Ref : http://www.tmi.or.th/index.php?option=com_content&task=view&id=263&Itemid=64
อังคาร, 05 กุมภาพันธ์ 2008
สำหรับวันนี้ กระผมขออนุญาตนำเทคโนโลยีที่มีใช้กันมาสักพักหนึ่งแล้ว แต่กำลังจะกลายเป็นรากฐานสำหรับเทคโนโลยีการสื่อสารใหม่ๆเกือบทุกชนิดที่เกิดขึ้นใหม่ หรือที่กำลังอินเทรนด์อยู่ ครับ ก็อย่างที่หัวข้อว่าไว้นั่นแหละครับ วันนี้ผมจะมาแนะนำทำความรู้จักกับ OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) กัน
จริงๆแล้ว เจ้า OFDM นี้ก็มีใช้กันมาสักพักหนึ่งแล้วในบางเทคโนโลยี อย่างเทคโนโลยีที่เรารู้จักกันดีก็ได้แก่ ADSL ที่ให้บริการอินเทอร์เน็ตตามสายโทรศัพท์ที่เป็นที่นิยมกันอยู่และ 802.11g ซึ่งเป็นเทคโนโลยีแลนไร้สาย นอกจากนี้ เทคโนโลยีที่เป็นที่จับตามองกันตาเป็นมัน และพร้อมที่จะกระโดดเข้ามาเล่นกันมากก็คือ ไวแมกซ์ ก็ใช้เทคโนโลยีนี้ในรูปแบบของ S-OFDMA (Scalable- Orthogonal Frequency Division Multiple Access) ด้วย สาเหตุที่มันเป็นที่นิยมมากก็คือ ความมีประสิทธิภาพสูงภายใต้แบนด์วิธที่จำกัดของมัน ทำให้ส่งข้อมูลด้วยความเร็วสูงได้เป็นอย่างดีประวัติของ OFDM
ในปี 1966 คุณ R.W. Chang ซึ่งทำงานอยู่ที่ Bell Labs ได้ทำการพิสูจน์ทางคณิตศาสตร์ว่า การทำมอดูเลชันแบบแยกสัญญาณออกจากกันหรือที่เรียกว่าmulti-carrier modulation นั้น สามารถที่จะช่วยแก้ไขปัญหาเรื่อง multipath ซึ่งเป็นปัญหาใหญ่ของระบบการสื่อสารแบบไร้สายได้ ซึ่งตอนนั้น นับว่าเป็นครั้งแรกที่มีการคิดถึงการใช้ multi-carrier modulation ในการใช้งาน และนี่ก็คือจุดเริ่มต้นของ OFDM ที่เป็นหนึ่งใน multi-carrier modulation
ปี 1971 การทำ multi-carrier modulation ก็เริ่มที่จะเกิดขึ้นได้จริง ด้วยการใช้เทคนิคของ FFT (Fast Fourier Transform) และใช้ cyclic prefix ในOFDM ด้วยฝีมือของคุณ Weinstein และ Elbert ทำให้สิ่งที่เคยเป็นเพียงทฤษฎีเริ่มเป็นรูปเป็นร่างขึ้น จากนั้น ก็ได้มีการพัฒนาปรับปรุงขึ้นมาตามลำดับ จนกระทั่ง OFDM เริ่มที่จะเป็นเทคโนโลยีที่ใช้ได้จริง ไม่ใช่เพียงความฝันอีกต่อไป ซึ่งในปี 1993 นั่นเอง เทคโนโลยี DSL ก็ได้นำเอา OFDM หรือในอีกชื่อว่าdiscrete multitone มาใช้งาน และนี่ก็เป็นการเปิดตัวกับเทคโนโลยีการสื่อสารที่ไม่เลวเลยทีเดียว
ในปี 1999 IEEE ก็ได้กำหนดให้ 802.11a (ซึ่งไม่มีใช้ในบ้านเรา) ใช้เทคโนโลยี OFDM ในย่านความถี่ 5GHz และจากนั้นในอีก 2 ปีถัดมา IEEE ก็ได้กำหนดให้เทคโนโลยีไวแมกซ์ใช้งาน OFDM และได้กลายเป็นแนวทางสำหรับการพัฒนาไวแมกซ์ต่อๆมา และปี 2003 802.11g ก็ได้กำหนดใช้งาน OFDM ด้วยอีกเช่นกัน
เป็นไงบ้างล่ะครับ ถึงแม้ว่าจะพบมันมานานมากแล้วก็ตาม (อย่างน้อยก็มากกว่าอายุผมล่ะ ) แต่กว่าจะได้เป็นผู้ยิ่งใหญ่ในวงการสื่อสาร ก็ไม่ใช่ง่ายๆเลยนะครับ กินเวลานานเลยทีเดียว ฉะนั้น พวกเราก็ต้องสู้ไม่ถอยเช่นกัน อย่างยอมแพ้ความยากลำบากที่เกิดขึ้นนะครับ
แล้ว OFDM คืออะไรล่ะ?
ว่ากันมาเสียตั้งนาน ยังไม่แนะนำให้รู้จักกันเลย เจ้า OFDM นั้นมีชื่อเต็มๆว่า Orthogonal Frequency Division Multiplex ครับ คุ้นๆไหม มันจะคล้ายกับFrequency Division Multiplex หรือ FDM ครับ ดังนั้น หลักการของมันก็คือ การทำมัลติเพล็กซ์สัญญาณหลายๆสัญญาณหรือการแบ่งช่องสัญญาณด้วยความถี่นั่นเอง
แล้วมันต่างกับของเดิมอย่างไรล่ะ ของเดิมหรือ FDM นั้น จะเป็นเพียงการแบ่งสัญญาณความถี่ออกจากกัน เพื่อให้แต่ละช่องสัญญาณนั้นไม่มีการรบกวนกันและทำการรับส่งข้อมูลกันได้อย่างราบรื่น แต่การที่จะทำให้มันไม่รบกวนกันนั้น จำเป็นที่จะต้องมี Guard band ที่เป็นช่องว่างความถี่ที่ไม่สามารถใช้งานได้ และกลายเป็นความสูญเปล่าที่ไม่เกิดประโยชน์อะไร
ดังนั้น เพื่อเป็นการเพิ่มประสิทธิภาพของการทำมัลติเพล็กซ์บนความถี่ ก็ได้หามุมมองอื่นที่จะเข้ามาช่วย และในคณิตศาสตร์ก็มีคำๆหนึ่งก็คือคำว่าOrthogonal ซึ่งเป็นการทำให้แต่ละช่องสัญญาณนั้นเป็นอิสระต่อกัน ไม่สามารถที่จะส่งผลกระทบต่อกันและกันได้ เป็นไงครับฟังดูดีใช่ไหมครับ คำถามต่อไปก็คือ แล้วจะทำได้อย่างไร ก็จะขอเป็นเชิงคณิตศาสตร์สักนิดหนึ่งนะครับ แต่ก็จะพยายามไม่ให้ลึกจนเกินไปนัก จะได้ไม่หลุดโลกจนเกินไป หากใครคิดว่ามันลึกไป ก็อ่านข้ามๆ ไป ก็ได้นะครับ
ในทางคณิตศาสตร์แล้ว เมื่อค่าสัญญาณทั้งสองนั้น Orthogonal ต่อกัน ค่า product ของเวกเตอร์ของสัญญาณทางคณิตศาสตร์ก็จะเป็นศูนย์ ซึ่งก็คือเป็นอิสระต่อกัน ตัวอย่างเช่น
ซึ่งจะเห็นได้ว่า ทิศทางของเวกเตอร์นั้นจะพุ่งไปคนละทิศทางอย่างสมบูรณ์ จึงเป็นอิสระกันอย่างสมบูรณ์ แล้วคราวนี้ สำหรับสัญญาณความถี่ ซึ่งเป็นลักษณะSine wave นั้น จะเป็นอย่างไรล่ะ
สำหรับสัญญาณ Sine wave นั้น จะเป็น Orthogonal ต่อกันก็ต่อเมื่อ การทำ integral ของการคูณของมันได้เท่ากับศูนย์ ต่อหนึ่งช่วงเวลา (T=2)ตัวอย่างเช่น หากสัญญาณทั้งสองต่างกันอยู่ 90 องศาซึ่งจะเป็น Orthogonal ต่อกัน สามารถที่จะแยกจากกันได้อย่างอิสระด้วยวิธีการของ Phase Shift Keying ซึ่งก็จะเป็นฟังก์ชัน Sin(x) กับ Cos(x) ก็จะเขียนสมการได้ว่า
และมันจะเป็น Orthogonal ต่อกัน ดังจะเห็นได้ว่า ค่า Integral ของมันเท่ากับศูนย์ ซึ่งการอินทิเกรตก็คือการรวมพื้นที่ใต้กราฟเข้าด้วยกันอย่างมีทิศทาง ทำให้มันหักล้างกันไปหมด จนกลายเป็นศูนย์นั่นเอง
นอกจากนี้ ความถี่ฮาร์โมนิกนิกหรือความถี่ที่เป็นจำนวนเท่าของความถี่ใดๆก็จะมีลักษณะ Orthogonal กับความถี่ดั้งเดิมหรือชุดความถี่ฮาร์โมนิกของความถี่นั้นเช่นกัน เช่น Sin (2x) กับ Sin (3x) เป็น Orthogonal กันและเป็น Orthogonal กับ Sin(x) ด้วย เป็นต้น ซึ่งทำให้เราได้ชุดความถี่สำหรับแต่ละช่องสัญญาณที่เป็น Orthogonal ต่อกันได้ด้วยวิธีนี้นี่เอง ซึ่งเมื่อเราสามารถจัดให้ความถี่ในแต่ละช่องสัญญาณนั้นเป็น Orthogonal กันได้ ความจำเป็นที่จะต้องมีGuard band เพื่อป้องกันการรบกวนกันนั้นก็จะหมดไป ทำให้ใช้ความถี่ได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น
ฟังดูอาจจะงงๆ ก็จะขออธิบายเป็นรูปแบบของกราฟง่ายๆเลยนะครับ จากรูป จะแสดงให้เห็นผลของการใช้สัญญาณความถี่ที่ไม่ orthogonal กันและผ่านการมอดูเลชันมาแล้ว จะพบว่า สัญญาณฮาร์โมนิกที่เกิดจากการมอดูเลชันจะเข้าไปกวนสัญญาณข้างเคียง ไม่สามารถที่จะแยกออกจากกันได้อย่างเด็ดขาด ทำให้ FDM จำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องมี Guard band ระหว่างช่องสัญญาณ เพื่อป้องกันหรือลดทอนการรบกวนจากสัญญาณจากช่องสัญญาณรอบข้างดังกล่าวให้มากที่สุด
แต่สำหรับช่องสัญญาณที่ Orthogonal กันนั้น เมื่อผ่านการมอดูเลชันที่ทำให้เกิดสัญญาณ sideband รอบข้างขึ้นนั้น กลับไม่มีผลต่อช่องสัญญาณของอีกช่องสัญญาณซึ่งจะสังเกตได้จากความถี่กลางของช่องสัญญาณไม่มีสัญญาณรบกวนใดๆ เนื่องจากช่องสัญญาณนั้นเป็น Orthogonal กัน ซึ่งทำให้ไม่จำเป็นต้องใช้ Guard band มาช่วยป้องกันและทำให้สูญเสียสเปกตรัมความถี่ไปบางส่วนอย่างเปล่าประโยชน์ และทำให้การรับส่งสัญญาณความถี่นี้เป็นไปอย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น ได้อัตรา Throughput ที่สูงกว่านั่นเอง
และเมื่อได้ช่องสัญญาณ Orthogonal กันเช่นที่ความถี่ X, 2X, 3X kHz เราก็สามารถที่จะย้ายความถี่ไปด้วยวิธีการต่างๆ เช่นการ modulation ให้ไปยังความถี่อื่นที่ใช้รับส่งออกอากาศ เช่นที่ Y MHz สัญญาณ Y MHz+X kHz, Y MHz + 2X kHz เป็นต้น ก็ยังคงเป็น Orthogonal ต่อกันอยู่ และยังคงช่วยให้การใช้งานความถี่มีประสิทธิภาพสูงเช่นเคย
และเมื่อได้หลักการสร้างสัญญาณ OFDM มาแล้ว เราก็สามารถที่จะทำการสร้างสัญญาณที่แต่ละช่องสัญญาณเป็นอิสระต่อกันขึ้นได้ และโดยทั่วไปแล้ว การใช้งาน OFDM ที่เกิดขึ้นจะเป็นลักษณะของ Multi-carrier Communication ซึ่งจะช่วยในเรื่องของสัญญาณรบกวนต่างๆได้ดีกว่า โดยจะทำการกระจายสัญญาณออกเป็นหลายๆสายและส่งเข้าไปในแต่ละช่องสัญญาณเพื่อส่งออกอากาศอีกทีหนึ่ง ทำให้สัญญาณที่ออกไปมีคุณภาพดี และยังประหยัดความถี่จากประสิทธิภาพของ OFDM อีกด้วย แต่มักจะใช้กับสัญญาณของยูสเซอร์เพียงยูสเซอร์เดียว และให้หลายๆยูสเซอร์ใช้งานร่วมกันด้วยวิธี TDMA หรือFDMA ธรรมดาเท่านั้นเอง ดังนั้นจึงมีการคิดค้น OFDMA ขึ้นมา โดยเราจะว่ากันต่ออีกทีครับ
แล้วทำไม เราจึงต้องการ IFFT สำหรับ OFDM ด้วยล่ะ?
สำหรับวิธีการของ OFDM ก็นับว่าน่าสนใจทีเดียว แต่ในทางปฏิบัตินั้น หากเราจะพิจารณาถึงความเป็นไปได้ในการสร้างสัญญาณ OFDM นั้น จำเป็นที่จะต้องใช้ความถี่หลายๆชุดด้วยกัน ซึ่งจำเป็นที่จะต้องใช้ Oscillator หลายชุด วิธีนี้เรียกว่า Discrete Technology เป็นวิธีที่ค่อนข้างสิ้นเปลือง และมีขนาดใหญ่ ยากที่จะใช้งานในอุปกรณ์ขนาดเล็ก เช่น โทรศัพท์เคลื่อนที่หรือการ์ด PCMCIA ได้ หากใช้วิธีนี้ โอกาสที่จะเห็นอุปกรณ์การสื่อสารขนาดเล็กเช่นไวไฟหรือไวแมกซ์ 802.16e ก็ยากที่จะเกิดขึ้นได้
ดังนั้น จึงได้ค้นหาวิธีที่จะทำให้การใช้งาน OFDM เป็นจริงขึ้นมาได้ และวิธีที่ว่านั้นก็คือ การใช้งาน IFFT หรือ Inverse Fast Fourier Transformซึ่งจะเป็นการใช้วิธีการทางคณิตศาสตร์จนกระทั่งได้แซมปลิงสัญญาณที่ความถี่ต่างๆที่ Orthogonal กันออกมา จากนั้นจึงค่อยส่งออกอากาศไปนั่นเอง ซึ่งวิธีนี้จะประหยัดทั้งพลังงาน ขนาดเล็ก และง่ายต่อการออกแบบมากกว่า ทำให้อุปกรณ์ที่ใช้งานมีขนาดเล็กและปยะหยัดพลังงานมากกว่า จึงเป็นวิธีที่นิยมใช้งานกันในปัจจุบัน
การกำจัดสัญญาณ Inter Symbol Interference
ในโลกแห่งการสื่อสารไร้สาย ปัญหาที่สำคัญอีกชนิดหนึ่งก็คือ ปัญหาของ ISI หรือ Inter Symbol Interference ซึ่งเกิดจากสัญญาณคลื่นวิทยุได้วิ่งกระจายออกไปในหลายๆทิศทาง และมีการสะท้อนต่างๆนานา มารวมกันที่อุปกรณ์รับสัญญาณ ซึ่งทำให้เกิดการรบกวนของสัญญาณขึ้น ทั้งๆที่เป็นสัญญาณจากแหล่งกำเนิดเดียวกัน หากแต่ระยะทางที่มากกว่าและการสะท้อนต่างๆทำให้สัญญาณที่สะท้อนนั้นมาถึงล่าช้าและได้กลายมาเป็นสัญญาณรบกวนได้
วิธีการที่ใช้ต่อสู้กับปัญหานี้ของ OFDM ก็คือการใช้ Cyclic Prefix วิธีการก็คือ นำเอาส่วนสุดท้ายของสัญญาณมาส่งออกไปก่อนเพื่อชิมลางและสะสมข้อมูลการเกิด ISI เพื่อที่จะสร้าง Equializer ที่เหมาะสมในการต่อสู้กับสัญญาณ ISI นั้น ซึ่งทำให้ OFDM สามารถที่จะแก้ไขปัญหา ISI ได้อย่างมีประสิทธิภาพ อันเป็นการเสริมส่งข้อดีที่มีอยู่แล้วของ OFDM ให้น่าสนใจมากยิ่งขึ้น
จาก OFDM สู่ OFDMA
และเมื่อเราต้องการที่จะใช้งาน OFDM สำหรับการรับส่งคลื่นวิทยุสำหรับหลายๆยูสเซอร์เช่นเดียวกับที่ FDM เคยเป็นมาแล้ว นั่นคือ FDM ก็กลายเป็น FDMA ฉะนั้น OFDM ก็กลายเป็น OFDMA
ยังครับ!!! อย่าพึ่งเดินหนีไปไหน หลายคนคงนึกด่าผมในใจไปแล้วว่า เล่นกันง่ายๆยังงี้เลยเหรอ แหม มันก็ไม่ได้ง่ายขนาดนั้นหรอกครับ มันก็มีรายละเอียดเพิ่มเติมอีกนิดหน่อยครับ
ลักษณะของ OFDMA นั้น จะเป็นการแบ่งช่องสัญญาณย่อยหรือ Subcarrier ให้กับแต่ละยูสเซอร์ หากแต่การแบ่งนั้น จะเป็นลักษณะผสมผสานของTDMA และ FDMA นั่นก็คือ จะมีการเปลี่ยนแปลงช่องสัญญาณความถี่ย่อยตามเวลาที่เปลี่ยนไป โดยจำนวนของช่องสัญญาณแต่ละยูสเซอร์นั้นก็จะขึ้นกับคุณภาพการให้บริการหรือ QoS ที่ให้บริการนั้น
ข้อดีของการทำเช่นนี้ก็คือ มันจะช่วยกระจายความเสี่ยงที่เกิดขึ้นจากสัญญาณรบกวน โดยเฉพาะสัญญาณรบกวนแบบ Narrow band interferenceได้ดี หากเกิดการรบกวนขึ้น สัญญาณที่หายไปก็จะเป็นเพียงแค่ส่วนย่อยและชั่วคราวเท่านั้น สามารถที่จะแก้ไขได้ด้วยวิธีการอื่น เช่น การใช้ Error Codingเป็นต้น ทำให้คุณภาพสัญญาณที่มีนั้นดีขึ้น อีกทั้งทำให้สามารถที่จะใช้ทรัพยากรความถี่ร่วมกันหลายๆยูสเซอร์ได้
และสำหรับท่านที่สนใจเทคโนโลยีไวแมกซ์ 802.16e จะใช้งานเทคโนโลยี S-OFDMA (Scalable OFDMA) ซึ่งข้อแตกต่างของมันก็คือ จำนวนช่องสัญญาณย่อยที่ใช้งานกับยูสเซอร์ทั้งหมดสามารถที่จะเปลี่ยนแปลงไปได้ เนื่องจากในการใช้งาน 802.16e นั้น จะเป็นลักษณะแบบเคลื่อนที่ มีการ Hand off ระหว่างสถานี และอาจทำให้มีการเปลี่ยนแปลงจำนวนช่องสัญญาณที่มีไปได้ อีกทั้งในแต่ละประเทศ ก็จะมีจำนวนแบนด์วิธให้ใช้งานไวแมกซ์ไม่เท่ากัน ดังนั้น จะต้องมีการเปลี่ยนแปลงจำนวนช่องสัญญาณย่อยไปตามสภาพแวดล้อม โดยที่ระยะระหว่างช่องสัญญาณยังคงเดิมอยู่ที่ 10.94 kHz เพื่อเป็นการรักษาOrthogonality ไว้นั่นเอง
ครับ เป็นอย่างไรบ้างครับ พอจะทำให้คุ้นเคยกับเทคโนโลยีนี้มากขึ้นไหมครับ เพราะเทคโนโลยีนี้เป็นเทรนด์ของเทคโนโลยีใหม่ๆไร้สายที่จะเกิดขึ้นมาอีกมากมาย ทั้งเทคโนโลยีไวแมกซ์ที่เรากำลังจะได้เห็นกันเร็วๆนี้ (แต่ประเทศไทยคงต้องรออีกสักนิดครับ ) เทคโนโลยี LTE ซึ่งเป็นเทคโนโลยีระดับ 4Gที่จะเกิดขึ้นต่อไป 802.11n ที่เป็นไวไฟโฉมใหม่ที่อาจจะพลิกวงการสื่อสารไร้สายไปเลยก็ได้ เป็นต้น ดังนั้น ก็คงจะดีกว่า ถ้าเรารู้จักกับมันไว้เสียแต่เนิ่นๆ จะได้ทำความเข้าใจเทคโนโลยีใหม่ๆได้อย่างรวดเร็วมากขึ้น ครับ มาถึงตรงนี้ ก็คงต้องจบลงแค่นี้ครับ ไว้คราวหน้า จะนำเสนอเทคโนโลยีอื่นๆที่น่าสนใจต่อไป
