz UNII (Unlicensed National Information Infrastructure)

        OFDM สร้างขึ้นมาเพื่อใช้งานสำหรับระบบสื่อสารไร้สายแบบเคลื่อนที่แบนด์กว้าง (Broad band) มีอัตราการส่งข้อมูลสูงๆ เช่น ระบบ LAN แบบไร้สาย (Wireless LAN) ระบบอินเตอร์เน็ตความเร็วสูงแบบไร้สาย (Wireless high speed internet) ระบบกระจายเสียงแบบดิจิตอล (Digital Audio Broadcasting) หรือ DAB และระบบกระจายสัญญาณโทรทัศน์แบบดิจิตอล (Digital Television) หรือ DTV เป็นต้น

          3.1 ความตั้งฉากซึ่งกันและกัน ใน OFDM ความตั้งฉากซึ่งกันและกัน (Orthogonality) คือ “การเกี่ยวข้องกันเป็นมุมฉากหรือมีส่วนประกอบเป็นมุมฉาก” ความตั้งฉากซึ่งกันและกันมีความสัมพันธ์กันของเวกเตอร์ 2 เส้นในช่องว่างอาจจะตัดกันเป็นมุมฉากรูปเรขาคณิตก็ได้ ดังนั้นสัญญาณที่ตั้งฉากซึ่งกันและกันหมายความว่าสถานะของสัญญาณเป็นอิสระ จากกัน ตัวอย่างเช่น การมอดูเลตสัญญาณทางความถี่ (FM) และทางขนาด (AM) บนสัญญาณพาหะเดียวกัน (ในระบบ FM สเตอริโอ) สามารถแยกสัญญาณทั้งสองออกจากกัน โดยปราศจากการรบกวนซึ่งกันและกัน ซึ่งเราสามารถเรียกสัญญาณทั้งสองนี้ว่า “ความตั้งฉากซึ่งกันและกัน” สมมุติว่าในระบบสื่อสารใช้การมอดูเลตแบบเลื่อนความถี่ (FSK) โดยสัญญาณไบนารี่ กำหนดในบิต “ 0” แทนที่ด้วยความถี่หนึ่งที่เลือนออกไป สัญญาณการมอดูเลตนี้สามารถแยกออกจากกันด้วยวงจร กรองความถี่ 2 ชุด ทีสามารถปรับเลือกความถี่ทั้งสองได้ วงจรกรองความถี่สำหรับบิต “ 1” จะไม่ตอบสนองกับสัญญาณบิต “ 0” และในทำนองเดียวกันในกรณีของวงจรกรองความถี่สำหรับบิต “ 0” เราเรียกวงจรเมดูเลตแบบเลือนความถี่ว่า การจัดการสัญญาณไบนารี่ให้ตั้งฉากซึ่งกันและกัน ใน OFDM ความตั้งฉากซึ่งกันและกันเป็นการนำเอาสัญญาณพัลล์มาทำเป็นสัญญาณพาหะ ซึ่งทำให้สเปคตรัมของสัญญาณพาหะแต่ละตัวมีค่าสัญญาเป็นศูนย์ที่กลางแถบความ ถี่ของแต่ละสัญญาณพาหะในระบบ ทั้งนี้ทำให้แต่ละสัญญาณพาหะย่อยสามารถแยกออกจากลุ่มโดยปราศจากการสอดแทรก หรือรบกวนจากสัญญาณพาหะย่อยอื่นๆ ดังนั้นสัญญาณพาหะย่อยสามารถจัดวางไว้ใกล้มากที่สุดเท่าที่จะทำได้ในทาง ทฤษฎี

          3.2  การแปลงฟูเรียร์และการแปลงกลับฟูเรียร์ ของ OFDM ฟังก์ชั่นทางคณิตศาสตร์ของการแปลงฟูเรียร์เปรียบได้กับแท่งปริซึมที่กระจาย แสงสีเขาออกเป็นแทบสีที่เป็นส่วนประกอบของแสงสีขาว การแปลงฟุเรียร์นั้นใช้สำหรับแยกสัญญาณออกเป็นส่วนประกอบทางความถี่ของ สัญญาณนั้นๆซึ่งที่จริงแล้วการแปลงฟูเรียร์สามารถใช้การแก้ปัญหาที่หลากหลาย โดยการวิเคราะห์องค์ประกอบทางความถี่ของสัญญาณในระบบนั้นๆ การจัดการกับสัญญาณดิจิตอลในระบบOFDเป็นวิธีการหนึ่งในการประยุกต์ใช้งานของ การแปลงฟูเรียร์การแปลงฟูเรียร์เป็นเทคนิคทางคณิตศาสตร์สำหรับแปลงฟังช์ชั่น ที่มีแกนในเชิงเวลาเป็นฟังชั่นที่มีแกนในเชิงความถี่โดยอยู่บนพื้นฐานที่ ฟังช์ชั่นนั้นๆ จะต้องเป็นฟังชช์รายคาบด้วย ซึ่งจะแตกออกเป็นสมการแปลงฟูเรียร์ การแปลงฟูเรียร์เป็นการแยกหรือสลายรูปคลื่นหรือฟังช์ชั่นออกเป็นสัญญาณ ลักษณะซายย์ที่มีความถี่จ่างกันและขนาดแรงดันต่างกัน ซึ่งผลรวมของสัญญาณซายน์เหล่านี้เมื่อนำมารวมกันทางเฟสแล้วจะได้รูปคลื่น ดั้งเดิมที่นำมาแยก ดังนั้นสัญญาณที่มีการเปลี่ยนแปลงตามเวลาอาจจะเปลี่ยนเป็นนิพจน์ของผลรวมรูป คลื่นซายน์และโคซายน์ได้ ตัวอย่างเช่น ในการส่งสัญญาณดิจิตอลกับการส่งอนุกรมของสัญญาณซายน์จะมีผลลัพธ์เหมือนกัน นั้นคือ การแปลงฟูเรียร์เป็นการแปลงสัญญาณจากแกนเวลาเป็นแกนความถี่โดยจะจัดเป็น นิพจน์ของอนุกรมสัญญาณความถี่เป็นองค์ประกอบ ส่วนการแปลงกลับฟูเรียร์เป็นกระบวนการที่ตรงข้ามกันคือแปลงสัญญาณที่อยู่ใน แกนความถี่ให้อยู่ในรูปแบบแกนเวลา ส่วนการแปลงฟาสฟูเรียร์ (FFT) จะทำให้การคำนวณการแปลงฟูเรียร์และการแปลงกลับฟูเรียร์ของกลุ่มข้อมูลทั้ง ค่าจริง (Real) และค่าเชิงซ้อน (complex) สามารถทำได้อย่างรวดเร็ว สัญญาณซายน์ที่มีช่วงเวลาที่มีค่าจำกัด (T) สามารถแปลงเป็นสัญญาณสมมูลซิง (Sinc Pulse: โดยสัญญาณซิ้งคือสัญญาณ sinx/x) บนแกนความถี่ดังแสดงในรูป

 

รูปที่ 2 แสดงการแปลงฟูเรียร์อย่างรวดเร็วของสัญญาณที่ทำการมอดูเลตกับสัญญาณพาหะย่อย

  

       ซึ่งสัญญาณซิ้งจะมีจุดตัดแกน x ทุกๆ ช่วงเวลา 1/T เมื่อ T เป็นช่วงเวลาชองจำนวนสัญญาณบนแกนเวลา ดังนั้นถ้าสัญญาณพาหะย่อยมีช่วงห่างซึ่งกันและกันเท่ากับ 1/T ค่าสูงสุดจะเกิดขึ้นทุกๆ จุดตัดแกน x ทั้งนี้เนื่องจากการทับซ้อนกันของสัญญาณเหล่านี้จะไม่รบกวนซึ่งกันและกัน หรือในอีกทำนองหนึ่งอาจกล่าวได้ว่าสัญญาณมีการรักษาความตั้งฉากซึ่งกันและ กัน แนวคิดดังกล่าวแสดงไว้ในดังรูป

 รูปที่ 3 แสดงการมัลติเพล็กซ์อนุกรมของสัญญาณบนแกนความถี่

 

4.หลักการทำงานของระบบ OFDM 

       โดยพื้นฐานแล้ว OFDM เป็นเทคนิคการมัลติเพล็กซ์โดยการแบ่งความถี่ เมื่อช่องความถี่ถูกแบ่งออกเป็นความถี่ขนาดเล็กๆ N ช่องแต่ละช่องมีขนาดเท่ากับขนาดของสัญลักษณ์ (bit rate) ดิจิตอล ซึ่งทำให้สัญญาณพาหะย่อยเหล่านี้มีความตั้งฉากซึ่งกันละกัน ทางด้านส่งสัญญาณดิจิตอลความเร็วสูงที่ถูกแบ่งออกเป็นกลุ่มข้อมูลที่ความ เร็วต่ำลงจำนวนสิบหรือร้อยกลุ่ม ซึ่งแต่ละกลุ่มข้อมูลย่อยทีมีความเร็วต่ำกว่า จะถูกนำไปมอดูเลตกับสัญญาณพาหะย่อยทั้งหมดส่งขนาดกันออกไป รูปแบบในการมอดูเลตสัญญาณพาหะย่อยที่นิยมทั่วไปได้แก่ QAM, 16QAM หรือ 64QAM เป็นต้น ใน OFDM กลุ่มของข้อมูลจะถูกแปลงให้อยู่ในรูปขนานกัน โดยการมอดูเลตกับสัญญาณพาหะย่อย ดังนั้นพวกมันจะกลายเป็นสัญญาณบนแกนความถี่ ในการที่จะแปลงกลับมาเป็นสัญลักษณ์บนแกนเวลาอีกครั้งนั้นทำได้โดย การใช้การแปลงกลับฟาสท์ฟูเรียร์ (FFT) โดยที่สัญลักษณ์ทางแกนเวลาเหล่านี้จะถูกมัลติเพล็กซ์เข้าด้วยกันเป็นอนุกรม ของสัญญาณ และสัญญาณที่ได้ทางเอาต์พุตของ IFFT จะถูกส่งบนความถี่ที่เหมาะสมในระบบสื่อสัญญาณ ในระบบ OFDM แต่ละสัญญาณพาหะย่อยจะถูกทำให้รูปร่างมีความตั้งฉากซึ่งกันละกันกับสัญญาณ พาหะย่อยอื่นๆด้วยวิธีการจัดการสัญญาณในลักษณะนี้ทำให้แม้แต่สัญญาณพาหะย่อย ที่อยู่ใกล้กันซ้อนทับกันก็ไม่ก่อให้เกิดการรบกวนซึ่งกันละกัน ดังนั้นในระบบนี้จึงไม่ต้องการแถบป้องกัน (Guard Band) ระหว่างแต่ละช่องสื่อสารย่อย ทำให้ช่องสื่อสารระหว่างแต่ละสัญญาณพาหะย่อยมีความแคบที่สุดเท่าที่จะทำได้ ซึ่งในระบบนี้จะให้ประสิทธิภาพในการใช้แถบความถี่สูงสุด ความสัมพันธ์ระหว่างทุกสัญญาณพาหะย่อยในระบบ OFDM จะต้องถูกควบคุมอย่างระมัดระวังเพื่อรักษาให้มีลักษณะของความตั้งฉากซึ่งกัน และกันการแปลงกลับฟาสท์ฟูเรียร์เป็นการแปลงที่มีประสิทธิภาพสูงมากและเป็น วิธีการขั้นต้นอย่างง่ายๆ ที่ สามารถทำให้เรามั่นใจได้ว่าสัญญาณพาหะที่สร้างขึ้นมามีความตั้งฉากซึ่งกัน และกัน หลังจากการมอดูเลตแบบ OFDM จะมีการสอดแทรกช่วงแถบป้องกันแคบๆ เพื่อลดสัญญาณรบกวนระหว่างสัญลักษณ์ (Inter symbol Inter-ference : ISI) ที่เกิดจากสัญญาหลายเส้นทาง (multi-path) เราเรียกแถบป้องกันแคบๆ นี้ว่า การเสริมไซ คลิก (Cyclic prefix)

รูปที่ 4 แสดงบล็อกไดอะแกรมตัวส่ง OFDM( ปราโมทย์ อนันต์วราพงษ์,2545)

       เครื่องรับจะดำเนินกระบวนการตรงกันข้ามกับเครื่องส่ง ในเครื่องส่ง ในเครื่องรับจะใช้การแปลงฟาสท์ฟูเรียร์แปลงสัญญาณที่อยู่บนแกนเวลาไปเป็นแถบ ความถี่สมมูลย์ ดังรูปการแสดงบล็อกไดอะแกรม

รูปที่ 5 แสดงบล็อกไดอะแกรมรับ OFDM

 

          4.1 การเสริมสร้างไซคลิก เทคนิคนี้ใช้สำหรับแก้ไขสัญญาณที่คุณภาพลดลงในช่องสื่อสารอันเนื่องมาจาก สัญญาณมีการเคลื่อนที่หลายเส้นทางทำได้โดยการใช้ลำดับของแถบป้องกันที่เรา เรียกว่า การเสริมไซคลิกการเสริมไซคลิกเป็นการคัดลอกส่วนท้ายสุดของสัญลักษณ์OFDM ให้มีความยาวเท่ากับหรือมากกว่าค่าหน่วงเวลาสูงสุดของการกระจายช่วงเวลาอัน เนื่องมาจากสัญญาณหลายเส้นทาง การเสริมไซคลิกจะถูกคัดลอกลงในส่วนหน้าของสัญลักษณ์ OFDM เพื่อทำหน้าที่เป็นแถบป้องกันการทับซ้อนระหว่างสัญลักษณ์ที่จะเกิดขึ้น ระหว่างการทำการส่งดังแสดงในรูป การแปลงจากข้อมูลแบบขนานไปเป็นแบบอนุกรมจะเกิดขึ้นหลังจากคัดลอกไซคลิกลงใน ตัวส่ง

รูปที่ 6 แสดงการเสริมสร้างไซคลิก ( ปราโมทย์ อนันต์วราพงษ์,2545)

  

         ที่เครื่องส่งส่วนที่เรียกว่าแถบป้องกันจะถูกจำกัดออกไป ซึ่งตราบใดก็ตามที่ช่วงห่างของแถบป้องกันมีค่ามากที่สูงสุดของการหน่วงเวลา ในช่องสื่อสาร การทับซ้อนของสัญญาณที่รับมาจากหลายเส้นทางของสัญลักษณ์ก่อนหน้านี้จะถูก จำกัดออกไปด้วยซึ่งจะทำให้สัญญาณที่แท้จริงที่ต้องการรับยังคงมีความตั้งฉาก ซึ่งกันและกัน ซึ่งแน่นอนที่กระบวนการนี้ทำให้ช่วงเวลาที่ทำการเสริมไซคลิกไม่สามารถส่ง ข้อมูลข่าวสารได้ทำให้เกิดการสูญเสียช่วงเวลานี้ไป นอกจากนี้การเสริมไซคลิกยังทำให้เกิดข้อเสียในเรื่องกำลังงานและแถบความถี่ในการส่งแต่ก็เป็นข้อตกลงเพื่อปรับเข้าหากันระหว่างสมรรถภาพและประสิทธิภาพ

          4.2 เวกเตอร์ใน OFDM สายอากาศแบบไดเวอซิตี้ ( diversity ) ถูกนำมาทดสอบสำหรับแก้ปัญหาอันเนื่องมาจากผลกระทบจากสัญญาณหลายเส้นทาง ซึ่งในระบบ OFDM จะใช้สปาเชียล ( spatial ) ไดเวอซิตี้ซึ่งเรียกว่า การมัลติเพล็กซ์โดยการแบ่งความถี่ที่สัญญาณพาหะตั้งฉากซึ่งกันและกันทาง เวคเตอร์ ( Vector OFDM : VOFDM ) VOFDM ใช้สายอากาศ สปาเชียลไดเวอซิตี้เพื่อนำประโยชน์ของการรับสัญญาณวิทยุหลายทิศทางที่มีเฟส และขนาดต่างกันมาเป็นข้อดี โดยการรวมสัญญาณเหล่านี้เข้าด้วยกันเพื่อเพิ่มความน่าเชื่อถือในการรับ สัญญาณแบบไม่เป็นเส้นตรง ( non-line-of-sight ) ที่เครื่องรับจะมีสายอากาศ 2 ชุด ทำหน้าที่รับสัญญาณจากเส้นทางที่ต่างกันและทำการรวมเข้าด้วยกันเพื่อให้ได้ อัตราส่วนของสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนสูงที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ ระบบการทำงานของบริษัทซิสโก้ ( Cisco ) ได้ออกแบบให้ VOFDM ทำการทดสอบและรวมแต่ละสัญญาณที่รับเข้ามาจากสายอากาศเข้าด้วยกัน จากนั้นวิเคราะห์สัญญาณพาหะย่อยทีละสัญญาณและใช้ข้อมูลที่ได้มาทำการสร้าง กลับเป็นแต่ละสัญญาณพาหะย่อยที่มีอัตราส่วนของสัญญาณรบกวนต่อสัญญาณสอดแทรก ที่สูงขึ้น ผลที่ตามมาคืออัตราการผิดพลาดของข้อมูลลดลง

          4.3.การปรับแต่งการมอดูเลตใน OFDM เพื่อให้การทำงานง่ายขึ้นต่อระบบ MCM ส่วนใหญ่จะใช้เทคนิคการมอดูเลตแบบคงที่สำหรับทุกสัญญาณพาหะย่อย ในระบบที่ใช้เทคนิคนี้จะต้องเลือกประเภทของดิจิตอลมอดูเลต ( digital modulation ) สำหรับสัญญาณพาหะย่อยที่ได้ยอมรับอัตราการผิดพลาดของข้อมูล (Bit error rate) ได้ ภายใต้สภาวะของช่องสื่อสารที่แย่ที่สุดโดยทั่วไปจะเลือกใช้ BPSK หรือ QPSK ที่ 1 หรือ 2 บิต/วินาที/เฮิรตซ์ตามลำดับ ในการส่งข้อมูลจากแหล่งข้อมูลหนึ่งไปยังหลายๆ ปลายทางของระบบ OFDM อาจจะทำได้โดยการเปลี่ยนแปลงเทคนิคทางมอดูเลตทั้งนี้ขึ้นอยู่กับคุณภาพของ สัญญาณสามารถรับได้ที่ปลายทางประเภทของการมอดูเลตที่นิยมใช้ประกอบด้วย BPSK, QPSK, 8PSK, 16QAM, หรือ 64QAM เช่นถ้าสถานีปลายทาง สามารถรับสัญญาณที่มีอัตราส่วนของสัญญาณรบกวนต่ำควรเลือกใช้การมอดูเลตแบบ QPSKจะดีกว่าแบบอื่นๆเพราะว่าทำให้ประสิทธิภาพในการรับ-ส่งข้อมูลได้ดีอย่าง ไรก็ตามการเลือกใช้เทคนิคการมอดูเลตแต่ละแบบยังขึ้นอยู่กับสภาวะแถบความถี่ ที่ใช้ในการส่งอีกด้วย

          เพื่อให้ระบบสามารถยอมรับอัตราการผิดพลาดของข้อมูล เราสามารถจะเลือกเทคนิคการมอดูเลตโดยอัตโนมัติตามขนาดของแถบความถี่ที่ใช้ การส่ง การปรับแต่ง (Adaptive) เทคนิคการมอดูเลตแบบนี้ทำให้คุณภาพการรับ-ส่งดีขึ้นไม่ว่าสภาวะของช่องสื่อ สารจะดีหรือไม่ดีก็ตาม สิ่งที่ตามมาคือการปรับแต่งการมอดูเลตทำให้เพิ่มประสิทธิภาพการใช้งานแถบ ความถี่ของระบบด้วย

 

5. การเลื่อนหายของความถี่ที่เลือก (Frequency selective fading) 

        ในระบบแถบกว้างเช่น OFDM ผลกระทบจากการเคลื่อนที่หลายเส้นทางของความถี่ที่ต่างกัน (หรือสัญญาณพาหะย่อยใน OFDM ) จะแตกต่างกัน เพื่อให้เราเข้าใจลักษณะการเลื่อนหายของความถี่ที่เลือก เรามาลองพิจารณาสิ่งที่เกิดขึ้นกับความถี่ (สัญญาณพาหะย่อย) 2 ความถี่บนแถบความถี่ที่ใช้นำข่าวสารมาจาก เครื่องส่งไปยังเครื่องรับ ถ้าความถี่ทั้งสองอยู่ใกล้ซึ่งกันและกัน ดังนั้นความแตกต่างของเส้นทางที่เคลื่อนที่จะมีผลต่อกับความถี่ทั้งสองใกล้ เคียงกัน ทำให้การเปลี่ยนแปลงขนาดและเฟสใกล้เคียงกันมาก อย่างไรก็ตามถ้าความถี่ทั้งสองอยู่ห่างกันออกไปทำให้ความสัมพันธ์ระหว่าง ความถี่ทั้งสองแย่ลงเพราะว่าการเลื่อนของเฟสตามแต่ละเส้นทางจะต่างกันมาก ซึ่งการลดลงของความสัมพันธ์ของความถี่จะขึ้นอยู่กับค่าหน่วงเวลาระหว่าง สัญญาณที่รับเข้ามาจากเส้นทางที่ต่างกันดังนั้นการที่หลายๆ ความถี่พาหะมาจับจองอยู่บนแถบความถี่เดียวกันมากจนทำให้ความเปลี่ยนแปลงแต่ ละความถี่เกิดความแตกต่างกันมากจะทำให้สัญญาณผิดพลาดได้ ดังนี้เพราะว่าขนาดและเฟสของความถี่ที่จะประกอบกันเป็นสัญญาณข่าวสารที่ เครื่องรับจะไม่เหมือนกันกับที่เป็นในเครื่องส่ง ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า การเลื่อนหายของความถี่ที่เลือก (Frequency selective fading) ในสภาวะแวดล้อมที่คลื่นวิทยุมีการเดินทางหลายเส้นทาง การเลื่อนหายของความถี่ที่เลือกสามารถส่งผลต่อการเปลี่ยนแปลงอย่างสูงต่อ กำลังงานที่เครื่องรับรับได้สำหรับช่องสื่อสารที่ไม่มีสัญญาณจากเส้นทางโดย ตรงจากการเครื่องส่ง การเลื่อนหายของคลื่นวิทยุเหล่านี้อาจสูงถึง 30dB ผลที่ตามมาคืออัตราส่วนของสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนลดลงและข้อมูลที่ได้รับมี ความผิดพลาดมากขึ้น แต่เนื่องจากข้อมูลถูกส่งไปกับสัญญาณพาหะย่อยที่แยกจากกันดังนั้นการแก้ไข ข้อผิดพลาดของข้อมูลในแต่ละสัญญาณพาหะย่อยอาจจะใช้วิธีการตรวจสอบและแก้ไข ข้อผิดพลาดที่ปลายทาง (Forward error detection and correction)

6. การป้องกันผลกระทบจากการเคลื่อนที่ของสัญญาณหลายเส้นทาง

        การสอดแทรกระหว่างสัญลักษณ์ (Inter-symbol Interference:ISI) เป็นที่ทราบกันอยู่แล้วว่าคลื่นวิทยุจะเดินทางในอากาศด้วยอัตราความเร็ว 186000 ไมล์ต่อวินาที หรือ 5.2 มิลลิวินาทีต่อไมล์ จากรูปที่ 7 จะเห็นว่ามีการสะท้อนของคลื่นวิทยุจากตึก,เนินเขา,หรือสิ่งกีดขวางอื่นๆแต่ ล่ะเส้นทางที่คลื่นวิทยุเดินทางซึ่งมีระยะทางต่างกันสามารถเดินทางมาที่ เครื่องรับเวลาแตกต่างกันเพียงเล็กน้อย ทำให้สัญญาณที่รับเข้ามามีขนาดและเฟสต่างกันไปด้วยในระบบสื่อสัญญาณดิจิตอล รูปร่างของสัญญาณพัลส์(ดิจิตอล)จะถูกทำให้เป็นสัญลักษณ์ที่เหมาะสำหรับการ ส่งโดยทำการมอดูเลตกับสัญญาณพาหะ ซึ่งในระบบแถบกว้าง( broadband )จะมีการส่งบิตข้อมูล ที่ความเร็วสูงและบิตข้อมูลเหล่านี้จะถูกวางไว้ใกล้กันบนแกนเวลา ดังนั้นที่เครื่องรับสัญลักษณ์เหล่านี้จะมีความสัมพันธ์กับค่าหน่วงเวลาของ คลื่นวิทยุของสัญลักษณ์ถัดไปเข้ามาสอดแทรก การสอดแทรกประเภทนี้เรียกว่า การสอดแทรกระหว่างสัญลักษณ์ หรือ ISI ปัญหาของ ISI ทำให้การแยกสัญญาณข่าวสารดั้งเดิมออกมาเป็นไปได้ยากมาก ในระบบ OFDM จะทำการแบ่งสัญญาณข้อมูลความเร็วสูงหนึ่งชุดออกเป็นสิบหรือเป็นร้อยชุดที่มี ความเร็วต่ำลง จากนั้นทำการส่งข้อมูลชุดย่อยเหล่านี้ขนานกันออกไปโดยการใช้สัญญาณพาหะย่อย ดังนั้นอัตราความเร็วบิตของแต่ล่ะช่องย่อยจะต่ำลงซึ่งแต่ละสัญลักษณ์จะมี ช่วงเวลาในการตอบสนองที่นานขึ้นทั้งนี้ต้องการให้นานกว่าช่วงเวลาที่หน่วง จากสัญญาณหลายเส้นทางช่วงเวลาระหว่างสัญลักษณ์ที่นานขึ้นนี้เองทำให้ความ สัมพันธ์ของสัญลักษณ์กับเวลาที่หน่วงของคลื่นวิทยุที่สะท้อนเข้ามาที่ เครื่องรับจะไปอยู่ในช่วงเวลาป้องกันและจะไม่สามรถสอดแทรกเข้าสัญลักษณ์ถัด ไปที่รับเข้ามา ทำให้ OFDM ทนทานต่อปัญหาการสอดแทรกของสัญญาณหลายเส้นทาง

7. OFDM กับเทคโนโลยี WiMAX

        OFDM หรือ Orthogonal Frequency Division Multiplexing เป็นหัวใจสำคัญของมาตรฐาน WiMAX โดยเป็นข้อกำหนดที่ตรงกับมาตรฐาน IEEE 802.16 ซึ่ง OFDM นั้น เป็นเทคโนโลยีที่ช่วยให้การรับส่งข้อมูลด้วยอัตราเร็วสูงผ่านคลื่นความถี่ วิทยุภายใต้เงื่อนไขการ แพร่กระจายสัญญาณแบบ NLOS (Non Line of Sight) หรือการสื่อสารทางอ้อม สำหรับการรับส่งข้อมูลด้วยเทคโนโลยี OFDM จะมีข้อแตกต่างออกไป โดยก่อนจะทำการส่ง จะแยกแถบความถี่ออกเป็นแถบความถี่ย่อยๆ จากนั้นจึงนำข้อมูลที่ต้องการจะส่งมาทำการเรียงลำดับได้เป็นกลุ่มรหัสข้อมูล (Symbol)โดยเนื้อหาข้อมูลที่อยู่ภายในแต่ละกลุ่มรหัสข้อมูลนั้นไม่จำเป็นว่า จะต้องเป็นข้อมูลของผู้ใช้บริการรายเดียว เป็นการเพิ่มเงื่อนไขในการทำงานขึ้นจากมาตรฐาน Spread Spectrum แทนที่จะส่งข้อมูลออกไปในแถบความถี่กว้าง ก็ให้นำข้อมูลมาจัดเป็นกลุ่มรหัสข้อมูลเสียก่อน ซึ่งกลุ่มรหัสข้อมูลแต่ละกลุ่มจะถูกนำส่งออกอากาศโดยมีการกำหนดแบ่งแยกแถบ ความถี่ออกเป็นแถบย่อยๆ มีจำนวนแถบเท่ากับกลุ่มรหัสข้อมูล ส่วนที่จะกำหนดให้มีกี่กลุ่มรหัสข้อมูลหรือแถบความถี่ย่อยนั้นแล้วแต่ข้อ กำหนดของเทคโนโลยีนั้นๆ

 

รูปที่ 7 Basic OFDM Transmitter และ Receiver

  

       จากภาพเป็นการแสดงขั้นตอนการส่งข้อมูลตามลำดับของระบบ เริ่มต้นจากการส่งระบบจะรับ data ที่เป็น digital bit เข้ามา ผ่านการ modulation และเข้าระบบ Inverse Fast Fourier Tranform  จะได้สัญญาณออกมาเป็น analog และในการรับข้อมูลจะทำงานสวนทางกับการส่ง โดยจะทำงานย้อนกลับ ผ่าน Fast Fourier Tranform และผ่าน demodulation กลับสัญญาณ analog ให้เป็น digital เหมือนเดิม แล้วจึงจะนำข้อมูลที่ได้ไปประมวลผลต่อ ซึ่ง WiMAX ใช้วิธีการนี้ในการส่งข้อมูลจากคอมพิวเตอร์ที่เป็น digital แปลงให้เป็น analog ส่งขึ้นเป็นคลื่นวิทยุผ่านอากาศไปยังเสา WiMAX และส่งข้อมูลกลับเป็น digital ไปยังเครื่องอื่นๆต่อไป

        

       Physical Layer

     คุณสมบัติทางกายภาพ การสื่อสารแบบทิศทางอ้อม (Non Line of Sight) เป็นการสื่อสารหลักที่ใช้ใน WiMAX เทคโนโลยีที่รองรับ คุณสมบัติ Non Line of Sight มี 2 แบบคือ การ Modulation แบบ OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) และ OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access) เพราะ Modulation ทั้งสองนี้มีประสิทธิภาพในการแก้ปัญหาเรื่องความแตกต่างของเวลาในแต่ละทิศ ทางของสัญญาณ (Delay spread) และความแตกต่างของสัญญาณในแต่ทิศทาง (Multipath fading) ในการส่งแบบ Non Line of Sight บริษัทผลิตอุปกรณ์ WiMAX ส่วนใหญ่จะเลือกใช้เทคโนโลยี OFDM สำหรับอุปกรณ์ Fixed หรือ Portable Broadband Wireless Access หรือ IEEE 802.16-2004 ส่วนเทคโนโลยี OFDMA จะถูกใช้ในอุปกรณ์ Mobile Broadband Wireless Access หรือ IEEE 802.16e เพราะ OFDMA มีสามารถรองรับการ Roaming ได้ดีกว่า OFDM ซึ่งจากการค้นคว้า บริษัทต่างๆ ในต่างประเทศที่ผลิตอุปกรณ์ WiMAX จะแตกต่างกันไปในการใช้หลักการ Modulation โดยในบางบริษัทก็ใช้ OFDM ทั้งแบบ IEEE 802.16 และ IEEE 802.16e หรือในบางบริษัท ในทิศทาง downlink ใช้ OFDM แต่ในทิศทาง uplink ใช้ OFDMA ซึ่งก็มีข้อดีข้อเสียแตกต่างกัน แต่ก็ยังสรุปไม่ได้ว่าอะไร เหมาะสมมากน้อยกว่ากัน โดยการส่งผ่านข้อมูลของ WiMAX แบ่งออกเป็น 2 ส่วนหลัก คือ FEC และ modulation

  

        FEC - Forward Error Correction [การแก้ไขข้อมูลที่ผิดพลาดจากการส่งข้อมูล]

        ระบบ FEC จะช่วยตรวจจับและแก้ไขบิตที่ผิดพลาดในขณะที่ส่งข้อมูลที่เกิดจาก noise ซึ่งจะช่วยลดระดับของสัญญาณรบกวนที่ต้องการลง FEC จะเป็นการพ่วงข้อมูลส่วนที่ใช้สำหรับการตรวจจับและ แก้ไขบิตที่ผิดพลาด (FEC bits) ไปกับข้อมูลจริง ที่ด้านผู้รับหรือ receiver ก็จะคำนวณข้อมูลที่ได้รับและเปรียบเทียบกับ FEC bits เหล่านี้ ซึ่งผู้รับสามารถตรวจได้ว่ามี bit ไหนที่มีความผิดพลาดเกิดขึ้นแล้วทำการแก้ไข แต่ในส่วนของ FEC bits ที่เพิ่มเข้ามาจะเป็นส่วนเกินที่ไม่ได้บรรจุข้อมูลใช้งาน ซึ่งเรียกว่า overhead ทำให้ความเร็วในส่งข้อมูลถูกลดทอนลงเพื่อไปใช้สำหรับการ overhead จึงทำให้ความเร็วของการส่งข้อมูลจริงลดลง มีการวัดปริมาณ overhead ของ FEC ในรูปแบบของ coding rate เป็น ½, ¾ เป็นต้น ตัวอย่างเช่น ถ้าใช้ FEC ด้วย coding rate ½ ความเร็วหลังจากการ coding จะลดลงครึ่งนึง WiMAX หลักของ RS-CC (Reed Solomon & Convolutional Coding) ในการ coding rate ซึ่ง code rate ยิ่งต่ำ ความสามารถรองรับสัญญาณรบกวนที่ระดับสูงขึ้นก็จะยิ่งดี เพราะจะตรวจจับและแก้ไข bit ที่ผิดได้ละเอียดขึ้น แต่ความเร็วสุทธิในการส่งข้อมูลจะลดลง ดังนั้นสถานีฐานต้องทำการปรับเปลี่ยน code rate ให้เหมาะสมกับสภาวะของช่องสัญญาณในขณะนั้นๆ เช่น เมื่อในสภาวะที่มีสัญญาณรบกวนน้อยซึ่งมีผลทำให้เกิดความผิดพลาดของข้อมูล อยู่ในระดับต่ำ ดังนั้นจึงมีการปรับใช้ coding rate ที่สูงขึ้นเพื่อลด overhead แต่ยังคงการตรวจจับ bit ที่ผิดพลาดอยู่ในระดับที่ยอมรับได้ เพื่อให้การส่งข้อมูลเร็วขึ้น และบางสภาวะที่สัญญาณรบกวนอยู่ในระดับสูงจนเกิด bit ที่ผิดพลาดมากจน FEC ไม่สามารถทำการแก้ไขได้ จะมีการใช้ระบบ ARQ (Automatic RepeatRequest) เพื่อเป็นการส่งข้อมูลเดิมซ้ำเพื่อแทนที่ข้อมูลที่ผิดพลาดมาตรวจจับอีกครั้ง 

        Adaptive Modulation

        การ modulation เป็นขั้นตอนต่อมาจาก FEC โดยในมาตรฐานมีอยู่ 4 แบบ คือ BPSK, QPSK, 16-QAM และ 64-QAM โดยความเร็วในการส่งข้อมูลจะเรียงจากน้อย ไปมากตามลำดับ ซึ่ง 64-QAM จะมีความเร็วสูงสุด BPSK จะมีความเร็วต่ำสุด แต่ในทางกลับกันการส่งข้อมูลที่ช้าจะทนต่อสัญญาณรบกวนที่สูงได้มากกว่า การส่งข้อมูลเร็วๆ ทำให้ coding rate มีผลกับการเลือกใช้ modulation ดังนั้นจึงต้องมีการปรับเปลี่ยน coding rate และ modulation ให้เหมาะสมกับสภาวะของแต่ละช่องของสัญญาณในขณะนั้นๆ ซึ่งขั้นตอนนี้เรียกว่า Adaptive Burst Profile

รูปที่ 8 แสดงการ Modulation ที่เหมาะสมกับระยะทางต่างๆ

 

        สรุปการรับส่งข้อมูลของ WiMAX ตาม Signal & System Concepts ตามความเข้าใจที่ได้ดังนี้

รูปที่ 9 สรุปการรับส่งข้อมูลของ WiMAX ตามความเข้าใจ

 

        เริ่มต้นจากการส่งข้อมูลจากเครื่องคอมพิวเตอร์หรือ data เป็น bit digital ผ่านอุปกรณ์ WiMAX ที่เป็นกล่องคล้ายกับ modem จากนั้นเข้าสู่ระบบ FEC เพื่อตรวจจับข้อมูล bit ที่ผิดพลาดและเพิ่ม FEC bits ผูกติดกับ bit ที่ผิดพลาดไปด้วย จากนั้นจะเข้าสู่การ modulation โดยใช้ OFDM หรือ OFDMA ในการแปลงสัญญาณ digital ที่ได้ให้เป็นคลื่นวิทยุ หรือสัญญาณ analog ส่งขึ้นไปตามอากาศ ไปที่เสาอากาศของ WiMAX เพื่อที่จะส่งต่อไปยัง receiver ที่ต้องการตาม channel ของสัญญาณ โดยที่จะส่งไปเป็นคลื่นวิทยุตามอากาศ และไปเข้าตัวกล่องรับสัญญาณอีกที่หนึ่ง โดยกล่องจะแปลงสัญญาณ analog ที่ได้รับมากลับเป็น digital โดยใช้การ demodulation จากนั้นจะเข้าสู่ FEC อีกครั้งเพื่อเช็คข้อมูลของ bit นั้นกับ FEC bits และแก้ไขข้อมูลให้ถูกต้อง ซึ่งถ้าข้อมูลไม่สามารถแก้ไขได้ เนื่องจากสัญญาณที่ได้มาถูกรบกวนมาก จะไปเข้าสู่การ ARQ ให้สัญญาณ bit นั้น ส่งมาใหม่ เพื่อประมวลผลใหม่ เมื่อได้ข้อมูลที่ถูกต้องแล้ว ข้อมูลก็จะไปอยู่ในเครื่องคอมพิวเตอร์อีกเครื่ิองหนึ่งได้โดยสมบูรณ์