Bài tập lớn thông tin di động MÔ PHỎNG HỆ THỐNG OFDM TRÊN KÊNH NHIỄU PHÂN TẬP ĐA ĐƯỜNG VÀ KÊNH NHIỄU GAUSSE

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN THÔNG TIN DI ĐỘNG Đề tài MÔ PHỎNG HỆ THỐNG OFDM TRÊN KÊNH NHIỄU PHÂN TẬP ĐA ĐƯỜNG VÀ KÊNH NHIỄU GAUSSE NHÓM 12 Sinh viên thự.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN THÔNG TIN DI ĐỘNG

Hà Nội, 2022

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, nhu cầu truyền thông không dây càng ngày càng tăng Các hệ thốngthông tin tương lai đòi hỏi phải có dung lượng cao hơn, tin cậy hơn, sử dụng băngthông hiệu quả hơn, khả năng chống nhiễu tốt hơn Hệ thống thông tin truyền thống vàcác phương pháp ghép kênh cũ không còn khả năng đáp ứng được các yêu cầu của hệthống thông tin tương lai

Trong hệ thống thông tin di động, kỹ thuật phân tập được sử dụng để hạn chế ảnhhưởng của fading đa đường, tăng độ tin cậy truyền tin mà không phải tăng công suấtphát hay băng thông Thực tế các kỹ thuật phân tập cho phép lợi dụng những nhượcđiểm do kênh truyền gây nên trong hệ thống thông tin vô tuyến đã được nghiên cứunhiều Trong những năm gần đây, kỹ thuật phân tập đa người dùng cũng đã và đangđược nghiên cứu trong những hệ thông tin cho thế hệ 4G, 5G nhằm nâng cao chấtlượng hệ thống này Hiện nay đa sóng mang đã được ứng dụng trong hệ thông tinLTE, WIMAX Vậy phân tập đa người dùng được áp dụng như thế nào trong hệ đasóng mang Xuất phát từ ý tưởng trên, nhóm em đã lựa chọn đề tài bài tập lớn củamình là ”Mô phỏng hệ thống OFDM trên kênh nhiễu phân tập đa đường và kênh nhiễuGausse”, một trường hợp riêng của đa sóng mang Mục đích của bài tập lớn là để tiếnhành tìm hiểu kỹ thuật phân tập đa người dùng trong việc chia sẻ tài nguyên vô tuyếngiữa các người dùng với các yêu cầu dịch vụ khác nhau Sau đó mô phỏng hệ thốngtrên phần mềm MATLAB để phân tích, so sánh với ý tưởng đề ra Từ đó đưa ra cácnhận xét và chọn ra phương pháp lập lịch tối ưu ứng với từng điều kiện cụ thể

Nhóm chúng em xin gửi lời cảm ơn tới thầy giáo PGS.TS Nguyễn Văn Đức,

người trực tiếp đã hướng dẫn, chỉ bảo chúng em tận tình trong đề tài này

Nội dung của bài tập lớn gồm 5 chương:

Chương 1: Tổng quan về OFDM

Chương 2: Kênh vô tuyến

Chương 3: Kiến trúc bộ phát tín hiệu OFDM

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH ẢNH i

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ OFDM 1

1.1 Phương pháp điều chế sóng mang đơn 1

1.2 Phương pháp điều chế đa sóng mang FDM 2

1.3 Phương pháp điều chế đa sóng mang trực giao OFDM 3

CHƯƠNG 2 KÊNH VÔ TUYẾN 5

2.1 Mô hình các kênh vô tuyến cơ bản 5

2.1.1 Kênh theo phân bố Rayleigh 5

2.1.2 Phân bố Rice 6

2.2 Quan hệ giữa tín hiệu phát, thu và mô hình kênh 6

2.3 Hiệu ứng đa đường 7

2.3.1 Rayleigh fading 7

2.3.2 Trải trễ 7

2.4 Hiệu ứng Doppler 8

2.4.1 Giới thiệu hiệu ứng Doppler 8

2.4.2 Biểu diễn toán học 9

2.5 Nhiễu trắng gausse (AWGN) 9

CHƯƠNG 3 KIẾN TRÚC THU PHÁT TÍN HIỆU OFDM 11

3.1 S/P 11

3.2 M-QAM 11

3.3 Chèn sóng mang ảo (Zeros insertion) 11

3.4 IFFT 12

3.5 Chèn khoảng bảo vệ (Guard insertion) 12

CHƯƠNG 4 MÃ TURBO 14

4.1 Tổng quan về mã turbo 14

4.1.1 Giới thiệu mã turbo 14

4.1.2 Sự kết nối mã và ra đời của mã turbo (TURBO CODE) 14

4.1.3 Bộ mã hóa tích chập hệ thống đệ quy RSC: 15

4.2 Mã hóa mã turbo 16

4.3.1 Tổng quan về các giải thuật giải mã 18

4.3.2 Giải thuật MAP 20

CHƯƠNG 5 MÔ PHỎNG HỆ THỐNG 22

5.1 Mô hình hệ thống 22

5.2 Thiết lập thông số 22

5.3 Kết quả và đánh giá 22

CHƯƠNG 6 KẾT LUẬN 24

TÀI LIỆU THAM KHẢO 25

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Mật độ phổ năng lượng của hệ thống truyền dẫn đơn sóng mang 2

Hình 1.2 Mật độ năng lượng của hệ thống đa sóng mang 2

Hình 1.3 Mật độ phổ năng lượng của tín hiệu điều chế đa sóng mang OFDM 4

Hình 1.4 a) phổ tín hiệu của một kênh con; b) phổ tín hiệu của hệ thống 4 kênh con 4

Hình 2.1 Phân bố Rayleigh 5

Hình 2.2 Mô hình kênh tuyến tính 6

Hình 2.3 Mô hình tổng quát của truyền dẫn phân tập đa đường 7

Hình 2.4 Mật độ phổ của tín hiệu thu 9

Hình 2.5 Mô hình truyền có nhiễu trắng 10

Hình 3.1 Sơ đồ hệ thống OFDM 11

Hình 3.2 Chèn Zero vào phần băng tần không sử dụng 12

Hình 3.3 Cấu tạo một tín hiệu OFDM 13

Hình 4.1 Mã kết nối nối tiếp 14

Hình 4.2 Mã kết nối song song 14

Hình 4.3 Bộ mã hoá RSC với r=1/2 k=3 16

Hình 4.4 Cách thức kết thúc trellis ở bộ mã RSC 16

Hình 4.5 Sơ đồ mã hoá mã Turbo 17

Hình 4.6 Mã SRC 17

Hình 4.7 Sơ đồ trạng thái(a) và sơ đồ lưới của mã chập (b) 17

Hình 4.8 Tổng quan các thuật toán giải mã 18

Hình 4.9 Bộ giải mã MAP 20

Hình 5.1 Mô hình hệ thống 22

Hình 5.2 Kết quả mô phỏng 23

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ OFDM

Kỹ thuật điều chế OFDM là một trường hợp đặc biệt của phuơng pháp điều chế

đa sóng mang trong đó các sóng mang phụ trực giao với nhau, nhờ vậy phổ tín hiệu ởcác sóng mang phụ cho phếp chồng lấn lên nhau mà phía thu vẫn có thể khôi phục lạitín hiệu ban đầu Nhờ vậy,hệ thống OFDM có hiệu suất sử dụng phổ lớn hơn nhiều sovới các kỹ thuật điều chế thông thường Với sự phát triển của kỹ thuật số làm cho kỹthuật điều chế OFDM được ứng dụng rộng rãi Thay vì sử dụng IDFT người ta có thể

sử dụng phép biến đổi nhanh IFFT cho bộ điều chế OFDM, sử dụng FFT cho bộ giảiđiều chế OFDM

1.1 Phương pháp điều chế sóng mang đơn

Trong phương pháp điều chế đơn sóng mang, dòng tín hiệu được truyền đi trêntoàn bộ băng tần B, có nghĩa là tần số lấy mẫu của hệ thống bằng độ rộng băng tần vàmỗi tín hiệu có độ dài là:

T sc= 1BTrong đó:

- T sc là độ dài của một mẫu tín hiệu (s)

- B là bề rộng băng tần của hệ thống (Hz)

Trong thông tin vô tuyến băng rộng, kênh vô tuyến thường là kênh phụ thuộc tần

số Tốc độ lấy mẫu ở thông tin băng rộng sẽ rất lớn, do đó chu lỳ lấy mẫu T sc sẽ rấtnhỏ Do đó phương pháp điều chế đơn sóng mang có những nhược điểm sau:

 Ảnh hưởng của nhiễu liên tín hiệu ISI gây ra bởi hiệu ứng phân tập đađường đối với tín hiệu thu là rất lớn Điều này được giải thích như sau: giảthiết trễ truyền dẫn lớn nhất của kênh là τ max, tỷ số tương đối giữa trễtruyền dẫn lớn nhất và độ dài mẫu tín hiệu là:

R sc=τ T max

sc

Tỷ số này lớn hơn nhiều so với trường hợp điều chế đa sóng mang Ảnhhưởng của trễ truyền dẫn có thể gây nhiễu liên tín hiệu ISI ở nhiều mẫu tínhiệu thu

 Ảnh hưởng của sự phụ thuộc kênh theo tần số là rất lớn đối với hệ thống

Do băng thông rộng kênh phụ thuộc vào tần số

 Hai lý do nêu trên làm cho bộ cân bằng kênh và lọc nhiễu ở máy thu làphức tạp

Hình 1.1 Mật độ phổ năng lượng của hệ thống truyền dẫn đơn sóng mang

Phương pháp điều chế đơn sóng mang hiện nay vẫn được sử dụng chủ yếu trongthông tin băng hẹp như hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM Trong thông tinbăng rộng, phương pháp điều chế đa sóng mang ra đời để cải thiện các nhược điểmtrên

1.2 Phương pháp điều chế đa sóng mang FDM

Phương pháp điều chế đa sóng mang được hiểu là toàn bộ băng tần của hệ thốngđược chia ra làm nhiều băng con với các sóng mang phụ cho mỗi băng con là khácnhau Ý tưởng của phương pháp này được mô tả trong hình 1.2

Hình 1.2 Mật độ năng lượng của hệ thống đa sóng mang

Phương pháp điều chế đa sóng mang còn được hiểu là phương pháp ghép kênhphân chia theo tần số FDM, trong đó toàn bộ bề rộng phổ tín hiệu của hệ thống đượcchia làm N C =2L+1 kênh song song hay còn gọi là kênh phụ với bề rộng là:

f S = B

N C(PT 5.6.1)

Độ dài của một mẫu tín hiệu trong điều chế đa sóng mang sẽ lớn hơn N C lần sovới độ dài mẫu tín hiệu trong điều chế đơn sóng mang:

T S(MC) = 1f

S =T S(SC)N C(PT 5.6.2)

Hệ quả là tỷ số tương đối giữa trẻ truyền dẫn lớn nhất của kênh đối với độ dàimẫu tín hiệu trong điều chế đa sóng mang cũng giảm N C lần so với điều chế đơn sóngmang

R MC=τ max

T MC =R SC / N C(PT 5.6.3)

Do vậy nhiều liên tín hiệu ISI gây ra bởi trễ truyền dẫn chỉ ảnh hưởng đến một số

ít các mẫu tín hiệu Chất lượng hệ thống ít bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng phân tập đađường Các ưu điểm cơ bản của phương pháp điều chế đa sóng mang so với phươngpháp điều chế đơn sóng mang có thể liệt kê như sau:

 Ảnh hưởng của nhiều liên tín hiệu ISI đến chất lượng hệ thống giảm đángkể

 Ảnh hưởng của hiệu ứng lựa chọn tin số của kênh (requency selectivityeffect) đối với chất lượng hệ thống cũng giảm do kênh được chia ra làmnhiều kênh phụ Độ phức tạp của bộ cân bằng kênh và lọc nhiễu cho hệthống cũng giảm

Tuy nhiên phương pháp điều chế đa sóng mạng cũng có một nhược điểm cơ bảnsau: Hệ thống nhạy cảm với hiệu ứng phụ thuộc thời gian của kênh (time selectivity).Điều này là do độ dài của một mẫu tín hiệu tăng lên, nên sự biến đổi về thời gian củakênh vô tuyến có thể xảy ra trong một mẫu tín hiệu

Phương pháp điều chế đa sóng mang không làm tăng hiệu quả sử dụng băng tầncủa hệ thống so với phương pháp điều chế đơn tần, ngược lại nếu các kênh phụ đượcphân cách với nhau ở một khoảng nhất định thì điều này lại làm giảm hiệu quả sử dụngphổ Để làm tăng hiệu quả sử dụng phổ của hệ thống đồng thời vẫn kế thừa được củaphương pháp điều chế đa sóng mang, phương pháp điều chế đa sóng mang trực giaoOFDM đã ra đời

1.3 Phương pháp điều chế đa sóng mang trực giao OFDM

Điều chế đa sóng mang trực giao OFDM là một dạng đặc biệt của phép điều chếsóng mang thông thường FDM với các sóng mang phụ được lựa chọn sao cho mỗisóng mang phụ là trực giao với các sóng mang phụ còn lại Nhờ sự trực giao này phổtín hiệu của các kênh con cho phép chồng lần lên nhau Điều này làm hiệu quả sử dụng

phổ tín hiệu của toàn hệ thống tăng rõ rệt Sự chồng lấn về phổ tiens hiệu của các kênhcon được mô tả như ở hình 1.3 và hình 1.4.

Hình 1.3 Mật độ phổ năng lượng của tín hiệu điều chế đa sóng mang OFDM

Hình 1.4 a) phổ tín hiệu của một kênh con; b) phổ tín hiệu của hệ thống 4 kênh con

Hình 1.4 minh họa một cách đơn giản về nguyên lý trực giao, trong đó tín hiệucủa một kênh con có dạng tín hiệu hình sin(x)/x Các kênh con được xếp đặt trên miềntần số cách nhau một khoảng đều đặn sai cho điểm cực đại của một kênh con là điểmkhông của kênh con lân cận Điều này làm nguyên lý trực giao thỏa mãn và cho phépmáy thu khôi phục lại tín hiệu mặc dù phổ của kênh con chồng lấn lên nhau

CHƯƠNG 2 KÊNH VÔ TUYẾN 2.1 Mô hình các kênh vô tuyến cơ bản

Trong mục này, chúng ta sẽ xem xét hai loại mô hình kênh vô tuyến cơ bản, đó là

mô hình kênh Rayleigh và kênh Rice

2.1.1 Kênh theo phân bố Rayleigh

Hàm truyền đạt của kênh thực chất là một quá trình xác xuất phụ thuộc cả thờigian và tần số Biên độ hàm truyền đạt của kênh tại một tần số nhất định sẽ tuân theophân bố Rayleigh nêu các điều kiện dưới đây của môi trường truyền dẫn được thảomãn:

 Môi trường truyền dẫn không có tuyến trong tầm nhìn thẳng, có nghĩa làkhông có tuyến có công suất tín hiệu vượt trội

 Tín hiệu ở máy thu nhận được từ vô số các hướng phản xạ và nhiều xạkhác nhau

Phân bố Rayleigh của biên độ hàm truyền đạt được đưa ra như phương trình dướiđây:

Trong đó χ: tham số lệch tâm

I0(.): Hàm Bessel sửa đổi bậc 0 loại 1

2.2 Quan hệ giữa tín hiệu phát, thu và mô hình kênh

Trong mục này, ta phân loại ra hai loại tín hiệu phát: Tín hiệu phát là thuộc vềlớp các hàm xác định và tín hiệu phát thuộc về lớp các hàm xác suất

Hình 2.6 Mô hình kênh tuyến tính.

Do kênh truyền dẫn là tuyến tính nên quan hệ này được biểu diễn như sau:

Trong đó: x(t) là hàm tín hiệu phát, y(t ) là tín hiệu thu, h(τ ) là đáo ứng xung của

kênh Ký hiệu ‘*’ là phép chập của hai tín hiệu.

Ở miền tần số:

2.3 Hiệu ứng đa đường

Hình 2.7 Mô hình tổng quát của truyền dẫn phân tập đa đường.

Trong trường hợp máy phát và máy thu đặt trong tầm nhìn thẳng thì sẽ có mộtluồng tín hiệu trong tầm nhìn thẳng LOS (line of sight) Tín hiệu này thường có cường

độ lớn hơn hẳn và chất lượng tín hiệu thu tốt hơn nhiều

2.3.2 Trải trễ

Tín hiệu vô tuyến thu được từ máy phát bao gồm tín hiệu trực tiếp và tín hiệuphản xạ từ các vật cản như các tòa nhà, đồi núi,… Tín hiệu phản xạ đến máy thu chậmhơn so với tín hiệu trực tiếp do chiều dài truyền lớn hơn Trải trễ là thời gian trễ giữatín hiệu đi thằng và tín hiệu phản xạ cuối cùng đến đầu vào máy thu

Trong hệ thống số, trải trễ có thể dẫn đến nhiễu liên ký tự ISI Điều này do tínhiệu đa đường bị trễ chồng lấn với ký hiệu theo sau, và nó có thể gây ra lỗi nghiêmtrọng ở các hệ thống tốc độ bit cao, đặc biệt là khi sử dụng ghép kênh phân chia theothời gian TDMA

2.4 Hiệu ứng Doppler

2.4.1 Giới thiệu hiệu ứng Doppler

Hiệu ứng Doppler là một hiệu ứng vật lý, đặt tên theo Christian AndreasDoppler, trong đó tần số và bước sóng của các sóng âm, sóng điện từ hay các sóng nóichung bị thay đổi khi mà nguồn phát sóng chuyển động tương đối với người quan sát.Khi nguồn tín hiệu và bên thu chuyển động tương đối với nhau, tần số tín hiệuthu không giống bên phía phát Khi chúng di chuyển cùng chiều (hướng về nhau) thìtần số nhận được lớn hơn tần số tín hiệu phát, và ngược lại khi chúng di chuyển ra xanhau thì tần số tín hiệu thu được là giảm xuống Đây gọi là hiệu ứng Doppler

Giả thiết góc tới của tuyến thứ k so với hướng chuyển động của máy thu

là φ k, khi đó tần số Doppler tương ứng của tuyến này là:

f D k = v

c f0 cos(φ k)

trong đó f0, v, c lần lượt là tần số sóng mang của hệ thống, vận tốc

chuyển động tương đối của máy thu so với máy phát và vận tốc ánh sáng

Giả thiết tín hiệu đến máy thu bằng nhiều luồng khác nhau với cường

độ ngang nhau ở khắp mọi hướng, khi đó phổ của tín hiệu tương ứng với

dịch tần Doppler được biểu diễn như sau:

∅ yy(t)= A

√1−(|f|−f0

f max )2,vớif0−f D, max ≤|f|≤ f0+f D,max

Phổ tín hiệu thu được biểu diễn ở hình dưới đây:

Hình 2.8 Mật độ phổ của tín hiệu thu

2.4.2 Biểu diễn toán học

Đối với sóng chuyển động trong một môi trường (như sóng âm), nguồn sóng và ngườiquan sát đều có thể chuyển động tương đối so với môi trường Hiệu ứng Doppler lúc

đó là sự tổng hợp của hai hiệu ứng riêng rẽ gây ra bởi hai chuyển động này

f =(v+v r

v+v s)f0

trong đó,

v là vận tốc lan truyền của sóng trong môi trường,

v r là vận tốc tương đối của người quan sát đối với môi trường, nhận giá trị dương nếungười quan sát tiến lại gần nguồn âm,

v s là vận tốc tương đối của nguồn đối với môi trường, nhận giá trị dương nếunguồn dịch chuyển ra xa đối với người quan sát

2.5 Nhiễu trắng gausse (AWGN)

AWGN tồn tại trong tất cả các hệ thống truyền dẫn Các nguồn nhiễu chính lànhiễu nền nhiệt, nhiễu điện từ các bộ khách đại bên thu và nhiều liên ký tự Các loạinhiễu này có thể gây ra nhiễu liên kí tự ISI, nhiễu liên sóng mang ICI và nhiễu liênđiều chế IMD (Inter-Modulation Distortion) Nhiễu này làm giảm tỉ số tín hiệu trênnhiễu SNR, giảm hiệu quả phổ của hệ thống

Hình 2.9 Mô hình truyền có nhiễu trắng

Với sự có mặt của AWGN, tín hiệu thu được:

CHƯƠNG 3 KIẾN TRÚC THU PHÁT TÍN HIỆU OFDM

Để thực hiện điều chế OFDM, trong thực tế người ta thay khối điều chế nhânsóng mang bằng phép biển đổi Furier ngược IFFT Việc sử dụng IFFT chính là yếu tốquan trọng nhất cho phép điều chế OFDM trở thành thực tiễn IFFT cũng là điểm vượttrội của OFDM so với FDM khi cho phép điều chế nhiều kênh cùng một lúc, điều nàyrất khó có thể thực hiện nếu sử dụng kỹ thuật FDM Sơ đồ dưới đây chỉ ra các điều chếOFDM trong thực tế

Hình 3.10 Sơ đồ hệ thống OFDM

3.1 S/P

Serial to Paralel – là bộ biến đổi nối tiếp ra song song, mục đích là tách từ mộtdòng bít tốc độ cao thành K dòng bít tốc độ thấp hơn K ở đây cũng chính là số sóngmang mang dữ liệu của hệ thống

3.2 M-QAM

Điều chế M-QAM là quá trình ánh xạ các cặp bit ở đầu vào A thành các tín hiệuphức trong chòm sao điều chế M-QAM ở đầu ra B

3.3 Chèn sóng mang ảo (Zeros insertion)

Chèn sóng mang ảo trong OFDM nhằm đảm bảo thành phần trung bình mộtchiều trong tín hiệu bằng không và để tạo khoảng bảo vệ tần số giữa các hệ thống tín