Kỹ thuật MIMO wavelet OFDM trong truyền thông không dây tt

Thứ nhất, luận án xây dựng phương trình xác định chính xác tỉ lệ lỗi bit bằng phương pháp số của hệ thống OFDM sử dụng phương pháp xén để giảm PAPR qua kênh truyền không dây có phân bố R

SsdsdsdAa

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

Công trình được hoàn thành tại Trường Đại học Khoa học tự nhiên, ĐHQG TP HCM

Người hướng dẫn khoa học:

1 HDC: PGS TS Nguyễn Hữu Phương

2 HDP: GS TS Hiroshi Ochi

Phản biện 1: PGS.TS Phạm Hồng Liên

Phản biện 2: TS Hà Hoàng Kha

Phản biện 3: TS Hồ Văn Cừu

Phản biện độc lập 1: TS Hà Hoàng Kha

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:

1 Thư viện Tổng hợp Quốc gia Tp.HCM

2 Thư viện trường Đại học Khoa học Tự Nhiên-HCM

MỞ ĐẦU

Ngày nay, kỹ thuật ghép kênh phân chia tần số trực giao (OFDM) được ứng dụng rộng rãi và cũng là một ứng viên cho các hệ thống truyền thông số ở tương lai Kỹ thuật OFDM kết hợp với MIMO được xem là công nghệ chính trong truyền thông không dây thế hệ thứ tư và vẫn đang được xem xét trong truyền thông không dây thế hệ thứ năm

Luận án này nghiên cứu ảnh hưởng của một số thuật toán giảm PAPR cho hệ thống OFDM trong truyền thông không dây và không dây quang Trong đó, ảnh hưởng của thuật toán xén tín hiệu được phân tích chi tiết cho cả hệ thống OFDM, MIMO-OFDM, và MIMO-wavelet OFDM Luận án có sáu đóng góp chính Thứ nhất, luận án xây dựng phương trình xác định chính xác tỉ lệ lỗi bit bằng phương pháp số của hệ thống OFDM

sử dụng phương pháp xén để giảm PAPR qua kênh truyền không dây có phân bố Rayleigh và Rician Thứ hai, luận án đã đề xuất một kỹ thuật tự đồng bộ mới cho tín hiệu M-PAM đơn cực trong hệ thống OFDM Thứ ba, luận án xây dựng phương trình xác định tỉ lệ lỗi bit bằng phương pháp số cho hai hệ thống ACO-OFDM, DCO-OFDM qua kênh truyền phản xạ khuếch tán Đóng góp thứ tư của luận án là xây dựng công thức tường minh xác định tỉ lệ lỗi bit của hệ thống MIMO-DCO OFDM và MIMO-ACO OFDM bị xén khi sử dụng phương pháp cân bằng ép không (ZF) và sai số bình phương trung bình cực tiểu (MMSE) Đóng góp thứ năm là nghiên cứu kỹ thuật MIMO-wavelet OFDM cho truyền thông không dây quang Cuối cùng, luận án đã đề xuất thuật toán giảm độ phức tạp trong thiết kế hệ thống wavelet OFDM sử dụng hàm Haar

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 KỸ THUẬT MIMO-OFDM TRONG TRUYỀN THÔNG THẾ HỆ MỚI

1.1.1 Các ứng dụng phổ biến kỹ thuật MIMO-OFDM hiện nay

Năm 2002, Li và cộng sự đã đề xuất mô hình kết hợp của MIMO và OFDM để cải thiện chất lượng hệ thống [4] Ngày nay, kỹ thuật OFDM hoặc kết hợp với MIMO được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống truyền thông số gồm truyền dữ liệu quảng bá, mạng diện rộng không dây (WMAN), mạng cục bộ không dây (WLAN), và mạng cá nhân không dây (WPAN)

1.1.2 Tiềm năng ứng dụng kỹ thuật MIMO-OFDM trong truyền thông thế hệ mới

Nhiều kỹ thuật khác nhau đã được đề xuất cho mạng 5G, OFDM vẫn được xem là một ứng viên tiềm năng [10-12] do sự tương thích với các công nghệ chính trong 5G như massive MIMO [13] Bên cạnh truyền dẫn không dây bằng sóng điện từ, truyền thông bằng ánh sáng khả biến đang được xem xét, chủ yếu là sử dụng các LED phát để thay thế các anten phát thông thường Có nhiều cấu trúc tạo tín hiệu OFDM cho truyền thông không dây quang như cộng với một điện thế DC vào tín hiệu OFDM (DCO-OFDM), xén đối xứng tín hiệu OFDM (ACO-OFDM), Flip-OFDM, Unipolar-OFDM [24-26] Trong đó, hai kỹ thuật phổ biến là DCO-OFDM

do thực hiện đơn giản và kỹ thuật sử dụng hiệu quả công suất ACO-OFDM [27, 28] Kỹ thuật MIMO-OFDM trong truyền thông không dây quang khi kết hợp các loại đầu thu khác nhau đã được nghiên cứu bởi [29] Kỹ thuật MIMO-OFDM cho truyền thông không dây để đạt đến tốc độ 1 Gbps ở khoảng cách truyền 1 m khi sử dụng cấu trúc MIMO 4x4 [30]

1.2 MỘT SỐ THỬ THÁCH SỬ DỤNG KỸ THUẬT MIMO-OFDM TRONG TRUYỀN THÔNG THẾ HỆ MỚI

Cho dù sử dụng riêng lẻ kỹ thuật OFDM hay kết hợp với những kỹ thuật khác thì tín hiệu ngõ ra cũng có một khuyết điểm quan trọng là tỉ số công suất đỉnh trên công suất trung bình (PAPR) lớn [31] Một phương pháp đơn giản và có tính thương mại cao để giảm PAPR là xén tín hiệu Tuy vậy, việc xén tín hiệu tạo ra nhiễu do méo dạng và làm giảm chất lượng hệ thống Ảnh hưởng của nhiễu này đã được nghiên cứu đối với kênh truyền AWGN [24, 32] nhưng chưa có nghiên cứu xác định chính xác ảnh hưởng này cho kênh truyền không dây, truyền thông không dây quang qua kênh truyền phản xạ khuếch tán, và đặc biệt là hệ thống MIMO-OFDM Hiện nay, một số nghiên cứu đề xuất sử dụng biến đổi wavelet thay cho biến đổi Fourier truyền thống trong hệ thống OFDM và được gọi là wavelet OFDM Hệ thống này cũng có thể kết hợp với MIMO tạo thành hệ thống MIMO-wavelet OFDM

1.3 NHỮNG ĐÓNG GÓP CỦA LUẬN ÁN

Thứ nhất, luận án đề xuất phương trình xác định chính xác tỉ lệ lỗi bit bằng phương pháp số của hệ thống OFDM bị xén qua kênh truyền không dây Do bị ảnh hưởng của PAPR, tín hiệu OFDM có thể bị xén để đảm bảo vùng hoạt động tuyến tính của bộ biến đổi số sang tương tự (DAC), và khuếch đại công suất Các đỉnh bị xén sẽ được mô hình như nhiễu tác động đến hệ thống Việc xác định ảnh hưởng của xén đối với kênh truyền AWGN đã được trình bày ở các nghiên cứu trước [32] Đối với kênh truyền không dây, các tác giả thường giả định công suất nhiễu do xén nhỏ hơn nhiều so với nhiễu khác hoặc sử dụng hàm mật độ xác suất của kênh truyền thông thường [40-42] Trong khi đó, do ảnh hưởng của xén ở đầu phát nên hàm mật độ xác suất của kênh truyền cần được điều chỉnh Hai mô hình kênh truyền không dây phổ biến được xem xét gồm Rayleigh và Rician

Để xây dựng các biểu thức, luận án đã ứng dụng bổ đề được đề xuất vào năm 2014 và mở rộng vào năm 2015 về phân tích tỉ lệ lỗi của tín hiệu OFDM bị méo dạng do bộ khuếch đại [43, 44] Các công thức được đề xuất

ở đây chưa phải dạng tường minh nhưng có thể được sử dụng để đánh giá chính xác tỉ lệ lỗi bit dưới sự hỗ trợ của phần mềm

Thứ hai, luận án đề xuất thuật toán đồng bộ tín hiệu mới cho hệ thống OFDM sử dụng tín hiệu M-PAM đơn cực Kỹ thuật này cho phép đầu thu lấy mẫu sớm một số lượng mẫu nhất định nhưng vẫn khôi phục hoàn toàn thông tin mà không làm giảm chất lượng hệ thống

Thứ ba, luận án đã xây dựng các công thức để xác định tỉ lệ lỗi bit của hệ thống không dây quang sử dụng kỹ thuật OFDM qua kênh truyền phản xạ khuếch tán Trong hệ thống không dây quang, việc giới hạn công suất phát của LED phát được phân tích tương tự tín hiệu OFDM bị xén Nhiều vấn đề liên quan đến sử dụng kỹ thuật OFDM trong truyền thông không dây quang đã được nghiên cứu [24, 45-47] Tuy nhiên, các nghiên cứu về ảnh hưởng của tín hiệu OFDM bị xén chỉ tập trung vào kênh truyền chỉ có đường truyền thẳng [48] Đây là việc mở rộng đóng góp thứ nhất cho hệ thống không dây quang qua kênh truyền phản xạ khuếch tán Sự phân bố tín hiệu của hai hệ thống DCO-OFDM và ACO-OFDM có khác biệt so với tín hiệu OFDM thông thường nên các phương trình cần có sự thay đổi cho phù hợp

Thứ tư, luận án đã xây dựng công thức xác định tỉ lệ lỗi bit của hệ thống MIMO-DCO OFDM và MIMO-ACO OFDM khi bị xén Chất lượng của hệ thống MIMO với hai kỹ thuật cân bằng phổ biến là ép không (ZF)

và sai số bình phương trung bình cực tiểu (MMSE) đã được phân tích bởi [49] Bằng việc mở rộng phân tích ảnh hưởng của xén tín hiệu kết hợp các nghiên cứu trước về chất lượng hệ thống MIMO [49], tỉ lệ lỗi bit của hệ thống MIMO-DCO OFDM và MIMO-ACO OFDM sử dụng ZF và MMSE

được xác định bằng công thức công thức tường minh Kênh truyền không dây quang ở đây được giả định chỉ có đường truyền thẳng (LOS)

Đóng góp thứ năm là nghiên cứu kỹ thuật MIMO-wavelet OFDM cho truyền thông không dây quang với đường truyền LOS Đặc thù của một

số hàm wavelet không có tính thống kê nên mỗi hàm wavelet sẽ cho tỉ lệ lỗi bit khác nhau và không thể xây dựng công thức đánh giá chính xác chất lượng hệ thống Bằng phương pháp mô phỏng Monte Carlo, kỹ thuật MIMO-wavelet OFDM sẽ cho chất lượng tốt hơn hệ thống MIMO-OFDM khi chọn được các họ hàm tối ưu

Cuối cùng, luận án đề xuất một thuật toán giảm độ phức tạp khi tính toán biến đổi wavelet thuận và ngược cho hệ thống wavelet OFDM sử dụng hàm Haar Ý tưởng giảm độ phức tạp là sắp xếp và tính toán đa tầng việc biến đổi IDWT và DWT Cấu trúc này có thể thiết kế trên cả phần mềm lẫn phần cứng, và ứng dụng cho các môi trường truyền khác nhau

CHƯƠNG 2 KỸ THUẬT OFDM VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA XÉN TÍN

HIỆU TRONG TRUYỀN KHÔNG KHÔNG DÂY

2.1 GIỚI THIỆU

Kỹ thuật OFDM là một trường hợp đặc biệt của FDM khi chia luồng

dữ liệu có tốc độ cao thành nhiều luồng song song có tốc độ thấp và phát mỗi luồng trên một sóng mang con khác nhau Các sóng mang con này trực giao với nhau nên cho phép chúng chồng lấn lên nhau về phổ tần Băng thông trên mỗi sóng mang con nhỏ nên được xem là kênh truyền phẳng Trong trường hợp các sóng mang con đồng pha với nhau, đỉnh của tín hiệu bằng tổng đỉnh của các sóng mang con Điều này sẽ gây ra phi tuyến khi truyền tín hiệu qua các bộ chuyển đổi DAC, và các mạch khuếch đại Một

số thuật toán giảm PAPR đã được đề xuất như xén tín hiệu, chuỗi truyền từng phần (PTS), chọn ánh xạ chòm sao (SLM) [50] [51] [52] Trong đó, phương pháp xén là dễ thực hiện nhất với độ phức tạp thấp và mang tính thương mại cao [32] Chương này sẽ xây dựng phương trình xác định chính xác tỉ lệ lỗi bit bằng phương pháp số cho tín hiệu OFDM bị xén qua kênh truyền không dây có phân bố Rayliegh và Rician

2.2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT KỸ THUẬT OFDM

Kỹ thuật OFDM chia luồng dữ liệu trước khi phát thành N luồng

song song có tốc độ thấp hơn và phát mỗi luồng trên một sóng mang con trực giao khác nhau Máy thu OFDM có thể xem như gồm nhiều bộ giải điều biến Mỗi bộ sẽ thực hiện chuyển tín hiệu ở mỗi sóng mang xuống băng gốc và tích phân trên một chu kỳ tín hiệu để khôi phục lại dữ liệu ban đầu Tương tự như phía phát, việc giải điều biến tín hiệu OFDM có thể được thay thế bởi phép biến đổi FFT

2.3 KỸ THUẬT TỰ ĐỒNG BỘ MỚI TRONG HỆ THỐNG OFDM

Do nguyên lý của tiền tố vòng là lấy một phần dữ liệu ở cuối đưa lên đầu, nên việc lấy mẫu sớm trong khung OFDM có thể xem là dịch vòng tín

hiệu Nguyên lý của giải điều biến M-PAM đơn cực là dựa vào biên độ của tín hiệu nên việc dịch vòng không ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống 2.4 MỘT SỐ THUẬT TOÁN GIẢM PAPR TRONG HỆ THỐNG OFDM

Do tín hiệu OFDM bị ảnh hưởng của PAPR, các đỉnh của tín hiệu sẽ

bị xén do thuộc tính của bộ biến đổi DAC, khuếch đại hoặc bị xén trước khi đưa vào các mạch này Phương pháp xén được thực hiện bằng cách thiết lập giới hạn cao nhất cho tín hiệu Khi tín hiệu có biên độ cao hơn giá trị này, nó sẽ bị xén và sẽ bằng với giá trị giới hạn

2.5 TỈ LỆ LỖI BIT CỦA TÍN HIỆU OFDM BỊ XÉN TRONG TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY

2.5.1 Tỉ lệ lỗi bit hệ thống OFDM bị xén qua kênh truyền Rayleigh

Để xác định chính xác BER của hệ thống OFDM bị xén qua kênh truyền Rayleigh, hàm mật độ xác suất của kênh truyền cần được điều chỉnh Phương pháp xây dựng hàm mật độ xác suất có thể dựa vào bổ đề được công bố gần đây về xây dựng hàm mật độ xác suất của méo dạng do bộ khuếch đại của tín hiệu OFDM qua kênh truyền Rayleigh [44] Tỉ lệ lỗi bit của hệ thống qua kênh truyền Rayleigh bị xén được xác định bởi:

với r là công suất trung bình của kênh truyền, là hệ số tương quan

chuẩn hóa của tín hiệu trước và sau xén , và G là quan hệ giữa công suất

tín hiệu và công suất nhiễu do xén

2.5.2 Tỉ lệ lỗi bit hệ thống OFDM bị xén qua kênh truyền Rician

Hàm mật độ xác suất công suất của kênh truyền Rician được trình bày bởi [57] Bằng cách hàm hàm mật độ xác suất công suất của kênh truyền Rician bị xén kết hợp với hàm Bessel cải tiến [59], phương trình xác định

tỉ lệ lỗi bit bằng phương pháp số phụ thuộc vào tỉ số của đường LOS với

các đường NLOS K , hàm Bessel bậc 0 loại I0, r,  và G tương tự như

2 2

2

b r

b r

K

K E

N

b r

K K

u E

G N

K

E

G N

2.6.1 Tỉ lệ lỗi bit hệ thống OFDM bị xén trong truyền thông không dây

Hình 2.1 trình bày kết quả mô phỏng khi truyền tín hiệu OFDM bị xén qua kênh truyền Rayleigh

Hình 2.1 BER của hệ thống OFDM bị xén qua kênh truyền Rayleigh

Kết quả mô phỏng tương thích tốt với công thức xác định BER bằng phương pháp số tại các giá trị E b/N ở các hệ số xén khác nhau Hình 2.2 o

trình bày kết quả mô phỏng hệ thống OFDM bị xén qua kênh truyền Rician với hệ số xén khác nhau Kết quả cho thấy phương trình toán học xác định BER bằng phương pháp số tương thích hoàn toàn với kết quả mô phỏng tại các hệ số xén khác nhau

Hình 2.2 BER của hệ thống OFDM bị xén qua kênh truyền Rician 2.7 KẾT LUẬN

Phần quan trọng nhất của chương này là đề xuất phương pháp xác định tỉ lệ lỗi bit bằng phương pháp số cho hệ thống OFDM bị xén qua kênh truyền không dây có phân bố Rayleigh và Rician Phương trình BER được xây dựng dựa trên hàm mật độ xác suất cải tiến Các phương trình tính toán

tỉ lệ lỗi bit được kiểm tra với mô phỏng Kết quả mô phỏng phù hợp hoàn toàn với phương trình xác định BER tại các tỉ số xén khác nhau

CHƯƠNG 3 KỸ THUẬT OFDM TRONG TRUYỀN THÔNG

KHÔNG DÂY QUANG

3.1 GIỚI THIỆU

Truyền thông không dây quang là một ứng viên tiềm năng cho mạng truyền thông không dây thế hệ thứ 5 (5G) [21] Đường truyền không dây quang bị suy hao và phản xạ khuếch tán (diffuse reflection) tương tự như hiện tượng truyền đa đường trong truyền sóng điện từ Khi đó, kỹ thuật OFDM được sử dụng để gửi luồng dữ liệu ở tốc độ cao Do tín hiệu đặt vào các LED phải thực và không âm, nên kỹ thuật OFDM cần phải có những cải tiến Nhiều kỹ thuật được đề xuất như cộng thêm điện thế nền một chiều (DCO-OFDM), xén đối xứng (ACO-OFDM), phân cực vòng (CPO-OFDM), và sắp xếp các dữ liệu để tạo tín hiệu đơn cực (U-OFDM) [25, 61, 62] Trong đó, hai kỹ thuật được quan tâm là DCO-OFDM do cấu trúc đơn giản và ACO-OFDM do hiệu suất sử dụng công suất cao Các nghiên cứu trước đã quan tâm đến chất lượng, tốc độ, dải động, và dạng tín hiệu của hệ thống OFDM không dây quang [24, 26, 45, 47, 61, 62] Phần lớn nghiên cứu này tâp trung vào kênh truyền AWGN Tuy nhiên, kênh truyền không dây quang trong thực tế sẽ bị ảnh hưởng của phản xạ khuếch tán [63-66] Hiện nay, có nhiều đề xuất khác nhau cho mô hình kênh truyền quang không dây Đối với môi trường truyền trong nhà, phân bố Rician có thể được sử dụng để để mô hình kênh không dây quang [67] Vì vậy, chương này sẽ tập trung xây dựng các phương trình xác định tỉ lệ lỗi bit bằng phương pháp số cho hệ thống DCO-OFDM và ACO-OFDM với giả định kênh truyền có phân bố Rician

3.2 KỸ THUẬT OFDM TRONG TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY QUANG

Do tín hiệu miền thời gian được sử dụng để điều chỉnh cường độ của LED nên các tín hiệu này phải thực và dương trước khi điều chỉnh cường

độ LED [46] Quá trình này thực hiện bằng đối xứng Hermitian

3.3 KỸ THUẬT OFDM TRONG TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY QUANG QUA KÊNH TRUYỀN PHẢN XẠ KHUẾCH TÁN

3.3.1 Hệ thống DCO-OFDM qua kênh truyền phản xạ khuếch tán

Do giới hạn công suất LED phát cũng như để bảo vệ mắt, các tín hiệu DCO-OFDM trong hệ thống không dây quang sẽ bị xén Tỉ lệ lỗi bit của hệ thống DCO-OFDM được xác định:

0 2

0

2

2 0

r B

s DCO

K BER BER

DCO-3.3.2 Hệ thống ACO-OFDM qua kênh truyền phản xạ khuếch tán

Tương tự hệ thống DCO-OFDM, tín hiệu ACO-OFDM chỉ hoạt động trong vùng giới hạn tuyến tính của LED Tỉ lệ lỗi bit được xác định bởi:

0 2

2

2 0

0

( ) 2

G E

G N