i BẢNG KÝ HIỆU VIẾT TẮT 2B1Q 2 Binary, 1 Quaternary Hai bit nhị phân được mã hóa thành một trong bốn mức biên độ 4B3T 4 Binary, 3 Ternary Mã hóa 4 bit nhị phân thành một nhóm ba ký hi
Trang 1ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
ĐỖ THỊ THU
KẾT HỢP ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT VÀ PHÂN BỐ BIT CHO TRƯỜNG HỢP HỆ
FDD-DMT ĐA NGƯỜI DÙNG
LUẬN VĂN THẠC SỸ
Hà Nội - 2007
Trang 2ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
ĐỖ THỊ THU
KẾT HỢP ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT VÀ PHÂN BỐ BIT CHO TRƯỜNG HỢP HỆ
FDD-DMT ĐA NGƯỜI DÙNG
Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Mã số:
LUẬN VĂN THẠC SỸ
Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Viết Kính
Hà Nội - 2007
Trang 3MỤC LỤC
Bảng ký hiệu viết tắt……….i
Mở đầu……… iii
CHƯƠNG 1 HỆ ĐA SÓNG MANG, ĐA NGƯỜI DÙNG 6
1.1 Giới thiệu 6
1.2 Nguyên lý của kỹ thuật điều chế đa sóng mang 6
1.2.1 Lịch sử phát triển 6
1.2.2 Nguyên tắc điều chế đa sóng mang Error! Bookmark not defined 1.2.3 Tính chất của hàm cơ sở trong không gian pha (thời gian, tần số) Error!
Bookmark not defined
1.2.4 Các loại truyền dẫn đa sóng mang Error! Bookmark not defined 1.2.5 Hiệu suất phổ của hệ điều chế đa sóng mang Error! Bookmark not
defined
1.3 Truyền dẫn đa kênh trong x.DSL Error! Bookmark not defined 1.4 Kỹ thuật đa âm rời rạc (DMT) Error! Bookmark not defined 1.4.1 Tối ưu kiểu “rót nước” Error! Bookmark not defined 1.4.2 Thuật toán rót nước với các bit thông tin rời rạc, [4] Error! Bookmark not
defined
1.4.3 Mã hóa độc lập các kênh con, [4] Error! Bookmark not defined
CHƯƠNG 2 ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT, PHÂN BỐ BIT Error! Bookmark not
defined
2.1 Môi trường DSL Error! Bookmark not defined 2.1.1 Phương pháp tần số tham chiếu (Reference Frequency Method) Error!
Bookmark not defined
2.1.2 Phương pháp chiều dài tham chiếu (Reference Length Method) Error!
Bookmark not defined
2.1.3 Phương pháp làm bằng FEXT (Equalized-FEXT Method) Error!
Bookmark not defined
2.1.4 Phương pháp nhiễu tham chiếu (Reference Noise Method) Error!
Bookmark not defined
Trang 42.2 Tối ưu cạnh tranh Error! Bookmark not defined 2.3 Điều khiển công suất phân bố Error! Bookmark not defined 2.3.1 Mô tả thuật toán Error! Bookmark not defined 2.3.2 Hiệu năng hệ thống Error! Bookmark not defined 2.4 Phân bổ bit đa người dùng Error! Bookmark not defined 2.4.1 Phân bố công suất và bit đa người dùng Error! Bookmark not defined 2.4.2 Thuật toán điều khiển công suất và tốc độ Error! Bookmark not defined
CHƯƠNG 3 KẾT HỢP ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT VÀ PHÂN BỐ BIT CHO
HỆ FDD-DMT ĐA NGƯỜI DÙNG Error! Bookmark not defined
3.1 Phát biểu bài toán Error! Bookmark not defined 3.2 Thuật toán lặp tốc độ chuẩn hóa Error! Bookmark not defined 3.3 Cài đặt chương trình và sự hội tụ của thuật toán Error! Bookmark not
defined
3.4 Các kết quả mô phỏng Error! Bookmark not defined
Kết luận chung………75 Tài liệu tham khảo……….77 Phụ lục……….79
Trang 5i
BẢNG KÝ HIỆU VIẾT TẮT
2B1Q 2 Binary, 1 Quaternary Hai bit nhị phân được mã hóa
thành một trong bốn mức biên độ
4B3T 4 Binary, 3 Ternary Mã hóa 4 bit nhị phân thành một
nhóm ba ký hiệu tam phân (+, 0, -)
ADSL Asymmetric Digital Subscriber
Line
Đường dây thuê bao số không đối xứng
AMI Alternative Mark Inversion Mã đảo dấu luân phiên
AWGN Additive White Gaussian Noise Nhiễu Gauss trắng cộng tính
BER Bit Error Rate Tỷ lệ lỗi bit
CO Central Office Trạm trung tâm
COFDM Orthogonal Frequency Division
Multiplexing
Hợp kênh phân chia theo tần số trực giao
CP Customer Premises Nhà khách hàng
DAB Digital Audio Broadcasting Hệ thống quảng bá âm thanh số
DFE Decision Feed-back Equalizer Bộ cân bằng phản hồi quyết định
DFT Discrete Fourier Transform Phép biến đổi Fourier rời rạc
DMT Discrete Multi-Tone Đa âm rời rạc
DS DownStream Đường xuống
DVB-T Digital Video Broadcasting-
Terrestrial
Truyền hình số mặt đất
FDD Frequency Division Duplex Song công phân chia theo tần số
FDM Frequency Division
Multiplexing
Hợp kênh phân chia theo tần số
FFT Fast Fourier Transform Phép biến đổi Fourier nhanh
ICI Inter-Carrier Interference Nhiễu xuyên sóng mang
IFFT Inverse Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh ngược
ISDN Integrated Service Digital
Network
Mạng số tích hợp đa dịch vụ
ISI Inter-Symbol Interference Nhiễu xuyên ký hiệu
Trang 6ii
LMS Least Mean Square Bình phương trung bình tối thiểu
LPF Low-Pass Filter Mạch lọc thông thấp
LT Line Termination Đầu cuối đường dây
MC-CDMA MultiCarrier Code Devision
Multiple Access
Đa truy cập phân chia theo mã đa sóng mang
MCM MultiCarrier Modulation Điều chế đa sóng mang
MSE Mean-Squared Error Sai số trung bình bình phương
NRIA Normalized-Rate Iterative
Algorithm
Thuật toán lặp tốc độ chuẩn hóa
NT Network Termination Đầu cuối mạng
OFDM Orthogonal Frequency Division
Multiplexing
Hợp kênh phân chia theo tần số trực giao
ONU Optical Network Unit
PAR Peak to Average power Ratio Tỉ số công suất đỉnh trên công suất
trung bình
PSD Power Spectrum Density Mật độ phổ công suất
QAM Quadrature Amplitude
Modulation
Điều chế biên độ trực giao
RSMP Rate Sum Maximum Problem Vấn đề tối đa hóa tổng tốc độ
SMC Spectrum Manage Center Trung tâm quản lý phổ
SMC Spectrum Management Center Trung tâm quản lý phổ
SNR Signal to Noise Ratio Tỉ số tín trên tạp
UPBO UpStream Power Back Off Giảm công suất hướng lên
US UpStream Đường lên
VDSL Very high speed Digital
Subscriber Line
Đường dây thuê bao số tốc độ rất cao
WLAN Wireless Local Area Network Mạng cục bộ không dây
WPSMP
Weight Power Sum Maximum Problem
Vấn đề tối thiểu hóa tổng công suất
có trọng số
x.DSL x-type Digital Subscriber Line Các kiểu đường dây thuê bao số
Trang 7iii
MỞ ĐẦU
Hiện nay, do nhu cầu thông tin ngày càng cao, truyền thông đa phương tiện trên kênh vô tuyến đang được mở rộng không ngừng, yêu cầu ngày càng cao về tốc
độ cũng như chất lượng phục vụ Đối với các dịch vụ có tốc độ truyền dữ liệu lớn trong môi trường vô tuyến chịu nhiều ảnh hưởng của môi trường (fading, di động, đa đường, chọn lọc tần số, .) làm giảm chất lượng các dịch vụ Để khắc phục hiện tượng này người ta sử dụng phương pháp điều chế đa sóng mang(MCM)
Kỹ thuật truyền dẫn đa sóng mang là kỹ thuật truyền thông chia luồng dữ liệu thành một số các kênh con độc lập truyền trên nhiều sóng mang con khác nhau, trong
đó kênh con có băng tần nhỏ hơn tốc độ dữ liệu tổng cộng Kỹ thuật này mang lại nhiều ưu điểm cho cả hệ thống có dây và không dây và vì vậy được sử dụng trong rất nhiều các hệ thống thực tế Một trong những ưu điểm của kỹ thuật này là có khả năng chống lại nhiễu giữa các ký hiệu (ISI) gây ra bởi kênh đa đường khá tốt Nếu kênh là chọn lọc tần số, tỷ lệ lỗi của mỗi kênh con có thể khác nhau Một trong những sơ đồ truyền thông để khắc phục tính chọn lọc tần số là đa âm rời rạc (DMT) Trong hệ thống DMT, mức công suất và cấp phát bit cho mỗi kênh con được tối ưu khi sử dụng kỹ thuật rót nước (water-filling) Tuy nhiên, với những kênh có đáp ứng xung thay đổi theo thời gian thì hiệu năng của DMT giảm nghiêm trọng do kênh không chọn lọc tần số và sự trễ của thông tin phản hồi
Mặt khác, công nghệ đường dây thuê bao số (DSL) cho phép truyền dữ liệu tốc độ cao trên đường dây điện thoại truyền thống Trước đây khi số lượng thuê bao
ít, mỗi thuê bao được nối đến tổng đài trung tâm bằng một đường dây riêng vì thế không cần quan tâm đến đường dây của thuê bao khác Tuy nhiên, với tốc độ tăng trưởng nhanh của các sản phẩm Công nghệ Thông tin và Truyền thông ở Việt Nam cũng như trên toàn thế giới hiện nay nên số lượng thuê bao sử dụng ngày càng nhiều lên Do đó, tổng đài phải phục vụ hàng trăm nghìn thuê bao khác nhau nên các đường dây thuê bao này thường được bó lại với nhau trên cùng một đường đến tổng đài trung tâm Các đường dây đặt cạnh nhau nên chúng tạo ra điện từ trường và gây nhiễu lên nhau Khi tăng công suất phát thì ảnh hưởng của điện từ trường lên nhau càng trở nên mạnh mẽ nhưng nếu giảm công suất phát thì tốc độ cũng bị giảm theo Điều này lại trở thành một thách thức mới đối với công nghệ, phải biết dung hòa giữa lượng công suất phát sao cho nhiễu là chấp nhận được và tốc độ không quá thấp Đứng về mặt kỹ thuật, sự ảnh hưởng nhiễu giữa các người dùng trong một bó cáp có thể hình dung như trong một môi trường đa người dùng trong truyền thông không dây Điểm khác biệt ở đây là trong môi trường DSL đa người dùng, tín hiệu mã hóa
sẽ được truyền đi trên các đường dây do vậy có thể xem kênh truyền đã biết và cố
Trang 8iv
định Do đó, trong hệ thống DSL có thể áp dụng kỹ thuật truyền dẫn đa sóng mang
và sử dụng DMT để tránh nhiễu
Có thể thấy, do suy giảm trong các đường dây khác nhau là khác nhau, xuyên
âm gây ra ở đường dây có thuê bao gần trạm trung tâm có thể lấn áp tín hiệu dữ liệu đến từ đầu dây của thuê bao ở xa trạm trung tâm Do đó hiệu suất của mạch dài bị ảnh hưởng nghiêm trọng bởi đường truyền của mạch ngắn Vì vậy, các thuê bao ở gần trạm cần phải có công suất phát nhỏ hơn công suất phát của những thuê bao ở xa trạm Việc giảm mật độ công suất hướng lên này (được gọi là UPBO) bao gồm phương pháp tần số tham chiếu, phương pháp chiều dài tham chiếu, phương pháp cân bằng FEXT, phương pháp nhiễu tham chiếu, … Tuy nhiên, các phương pháp này luôn đòi hỏi một tác nhân điều khiển trung tâm Điều này thường khó thực hiện vì hiện nay có rất nhiều nhà cung cấp dịch vụ nên thông thường trong một bó cáp sẽ là đường dây thuê bao của nhiều nhà cung cấp dịch vụ khác nhau Để khắc phục điều này, Yu đã đưa ra một giải pháp tối ưu hơn đó là sử dụng thuật toán rót nước Phương pháp này không những mang lại hiệu quả phân bổ công suất tốt mà còn cho phân bố năng lượng trên toàn bộ dải thông truyền dẫn Tuy nhiên, thuật toán này không xem xét bài toán phân bổ sóng mang đường lên và đường xuống mà coi như là
đã biết và cố định Hơn nữa, sự hội tụ của thuật toán chỉ được đảm bảo nếu biết trước tốc độ mục tiêu và sau khi thực hiện thuật toán thì phải đạt được tập tốc độ mục tiêu cho mọi người dùng Nhưng thông thường không thể biết trước tốc độ bit mục tiêu nên thuật toán này gặp phải những hạn chế nhất định Một phương pháp khác là sự cải tiến của thuật toán trên là thuật toán lặp tốc độ chuẩn hóa (NRIA) Trong đó, thực hiện điều khiển công suất, phân bổ bit thích nghi ở cả hướng đường lên và đường xuống, và tốc độ bit ban đầu được đặt là vô cùng lớn, sau mỗi vòng lặp tính toán thì tốc độ bit mục tiêu lại được tính toán lại Thông qua mô phỏng, chúng ta thấy rằng thuật toán hội tụ nhanh và đạt được tốc độ bit như nhau như thuật toán tìm kiếm chặt cho sự phân bổ sóng mang con
Trong luận văn này sẽ tìm hiểu các phương pháp truyền dẫn đa sóng mang,
hệ thống DSL cũng như các phương pháp tránh xuyên âm trong hệ thống Cuối cùng tập trung nghiên cứu các thuật toán phân bổ công suất, phân bổ bit cho hệ thống FDD-DMT và các tiếp cận thuật toán NRIA cho hệ thống này thông qua mô phỏng MatLab 7.0 Các kết quả nghiên cứu và mô phỏng thêm một lần nữa khẳng định ưu điểm của thuật toán này
Trang 9v
Trong thời gian thực hiện luận văn này tôi đã nhận được sự giúp đỡ, khuyến khích, động viên của rất nhiều người Trước hết, tôi xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo PGS.TS Nguyễn Viết Kính, người thầy đã giúp đỡ, chỉ bảo tận tình tôi cũng như có rất nhiều những đóng góp, ý kiến quý báu trong suốt thời gian làm luận văn Tiếp đến, con xin cảm ơn Bố Mẹ và các anh, chị đã luôn ở bên cạnh, tin tưởng, động viên và tạo mọi điều kiện cho con hoàn thành khóa học và luận văn này Tôi xin cảm ơn các thầy cô giáo trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội, đã trang bị kiến thức và tạo điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành luận văn một cách tốt nhất Cuối cùng, tôi xin cảm ơn bạn bè và đồng nghiệp đã giúp đỡ tôi trong quá trình nghiên cứu hoàn thành luận văn và công việc
Trang 106
CHƯƠNG 1 HỆ ĐA SÓNG MANG, ĐA NGƯỜI DÙNG
1.1 Giới thiệu
Mọi hệ truyền thông đều có mục đích là làm cho tin tức truyền đi nhanh hơn, xa hơn, tin cậy hơn, rẻ hơn Để đạt được mục đích này, người ta đã dùng rất nhiều kỹ thuật khác nhau tác động lên các khối tạo nên các hệ thông tin Từ kỹ thuật mã hoá (mã nguồn, mã sửa và phát hiện lỗi các loại, mã bảo mật, …) đến kỹ thuật điều chế (biên độ, pha, tần số, vi sai, …) kỹ thuật làm bằng với các thuật toán như: LMS, MSE, DFE, thích nghi Các kỹ thuật này đã được kiểm chứng về ưu điểm, nhược điểm trong hệ thông tin đơn sóng mang
Để đạt được các yêu cầu của hệ truyền thông, người ta nghĩ có thể có một cách tiếp cận khác đó là truyền thông đa sóng mang, có nhiều ưu điểm hơn hệ truyền thông đơn sóng mang
Điều chế đa sóng mang chia dữ liệu thông tin thành nhiều kênh con song song Tốc độ bit của mỗi kênh con nhỏ hơn nhiều tốc độ bit tổng cộng Mỗi kênh con có thể được thiết kế để có băng tần nhỏ hơn độ rộng dải kết hợp của kênh Vì vậy có thể giả sử rằng mỗi kênh con là kênh fading phẳng và bộ điều chế có thể được thực hiện mà không cần bộ cân bằng Truyền thông đa sóng mang được thực hiện trong một vài hệ thống thực tế như hệ thống quảng bá âm thanh số ở Châu Âu (DAB) và đường dây thuê bao
số không đối xứng (ADSL) Các kỹ thuật truyền thông đa sóng mang sử dụng rộng rãi nhất là Coded OFDM và đa âm rời rạc (DMT)
1.2 Nguyên lý của kỹ thuật điều chế đa sóng mang
1.2.1 Lịch sử phát triển
Nguồn gốc của điều chế đa sóng mang hiện nay bắt nguồn từ những năm 50 60
của thế kỷ thứ XX với tên gọi là hệ truyền dẫn dữ liệu song song Kỹ thuật điều chế đồng bộ các sóng mang hẹp với phổ chồng nhau đã được dùng trong quân sự với các hệ cao tần kiểu Collins Kineplex , DEFT và KATHRYN, trong đó dùng tới 34 sóng mang con [18]
Năm 1966, Chang sử dụng kỹ thuật OFDM, trong đó tổ hợp các hàm trực giao có
độ rộng dải giới nội bằng cách dùng các mạch lọc Nyquist kiểu cosin tăng Các kênh
Trang 117
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Driton Statovci, Tomas Nordstrom, “Adaptive resource allocation in multiuser
FDD-DMT system” Telecommunications Research Center Vienna (ftw.), Donau City
Straße 1 , A-1220 Wien, Austria, pp 1213 – 1216
[2] Driton Statovci, Tomas Nordstrom, Rickard Nilsson, “The Normalized-Rate
Iterative Algorithm: A Practical Dynamic Spectrum Management method for DSL”,
EURASIP Journal on Applied signal processing, vol 2006, pp 1-17
[3] Gerhard Münz, Stephan Pfletschinger, Joachim Speidel, “An Efficient Waterfilling
Algorithm for Multiple Access OFDM”, Institute of Telecommunications, University of
Stuttgart Pfaffenwaldring 47, D-70569 Stuttgart, Germany
[4] Hichan, “Efficient power allocation for coded OFDM systems”, The department of
Electrical Engineering and the Committee on Graduate studies of Stanford University, 8/2004
[5] Hirosaki, “An orthogonally multiplexed QAM system using the discrete Fourier
transform”, IEEE Transations on Communication, July 1981, pp 982-989
[6] Igal Sason, “On achievable rate regions for the Gaussian interference channel”
Technion, Haifa 32000, Israel
[7] Jan Vangorp, Paschalis Tsiaflaflakis, “A dual decomposition approach to partial
crosstalk cancellation in a multiuser DMT-xDSL environment”, EURASIP Journal on
Advances in Signal Processing, Vol.2007
[8] Jan Verlinden, Etienne Van den Bogaert, Tom Bostoen,“Spectrally Compatible
IterativeWater Filling”, EURASIP Journal on Applied Signal Processing
Volume 2006, Article ID 58380, Pages 1–10
[9] Lan Wang, Zhisheng Niu, “Adaptive power control in multi-cell OFDM systems: A
noncooperative game with power unit based unility”, IEEE Trans.Commun., Vol
E89-B, No.06, June 2006
[10] M H M Hàm giá trịa, “On the Gaussian Interference Channel”, IEEE Trans Inform Theory, vol IT–31, pp 607–615, Sep 1985
[11] Nobuo Yamashita and Zhi-Quan Luo, “A nonlinear complementarity approach to