Skip to content

OFDM

OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, ghép kênh phân chia theo tần số trực giao) là cách LTE và NR "đóng gói" dữ liệu thành sóng vô tuyến ở đường xuống, và cả ở đường lên của NR. Trang này giải thích OFDM bằng ngôn ngữ đơn giản, không yêu cầu nền tảng DSP: mỗi khái niệm đều đi từ vấn đề cần giải quyết trước, rồi mới đến cách giải. Cách OFDM được áp dụng cụ thể trong NR (subcarrier spacing, slot, resource grid) nằm ở NR Numerology & Resource Grid.

Vấn đề OFDM giải quyết

Sóng vô tuyến từ trạm đến điện thoại không đi theo một đường: nó còn dội lại từ tòa nhà, mặt đất, xe cộ. Điện thoại nhận được nhiều bản sao của cùng một tín hiệu, bản đến sau chỉ chậm hơn bản đến trước một chút (cỡ micro giây). Giống như nói trong một căn phòng vang: mỗi tiếng bị tiếng vọng của chính nó chồng lên tiếng kế tiếp.

  • Nếu phát dữ liệu thật nhanh trên một sóng duy nhất, mỗi ký hiệu (symbol) rất ngắn, tiếng vọng của ký hiệu này tràn sang ký hiệu sau và làm hỏng nó. Hiện tượng này gọi là ISI (inter-symbol interference). Muốn sửa phải có bộ lọc rất phức tạp ở máy thu.
  • OFDM đổi cách làm: thay vì một luồng nhanh, chia thành hàng trăm đến hàng nghìn luồng chậm chạy song song, mỗi luồng nằm trên một tần số riêng gọi là subcarrier (sóng mang con). Mỗi ký hiệu giờ dài hơn nhiều so với tiếng vọng, nên tiếng vọng gần như vô hại, phần còn lại được xử lý nốt bằng một mẹo gọi là cyclic prefix (xem bên dưới).

Tổng tốc độ vẫn như cũ (nhiều luồng chậm cộng lại bằng một luồng nhanh), nhưng mỗi luồng chịu được môi trường nhiều tiếng vọng.

Vài thuật ngữ cần biết

Thuật ngữ Hiểu đơn giản
Subcarrier Một "làn" tần số hẹp, mang một ký hiệu dữ liệu tại mỗi thời điểm. LTE và NR thường có 1200 đến hơn 3000 làn
Subcarrier spacing (SCS) Khoảng cách tần số giữa hai làn kề nhau, ví dụ 15 kHz hoặc 30 kHz
Ký hiệu điều chế (modulation symbol) Một điểm trên bản đồ QPSK/16QAM/64QAM/256QAM, mang 2 đến 8 bit. Mỗi subcarrier mang một điểm như vậy
OFDM symbol Khoảng thời gian trọn vẹn, trong đó tất cả subcarrier cùng phát đi một điểm dữ liệu của mình. Không nên nhầm với ký hiệu điều chế ở dòng trên
FFT / IFFT Phép toán đổi qua lại giữa "tần số" và "thời gian", tính nhanh bằng máy. Xem mục bên dưới
Mẫu (sample) Một giá trị số của tín hiệu tại một thời điểm, do ADC/DAC lấy hoặc phát ra
IQ Mỗi mẫu gồm hai số (I và Q), tức một số phức, mô tả cả biên độ lẫn pha của sóng
Delay spread Độ trễ giữa tiếng vọng đến sớm nhất và muộn nhất, tính bằng micro giây
ICI Nhiễu giữa các subcarrier, xảy ra khi tính trực giao bị phá

Tính trực giao: vì sao các subcarrier sát nhau mà không nhiễu

Ở phát thanh cũ, các kênh tần số phải cách xa nhau để không chồng lấn. OFDM thì xếp các subcarrier sát nhau, thậm chí chồng phổ lên nhau mà vẫn không nhiễu. Điều kiện là khoảng cách giữa hai subcarrier phải đúng bằng 1 chia cho thời gian của một OFDM symbol:

subcarrier spacing = 1 / thời gian hữu ích của OFDM symbol

Ví dụ SCS 15 kHz thì thời gian hữu ích là 1/15000 giây, tức khoảng 66,7 µs. Với khoảng cách đó, trong một symbol, mỗi subcarrier chạy trọn một số nguyên chu kỳ. Khi máy thu "nghe" ở tần số của một subcarrier, phần đóng góp của các subcarrier khác cộng lại bằng đúng 0.

Phổ của các subcarrier OFDM: tại đỉnh của mỗi subcarrier, tất cả subcarrier khác đều bằng 0

Mỗi đường cong là phổ của một subcarrier. Chúng chồng lên nhau, nhưng tại tần số trung tâm của một subcarrier, mọi subcarrier còn lại đều đi qua 0.

Nhờ vậy phổ được dùng rất kín: không cần khoảng trống giữa các kênh. Nếu khoảng cách sai khác dù ít, hoặc tần số hai đầu lệch nhau, tính trực giao mất và xuất hiện ICI.

IFFT và FFT: cách làm cho OFDM khả thi

Nếu phải tạo 3000 sóng sin riêng, nhân với dữ liệu rồi cộng lại thì phần cứng sẽ rất nặng. Điều cốt lõi là phép cộng đó chính là IFFT (Inverse Fast Fourier Transform):

  • Phía phát: đưa N điểm dữ liệu (một điểm cho mỗi subcarrier) vào IFFT, ra N mẫu thời gian. Đó chính là OFDM symbol.
  • Phía thu: đưa N mẫu thời gian vào FFT, ra lại N điểm dữ liệu, mỗi điểm thuộc một subcarrier.

Một lần IFFT/FFT cỡ N tốn khoảng N·log₂N phép tính thay vì N², và là khối được tối ưu rất kỹ trên CPU (SIMD), FPGA và GPU. Đây cũng là lý do OFDM thành chuẩn: nó biến bài toán "nhiều sóng song song" thành một phép toán có sẵn trong mọi chip.

flowchart LR
    subgraph TX [Phía phát]
        direction LR
        B[Bit] --> M[Điều chế<br/>QPSK ... 256QAM]
        M --> R[Xếp vào các subcarrier<br/>RE mapping]
        R --> I[IFFT]
        I --> C[Thêm CP]
        C --> D[DAC, RF]
    end
    subgraph RX [Phía thu]
        direction LR
        A[RF, ADC] --> X[Bỏ CP]
        X --> F[FFT]
        F --> E[Cân bằng kênh<br/>mỗi subcarrier một phép nhân]
        E --> Q[Giải điều chế]
        Q --> O[Bit]
    end
    D -. kênh vô tuyến .-> A

Cyclic prefix (CP): xử lý tiếng vọng

Ngay cả khi mỗi ký hiệu đã dài, vẫn còn một vấn đề: tiếng vọng của symbol trước vẫn tràn vào đầu symbol sau. CP giải quyết bằng một mẹo rất gọn: chép phần đuôi của symbol lên đặt ở đầu.

Symbol sau IFFT:     [ A  B  C  D  E  F  G  H ]
Thêm CP (chép đuôi): [ G  H | A  B  C  D  E  F  G  H ]
                       ^^^^
                       CP: phần chép thêm

Máy thu bỏ phần CP rồi mới tính FFT. Nếu tiếng vọng chậm hơn tín hiệu chính không quá độ dài CP, thì toàn bộ phần bị nhiễu rơi vào phần CP bị bỏ đi. Hai lợi ích:

  1. Hết ISI: symbol trước không còn chạm tới phần dữ liệu thật của symbol sau.
  2. Do CP là bản sao của đuôi, tiếng vọng chỉ làm symbol "xoay vòng", điều này về mặt toán học làm mỗi subcarrier chỉ bị nhân với một số phức (đổi biên độ và pha). Máy thu chỉ cần chia lại cho số đó là xong, gọi là cân bằng một tap (one-tap equalizer). Số phức này được ước lượng từ các tín hiệu mẫu mà trạm phát chèn sẵn (DMRS, xem NR Numerology & Resource Grid).

Cái giá là CP phát đi nhưng không chở dữ liệu mới: khoảng 7% thời gian (CP khoảng 1/14 symbol). Độ dài CP chọn theo delay spread cần chịu: ở SCS 15 kHz, CP bình thường khoảng 4,7 µs, tương ứng chênh lệch đường đi đến khoảng 1,4 km. Chọn CP quá ngắn thì tiếng vọng tràn ra ngoài, quá dài thì lãng phí.

Hai điểm yếu của OFDM

1. PAPR cao. PAPR (Peak-to-Average Power Ratio, tỉ số công suất đỉnh trên công suất trung bình) cho biết tín hiệu "nhấp nhô" đến đâu. OFDM là tổng của hàng nghìn sóng sin; hầu hết thời gian chúng triệt tiêu nhau, nhưng thỉnh thoảng cùng pha lại và tạo ra một đỉnh rất cao. Bộ khuếch đại công suất (PA) phải chừa khoảng dự phòng cho các đỉnh này, nên làm việc ở mức trung bình thấp, kém hiệu quả và tốn điện. Với trạm gốc, người ta xử lý bằng CFR (crest factor reduction, cắt bớt đỉnh) và DPD (digital pre-distortion, bù méo của PA), hai khối này thường có trong firmware/FPGA của RU.

2. Nhạy với lệch tần số và chuyển động. Trực giao chỉ đúng nếu tần số thu và phát khớp nhau rất chính xác. Lệch tần số của bộ dao động, phase noise, và hiệu ứng Doppler khi UE chuyển động nhanh đều làm các subcarrier trượt khỏi điểm "bằng 0", sinh ra ICI. Đây là một trong những lý do hệ thống cần đồng bộ tần số chặt, xem Synchronization, và vì sao SCS lớn hơn dùng cho môi trường di chuyển nhanh hoặc băng tần cao.

OFDM ở đường lên: DFT-s-OFDM

Điện thoại chạy bằng pin, PA nhỏ, nên PAPR cao là vấn đề lớn hơn ở đường lên. LTE giải quyết bằng SC-FDMA, NR gọi là DFT-s-OFDM: chèn thêm một phép DFT (biến đổi Fourier rời rạc) vào trước IFFT để "trải" dữ liệu ra các subcarrier. Kết quả là tín hiệu thời gian trông gần giống sóng đơn, PAPR thấp hơn đáng kể.

CP-OFDM DFT-s-OFDM
Cấu trúc IFFT + CP DFT, rồi IFFT + CP
PAPR Cao Thấp hơn
Dùng ở Downlink của LTE (OFDMA) và NR; uplink NR Uplink của LTE (SC-FDMA); uplink NR khi cần phủ sóng tốt ở rìa cell
Ưu điểm Dễ ghép MIMO nhiều layer, cân bằng đơn giản Tiết kiệm công suất UE

Ở NR, uplink có thể dùng một trong hai và do mạng cấu hình, xem bảng PHY trong Protocol Stack & States.

Con số thực tế

Số subcarrier và kích thước FFT quyết định tải tính toán của PHY. Kích thước FFT do bên hiện thực chọn (thường là lũy thừa của 2, đủ lớn hơn số subcarrier dùng), không do chuẩn quy định.

Cấu hình SCS Số RB Subcarrier dùng FFT thường dùng Tốc độ mẫu
LTE 20 MHz 15 kHz 100 1200 2048 30,72 Msps
NR 20 MHz 15 kHz 106 1272 2048 30,72 Msps
NR 100 MHz 30 kHz 273 3276 4096 122,88 Msps

Tốc độ mẫu bằng kích thước FFT nhân SCS: 4096 × 30 kHz = 122,88 MHz. Ở băng 100 MHz, 3276 subcarrier × 30 kHz ≈ 98,3 MHz, tức chiếm khoảng 98% băng thông. Phần còn lại là băng bảo vệ (guard band) hai đầu để tín hiệu không tràn sang kênh bên cạnh.

Liên quan đến firmware và DU/RU

  • Nơi chạy IFFT/FFT: ở split 7.2x của O-RAN, iFFT/FFT và thêm/bỏ CP nằm ở RU, còn DU gửi dữ liệu đã ở miền tần số qua fronthaul. Xem RAN Architecture & Splits và Open Fronthaul.
  • Tải tính toán: FFT/IFFT lặp theo từng symbol, mỗi antenna, mỗi layer; xem vị trí khối này trong chuỗi PHY ở L1 & Acceleration.
  • Khoảng cách tối đa của radar OFDM: bị giới hạn bởi độ dài CP, xem ISAC Overview.
  • Đồng bộ: lệch tần số trực tiếp làm hỏng trực giao, xem Synchronization.

Tài liệu tham khảo

  • 3GPP TS 38.211: Physical channels and modulation (cấu trúc OFDM symbol, CP, DFT-s-OFDM của NR).
  • 3GPP TS 36.211: bản tương ứng cho LTE.
  • Phần nền tảng toán (FFT, trực giao) đang được viết ở nhóm Math & Physics trong tab Notes.