Giải pháp ước lượng kênh truyền sử dụng kỹ thuật lặp theo thuật toán expectation maximization trong hệ thống ofdm

Hiện nay có nhiều nghiên cứu cải tiến chất lượng của hệ thống OFDM một trong số đó là phương pháp ước lượng kênh truyền bị ảnh hưởng bởi fading và các loại khác cho khối thu tín hiệu.. K

PHAN MINH MẪN

GIẢI PHÁP ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUYỀN SỬ DỤNG KĨ THUẬT LẶP THEO THUẬT TOÁN EXPECTATION MAXIMIZATION TRONG HỆ THỐNG OFDM

Chuyên ngành : KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2012

Cán bộ hướng dẫn khoa học :

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 1 :

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 2 :

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.HCM ngày tháng năm

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) 1

2

3

4

5

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Bộ môn quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Bộ môn quản lý chuyên ngành

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ và tên học viên: Phan Minh Mẫn Giới tính : Nam / Nữ  Ngày, tháng, năm sinh : 26/11/1985 Nơi sinh : Bình Phước

Chuyên ngành : Kỹ thuật điện tử

Khoá (Năm trúng tuyển) : 2010

1- TÊN ĐỀ TÀI: GIẢI PHÁP ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUYỀN SỬ DỤNG KĨ THUẬT LẶP THEO THUẬT TOÁNEXPECTATION MAXIMIZATION TRONG HỆ THỐNG OFDM

2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:

3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 14/02/2012

4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ :

5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi đầy đủ học hàm, học vị ):

PGS TS Phạm Hồng Liên và NCS ThS Nguyễn Đức Quang

Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua

(Họ tên và chữ ký)

Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Quý thầy cô trường Đại học Bách

Khoa Thành phố Hồ Chí Minh, các thầy cô đã tận tình giảng dạy, truyền đạt cho

tôi những kiến thức vô cùng quý báu trong suốt thời gian tôi học đại học.Những

kiến thức ấy sẽ là nền tảng cho tôi tiếp tục bước đi trên con đường sau này

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến cô Phạm Hồng Liên, đã tận tình

hướng dẫn, giúp đỡ, hỗ trợ tài liệu và định hướng nghiên cứu giúp tôi hoàn

thành luận văn này Tôi cũng xin cảm ơn anh Nguyễn Đức Quang vì những góp

ý, trao đổi quan trọng trong quá trình thực hiện luận văn.Cảm ơn anh đã quan

tâm, chỉ bảo tận tình nhờ vậy luận văn có thể hoàn thành

Cuối cùng, tôi xin cảm ơn gia đình, bạn bè, người thân ,các đồng nghiệp

công ty TMA solutions đã trực tiếp hay gián tiếp giúp đỡ, chia sẻ, động viên tôi

rất nhiều để có thể hoàn thành bản luận văn này

Tôi xin gửi đến gia đình, Quý thầy cô, bạn bè, người thân lời kính chúc

sức khỏe, hạnh phúc và thành công

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2012

PHAN MINH MẪN

càng quan trọng trong đời sống hiện nay, thông tin liên lạc phải nhanh và chính xác

là đòi hỏi được đặt ra Trong truyền thông không dây ,việc truyền dẫn tín hiệu trong các môi trường khác nhau làm cho tín hiệu thu được ở bên thu và tín hiệu phát

có sự sai lệch nhau, gây ảnh hưởng đến chất lượng của các dịch vụ Để tối thiểu hóa

sự sai lệch đó, người ta đã sử dụng nhiều phương pháp để cải thiện lỗi bit Uớc lượng kênh truyền là một phương pháp quan trọng để cải thiện tỉ lệ lỗi bit Có 3 loại ước lượng là mù, bán mù,rõ Ước lượng bán mù là phương pháp kết hợp của ước lượng rõ tại những vị trí có pilot và ước lượng mù tại vị trí dữ liệu Trong luận văn này, tôi sẽ tìm hiểu ước lượng kênh truyền bán mù sử dụng thuật toán Expectation Maximization kết hợp với các thuật toán LS,Kalman cho cấu trúc Pilot dạng khối và lược cho hệ thống OFDM

Kết hợp thuật toán EM với LS được áp dụng cho pilot dạng khối Có hại phương pháp trong kết hợp này là Lặp EM cho 1 kí tự OFDM và Lặp EM cho một nhóm 4 kí tự

Kết hợp thuật toán EM với LS ,EM với Kalman được áp dụng cho pilot dạng lược Có bốn phương pháp kết hợp trong kết hợp này là : LS kết hợp Lặp EM cho 1

kí tự OFDM , LS với Kalman kết hợp Lặp EM cho 1 kí tự OFDM , LS kết hợp lặp

EM cho một nhóm 4 kí tự OFDM , LS với Kalman kết hợp lặp EM cho một nhóm 4

kí tự OFDM Kết quả cho thấy tất cả các phương pháp này đều hoạt động hiệu quả với môi trường có nhiễu gauss và hiệu ứng đa đường , phương pháp kết hợp LS với Kalman và EM một nhóm 4 kí tự cho cấu trúc comb pilot có tỉ lệ lỗi bit thấp nhất

Luận văn này là kết quả của quá trình tự nghiên cứu từ các bài báo khoa học trên tạp chí IEEE, từ các ebook về hệ thống MIMO, các ebook về ước lượng kênh truyền trong truyền thông không dây, các tư liệu đã đề cập trong phần tài liệu tham khảo Những kết quả nêu ra trong luận văn là thành quả nghiên cức của cá nhân tác giả dưới sự giúp đỡ của giáo viên hướng dẫn PGS.TS Phạm Hồng Liên cùng NCS Nguyễn Đức Quang, các thầy cô, các đồng nghiệp cùng bạn bè lớp cao học điện tử

2010 Tác giả xin cam đoan luận văn này hoàn toàn không sao chép lại bất kì một công trình nào đã có từ trước

DANH SÁCH BẢNG BIỂU VÀ HÌNH VẼ v

CÁC CHỮ VIẾT TẮT vii

Mở đầu 1 Chương 1 : Cơ sở lý thuyết để giải quyết vấn đề 5

1.1 Các vấn đề cơ bản của kênh truyền 5

1.1.1 Suy hao đường truyền 6

1.1.2 Hiệu ứng đa đường 7

1.1.2.1 Rayleigh fading 8

1.1.2.2 Fading lựa chọn tần số 9

1.1.2.3 Trải trễ 10

1.1.2.4 Dịch Doppler 11

1.1.3 Nhiễu AWGN 12

1.2 Kỹ thuật điều chế phân chia tần số trực giao 13

1.2.1 Nguyên lý cơ bản của OFDM 13

1.2.2 Sơ đồ khối hệ thống OFDM 17

1.2.2.1 Ánh xạ điều chế 19

1.2.2.2 Bộ chuyển đổi nối tiếp – song song 23

1.2.2.3 Chuyển đổi miền tần số sang miền thời gian 24

1.2.2.4 Chèn khoảng bảo vệ 25

1.2.2.5 27

1.2.2.6 27

1.2.3 Ưu điểm - nhược điểm của hệ thống OFDM 31

1.2.3.1 Ưu điểm của hệ thống OFDM 31

1.2.3.2 Nhược điểm của hệ thống OFDM: 32

1.2.3.3 Thuật toán giải mã 32

1.3 Kết luận chương : 36

Chương 2 : Căn bản về ước lượng kênh truyền 36

2.1 Giới thiệu chương 36

2.2 Hệ thống ước lượng kênh truyền 37

2.2.1 Sơ đồ hệ thống ước lượng kênh truyền 37

2.2.2 Cấu trúc Pilot được chèn vào dữ liệu 40

2.2.2.1 Block type pilot 40

2.2.2.2 Comb type pilot 41

2.2.3 Kỹ thuật nội suy trong ước lượng kênh truyền sử dụng chuỗi huấn luyện dạng lược (comb pilot) 43

2.2.3.1 Nội suy nearest neighbor 43

2.2.3.2 Nội suy tuyến tính (linear interpolation) 43

2.2.3.3 Nội suy bậc 2 (second order) 43

2.2.3.4 Nội suy lowpass 44

2.2.3.5 Nội suy spline cubic 44

2.3 Mô hình kênh truyền ITU sử dụng cho WiMAX di động 45

2.4 Kết luận chương 48

Chương 3 :Ứng dụng bộ lọc Kalman vào ước lượng kênh truyền trong hệ thống OFDM 49

Giới thiệu chương 49

3.2 Kalman Filter 50

3.2.1 Giới thiệu về Kalman Filter 50

3.2.2 Thuật toán cho bộ lọc Kalman 51

3.2.2.1 Sai số dự báo ( innovation process) 54

3.2.2.2 Ước lượng trạng thái sử dụng innovation process 57

3.2.2.3 Độ lợi Kalman 59

3.2.2.4 Phương trình Riccati 60

3.2.2.5 Điều kiện ban đầu 62

3.2.3 Tóm tắt bài toán lọc Kalman dựa vào dự báo một bước 63

3.3 Ứng dụng bộ lọc Kalman vào hệ thống ước lượng kênh truyền 65

3.4 Kết luận chương 68

Chương 4 :Ứng dụng Thuật Toán EM (expectation maximization) cho ước lượng kênh truyền bán mù 69

4.1 Giới thiệu thuật toán EM 69

4.2 Áp dụng thuật toán EM cho vào ước lượng kênh truyền 70

4.3 Kết hợp thuật toán EM với thuật toán LS,Kalman để tính đáp ứng tần số kênh truyền 73

4.3.1 Ước lượng theo tiêu chuẩn LS 73

4.3.2 Kết hợp thuật toán EM với LS cho cấu trúc Block pilot 73

4.3.2.1 Thuật toán EM cho cấu trúc block pilot một kí tự 73

4.3.2.2 Thuật toán EM cho cấu trúc block pilot một nhóm kí tự 74

4.3.3 Thuật toán EM cho cấu trúc comb pilot 75

4.3.3.1 Thuật toán EM kết hợp LS với cấu trúc comb pilot

cho 1 kí tự OFDM 75

4.3.3.2 Thuật toán EM kết hợp LS với cấu trúc comb pilot cho 1 nhóm kí tự OFDM 76

4.3.3.3 Thuật toán EM kết hợp LS và Kalman với cấu trúc comb pilot cho 1 kí tự OFDM 77

4.3.3.4 Thuật toán EM kết hợp LS và Kalman với cấu trúc comb pilot cho 1 nhóm kí tự OFDM 78

4.4 Kết luận chương : 79

Chương 5 : Các kết quả mô phỏng 80

5.1 Đánh giá kết quả mô phỏng BER theo số lần lặp cho thuật toán EM 81

5.2 So sánh BER các phương pháp kết hợp với thuật toán EM : 83

5.3 Đánh giá thuật toán EM khi hiệu ứng doppler shift thay đổi : 85

5.4 Kết luận chương 87

Chương 6 : Kết luận và hướng phát triển 88

TÀI LIỆU THAM KHẢO 89

DANH SÁCH BẢNG BIỂU VÀ HÌNH VẼ

Bảng 1.1 : Sự phân bố tích lũy đối với phân bố Rayleigh 9

Bảng 1.2 : Các giá trị trải trễ thông dụng 11

Bảng 2.1 : Mô hình kênh truyền indoor 46

Bảng 2.2 : Mô hình kênh truyền pedestrian 47

Bảng 2.3 : Mô hình kênh truyền vehicular 48

Bảng 5.1 : Ber của các trường hợp lặp 300 500 700 1000 lần 81

Bảng 5.2 : Giá trị ber của các phương pháp ước lượng kênh truyền kết hợp thuật toán EM 83

Bảng 5.3 : Giá trị Ber theo vận tốc di chuyển trong các môi trường 86

Hình 1.1: Tín hiệu đa đường 5

Hình 1.2: Fading Rayleigh khi thiết bị di động di chuyển (ở tần số 900MHz) 8

Hình 1.3: Trải trễ đa đường 10

Hình 1.4: Môi trường truyền dẫn với sự có mặt của nhiễu trắng 12

Hình 1.5: So sánh kỹ thuật sóng mang không chồng xung (a) và kỹ thuật sóng mang chồng xung (b) 14

16

Hình 1.7: Sơ 18

Hình 1.8: Bộ điều chế và giải điều chế 19

Hình 1.9: Quan hệ giữa tốc độ ký tự và tốc độ bit phụ thuộc vào số bit trong một ký tự 20

Hình 1.10: Chòm sao 4-PSK và 16-PSK 21

Hình 1.11: Chòm sao QAM 16 và 64 22

Hình 1.12: Bộ chuyển đổi nối tiếp – song song và ngược lại 23

Hình 1.13: Bộ IFFT và FFT 24

tr 26

Hình 1.15: Mô tả ứng dụng của chuỗi bảo vệ trong chống nhiễu ISI 27

Hình 1.16: ơ 29

Hình 1.17: – 30

Hình 2.1: Sơ đồ hệ thống ước lượng kênh truyền 37

Hình 2.2 : Sắp xếp pilot dạng khối 40

Hình 2.3: Sắp xếp pilot dạng lược 41

Hình 3.1 : Mô hình hóa bộ lọc Kalman 52

Hình 3.2 : Sơ đồ hệ thống Kalman 53

Hình 3.3 : Sơ đồ tính toán độ lợi Kalman 59

Hình 3.4 : Sơ đồ khối Kalman dựa vào dự báo một bước 63

Hình 3.5 : Mô hình ước lượng Kalman cho đáp ứng xung kênh truyền 66

Hình 4.1 : Thuật toán EM cho cấu trúc block pilot một kí tự 74

Hình 4.2 : Thuật toán EM cho cấu trúc block pilot một nhóm kí tự 75

Hình 4.3 : Thuật toán EM kết hợp LS với cấu trúc comb pilot cho 1 kí tự OFDM 76

Hình 4.4 : Thuật toán EM kết hợp LS với cấu trúc comb pilot cho 1 nhóm kí tự OFDM 77

Hình 4.5 : Thuật toán EM kết hợp LS và Kalman với cấu trúc comb pilot cho 1 kí tự OFDM 78

Hình 4.6 : Thuật toán EM kết hợp LS và Kalman với cấu trúc comb pilot cho 1 nhóm kí tự OFDM 79

Hình 5.1: So sánh số lần lặp trong thuật toán EM 82Hình 5.2 : So sánh ber các phương pháp kết hợp thuật toán EM 84Hình 5.3: Ber theo vận tốc trong môi trường Indoor và Pedestrian 86

CÁC CHỮ VIẾT TẮT

AWGN Additive White Gaussian Noise

PDF Probability density function

ICI Inter-Carrier Interference

IDFT Inverse Discrete Fourier Transform

IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers IFFT Inverse Fast Fourier Transform

ITU International Telecommunication Union

LS Least Square

TDMA Time Division Multiple Access

Mở đầu

Ngày nay cùng với sự phát triển của xã hội, nhu cầu thông tin liên lạc đóng vai trò ngày càng quan trọng trong đời sống hiện nay, thông tin liên lạc phải tiện lợi nhanh và chính xác là đòi hỏi được đặt ra Vì vậy các thế hệ mạng không dây đáp ứng cho các dịch vụ đa phương tiện như truy cập Internet tốc độ cao, truyền hình di động và máy tính tích hợp thiết bị di động, v.v… không ngừng phát triển Sự đòi hỏi các dịch vụ này tăng nhanh dẫn đến yêu cầu các kỹ thuật truyền tốc độ cao hơn

và chất lượng dịch vụ (QoS) cũng phải đảm bảo trong khi băng thông không được phép mở rộng Với những nhu cầu đó, công nghệ thông tin di động thế hệ thứ tư (4G) ra đời và đang dần hoàn thiện Hệ thống OFDM với ưu điểm giảm được sự phức tạp ở phía thu và giải quyết được fading đa đường, đã được áp dụng cho thế hệ

di động 4G Trong truyền thông không dây ,việc truyền dẫn tín hiệu trong các môi trường khác nhau làm cho tín hiệu thu được và tín hiệu phát có sai lệch nhau, gây ảnh hưởng đến chất lượng của các dịch vụ

Hiện nay có nhiều nghiên cứu cải tiến chất lượng của hệ thống OFDM một trong số đó là phương pháp ước lượng kênh truyền bị ảnh hưởng bởi fading và các loại khác cho khối thu tín hiệu

Ước lượng kênh truyền là thành phần không thể thiếu trong bất kì hệ thống vô tuyến nào Khác với một mạng truyền dẫn có dây, tín hiệu kênh truyền trong thông tin vô tuyến bị tác động bởi nhiều yếu như: fading, nhiễu xạ hay tán xạ do các công trình kiến trúc nằm giữa thiết bị phát và thiết bị thu, tương quan tín hiệu do ảnh hưởng các kênh phát kề nhau, ảnh hưởng bởi tần số phát kề nhau giữa các kênh, nhiễu xuyên kênh,… Hiện nay, các nghiên cứu về ước lượng kênh truyền vô tuyến

có thể phân thành ba loại: ước lượng kênh dựa vào chuỗi huấn luyện, ước lượng kênh mù và ước lượng bán mù

Trong ước lượng dựa trên chuỗi huấn luyện, giả sử tín hiệu phát được sắp xếp gồm các thông tin huấn luyện như là mào đầu của chuỗi dữ liệu, sau đó là phần tín hiệu mang tin Những tín hiệu huấn luyện này hoàn toàn được biết ở phía thu và thường có những thiết kế đặc biệt cho chuỗi huấn luyện này Phương pháp ước lượng dựa trên huấn luyện có thể được thực hiện dựa trên hai loại pilot là dạng lược (comb) hoặc dạng khối (block) Ước lượng kênh truyền pilot dạng khối, phát triển trên kênh truyền fading chậm; điều này giả sử rằng hàm truyền của kênh truyền không thay đổi nhanh trên các ký tự phát đi Ước lượng kênh truyền pilot dạng lược được dùng đến khi kênh truyền thay đổi trong một khối ký tự phát

Đối với ước lượng mù, người thiết kế loại bỏ chuỗi huấn luyện, tín hiệu được khôi phục nhờ căn cứ trên thông tin thu được Ý tưởng chính của thuật toán này dựa vào thống kê tín hiệu Chẳng hạn, nếu phía phát truyền các chòm sao tín hiệu có tín đối xứng với các xác suất biết trước bằng nhau, thì bộ thu nhận luồng kí hiệu có trung bình thống kê bằng 0 Thêm vào đó, với thông tin về tương quan tín hiệu phát, giá trị tương quan tín hiệu thu cần tính có thể ước lượng phần nào đó giá trị kênh truyền Do vậy, thông tin thống kê cung cấp giá trị trung bình để ước lượng kênh Nhờ loại bỏ kí hiệu huấn luyện, giải pháp này cho hiệu quả băng thông cao

Ước lượng bán mù là kỹ thuật lai giữa kỹ thuật mù và kỹ thuật chuỗi huấn luyện Đối với ước lượng bán mù ,người thiết kế sẽ kết hợp phương pháp chuỗi huấn luyện và phương pháp mù.Nghĩa là truyền một vài thông tin huấn luyện ,sau

đó truyền dữ liệu Thông tin huấn luyện sẽ được ước lượng trước, giá trị ước lượng được sẽ là đầu vào cho ước lượng dữ liệu

Trong giới hạn của đề tài, tôi tập trung nghiên cứu giải thuật ước lượng kênh truyền bán mù sử dụng thuật toán EM cho mô hình hệ thống OFDM trên kênh

truyền bất biến theo thời gian [21]

Dựa trên cơ sở dữ liệu trực tuyến của IEEE, ScienceDirect với trọng tâm là 4

bài báo "Experimental evaluation of pilot arrangement for channel estimation in

OFDM systems"[1],"Practical OFDM channel estimation method with Kalman

filter theory"[2], "An EM based frequency domain channel estimation algorithm for multi-access OFDM systems"[3],"Semi-Blind Channel Estimation for OFDM

Systems Via An EM-Block Algorithm" Tác giả đã phát triển thành luận văn

"GIẢI PHÁP ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUYỀN SỬ DỤNG KĨ THUẬT LẶP THEO THUẬT TOÁN EXPECTATION MAXIMIZATION TRONG HỆ THỐNG

OFDM" Hệ thống OFDM được thực hiện bằng phần mềm Matlab Công cụ

Matlab cho phép hiển thị các kết quả mang tính trực quan và kiểm nghiệm các phân tích lý thuyết Phần mềm Matlab được sử dụng trong đề tài này có phiển bản là

2009a

Cấu trúc luận văn này gồm các phần sau:

Mở đầu: Trình bày các phương pháp, mục đích nghiên cứu, tóm tắt ước lượng kênh

truyền và phạm vi nghiên cứu

Chương 1: Các vấn đề về kênh truyền ,điều chế tín hiệu OFDM

o Môi trường truyền sóng giữa máy phát và máy thu

o Nguyên lý cơ bản OFDM, mô tả toán học, kỹ thuật đơn sóng mang, đa sóng mang và các kỹ thuật điều chế trong OFDM Ưu và nhược điểm của hệ thống OFDM

Chương 2: Căn bản ước lượng kênh truyền

o Nguyên tắc ước lượng kênh truyền

o Cấu trúc và sự sắp xếp dạng chuỗi pilot huấn luyện dạng khối và dạng lược.Các

kĩ thuật nội suy khi sử dụng comb pilot

Chương 3: Ứng dụng bộ lọc Kalman vào ước lượng kênh truyền trong hệ thống

o Cở sở lý thuyết giải thuật EM

o Giải thuật EM cho cấu trúc comb pilot và block pilot

o Kết hợp giải thuật EM với giải thuật LS và Kalman

Chương 5: Trình bày kết quả mô phỏng và so sánh và các kết quả

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển của luận văn

Chương 1 : Cơ sở lý thuyết để giải quyết vấn đề

1.1 Các vấn đề cơ bản của kênh truyền

Một trong những nét đặt trưng của kênh truyền không dây là giữa đầu phát

và thu có rất nhiều đường tín hiệu khác nhau Những đường này làm cho tín hiệu ở đầu thu sai lệch với tín hiệu phát ra ở đầu phát và được phân thành hai loại là sai lệch do đường đi và sai lệch pha Các tín hiệu khi truyền qua kênh vô tuyến di động sẽ bị phản xạ, khúc xạ, nhiễu xạ, tán xạ, … và do đó gây ra hiện tượng đa đường (multipath) Tín hiệu nhận được tại bộ thu yếu hơn nhiều so với tín hiệu tại

bộ phát do các ảnh hưởng như: suy hao truyền dẫn trung bình (mean propagation loss), suy hao đường truyền (path loss and attenuation ), fading đa đường (multipath fading)

Hình 1.1: Tín hiệu đa đường

1.1.1 Suy hao đường truyền

Sự suy giảm tín hiệu là sự suy hao mức công suất tín hiệu trong quá trình truyền từ điểm này đến điểm khác Suy hao truyền dẫn trung bình xảy ra do các hiện tượng như: sự mở rộng về mọi hướng của tín hiệu, sự hấp thu tín hiệu bởi nước, lá cây… và do phản xạ từ mặt đất Suy hao truyền dẫn trung bình phụ thuộc vào khoảng cách và biến đổi rất chậm ngay cả đối với các thuê bao di chuyển với tốc độ cao

Tại anten phát, các sóng vô tuyến sẽ được truyền đi theo mọi hướng (nghĩa là sóng được mở rộng theo hình cầu) Ngay cả khi chúng ta dùng anten định hướng

để truyền tín hiệu, sóng cũng được mở rộng dưới dạng hình cầu nhưng mật độ năng lượng khi đó sẽ được tập trung vào một vùng nào đó do ta thiết kế Vì thế, mật độ công suất của sóng giảm tỉ lệ với diện tích mặt cầu Hay nói cách khác là cường độ sóng giảm tỉ lệ với bình phương khoảng cách

Phương trình (1.1) tính công suất thu được sau khi truyền tín hiệu qua một khoảng cách R:

2

4 R

G G P

Hoặc ta có thể viết lại là:

(1.2)

Gọi Lpt là hệ số suy hao do việc truyền dẫn trong không gian tự do:

L pt (dB)=P T (dB) - P R (dB)

=-10log 10 G T -10log 10 G R +20log 10 f+20log 10 R-47.6dB (1.3)

Tổng quát, truyền dẫn trong không gian tự do rất đơn giản, chúng ta có thể

xây dựng mô hình chính xác cho các tuyến thông tin vệ tinh và các tuyến liên lạc

trực tiếp (không bị vật cản) như các tuyến liên lạc vi ba điểm nối điểm trong phạm

vi ngắn Tuy nhiên, cho hầu hết các tuyến thông tin trên mặt đất như thông tin di

động, mạng LAN không dây, môi trường truyền dẫn phức tạp hơn nhiều do đó

việc tạo ra các mô hình cũng khó khăn hơn Ví dụ, đối với những kênh truyền dẫn

vô tuyến di động UHF, khi đó điều kiện về không gian tự do không được thỏa,

chúng ta có công thức tính suy hao đường truyền như sau:

L pt 10log10G T 10log10G R 20log10h BS 20log10h MS 40log10 R (1.4)

với h BS , h MS << R là độ cao anten trạm gốc BS (Base Station) và anten của trạm di

động MS (Mobile Station)

1.1.2 Hiệu ứng đa đường

Trong hệ thống thông tin vô tuyến, do các hiện tượng như phản xạ, tán xạ,

khúc xạ, nhiễu xạ… tín hiệu truyền từ bộ phát tới bộ thu sẽ bị tách thành nhiều

thành phần (giống với tín hiệu gốc) và mỗi thành phần sẽ có những đường đi khác

nhau Hiện tượng này được gọi là truyền dẫn đa đường (multipath propagation)

Truyền dẫn đa đường dẫn đến sự trải rộng (spreading) của tín hiệu trong miền thời

R T R

T R

T

G G f R c G

G

R P

2 2

gian, tần số… Các đại lượng đặc trưng cho hiện tượng này là: trải trễ (delay (time) spread), trải phổ Doppler (Doppler spread), …

1.1.2.1 Rayleigh fading

Trong đường truyền vô tuyến, tín hiệu RF từ máy phát có thể bị phản xạ từ các vật cản như đồi núi, nhà cửa, xe cộ sinh ra nhiều đường tín hiệu đến máy thu (Hình 1.1) dẫn đến lệch pha giữa các tín hiệu đến máy thu làm cho biên độ tín hiệu thu bị suy giảm Mối quan hệ về pha giữa các tín hiệu phản xạ có thể là nguyên nhân gây ra nhiễu có cấu trúc hay không có cấu trúc Điều này được tính trên các khoảng cách rất ngắn (thông thường là một nửa khoảng cách sóng mang), vì vậy ở đây gọi là fading nhanh Mức thay đổi của tín hiệu có thể thay đổi được trong khoảng từ 10-30dB trên một khoảng cách ngắn Hình 1.2 mô tả các mức suy giảm khác nhau có thể xảy ra do fading

Hình 1.2 : Fading Rayleigh khi thiết bị di động di chuyển (ở tần số 900MHz)

Phân bố Rayleigh được sử dụng để mô tả thời gian thống kê của công suất tín hiệu thu Nó mô tả xác suất của mức tín hiệu thu được do fading

Bảng 1.1: Sự phân bố tích lũy đối với phân bố Rayleigh

Mức tín hiệu (dB)

Xác suất của mức tín hiệu nhỏ hơn giá trị cho phép (%)

Trong bất kỳ đường truyền vô tuyến nào, đáp ứng phổ không bằng phẳng do

có sóng phản xạ đến đầu vào máy thu Sự phản xạ có thể dẫn đến tín hiệu đa đường của công suất tín hiệu tương tự như tín hiệu trực tiếp gây suy giảm công suất tín hiệu thu do nhiễu Toàn bộ tín hiệu có thể bị mất trên đường truyền băng h5p nếu không có đáp ứng tần số xảy ra trên kênh truyền Có thể khắc phục bằng hai cách:

Truyền tín hiệu băng rộng hoặc sử dụng phương pháp trải phổ như CDMA nhằm giảm bớt suy hao

Phân toàn bộ băng tần thành nhiều kênh băng hẹp, mỗi kênh có một sóng mang, mỗi sóng mang này trực giao với các sóng mang khác (tín hiệu OFDM) Tín hiệu ban đầu được trải trên băng thông rộng, không có phổ xảy ra tại tất cả tần

số sóng mang Kết quả là chỉ có một vài tần số sóng mang bị mất Thông tin trong

các sóng mang bị mất có thể khôi phục bằng cách sử dụng các kỹ thuật sửa lỗi thuận FEC

1.1.2.3 Trải trễ

Tín hiệu vô tuyến thu được từ máy phát bao gồm tín hiệu trực tiếp và tín hiệu phản xạ từ các vật cản như các tòa nhà, đồi núi… Tín hiệu phản xạ đến máy thu chậm hơn so với tín hiệu trực tiếp do chiều dài truyền lớn hơn Trải trễ là thời gian trễ giữa tín hiệu đi thẳng 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 [23] Điều này

do tín hiệu đa đường bị trễ chồng lấn với ký tự theo sau, và nó có thể gây ra lỗi nghiêm trọng ở các hệ thống tốc độ bit cao, đặc biệt là khi sử dụng ghép kênh phân chia theo thời gian TDMA

Hình 1.3: Trải trễ đa đường

Hình 1.3 cho thấy ảnh hưởng của trải trễ gây ra nhiễu liên ký tự Khi tốc độ bit phát đi tăng lên thì một lượng nhiễu ISI cũng tăng lên một cách đáng kể Ảnh hưởng thể hiện rõ ràng nhất khi trải trễ lớn hơn khoảng 50% chu kỳ bit (bit time)

Bảng 1.2: Các giá trị trải trễ thông dụng

Môi trường Trải trễ Chênh lệch quãng đường đi lớn nhất của tín hiệu

Trong nhà 40ns – 200ns 12m – 60m Bên ngoài 1 s –20 s 300m – 6km Bảng 1.2 đưa ra các giá trị trải trễ thông dụng đối với các môi trường khác nhau Trải trễ lớn nhất ở môi trường bên ngoài xấp xỉ là 20 s; do đó, nhiễu liên ký

tự có thể xảy ra đáng kể ở tốc độ thấp nhất là 25Kbps

Nhiễu ISI có thể được tối thiểu hóa bằng nhiều cách:

- Giảm tốc độ ký tự bằng cách giảm tốc độ dữ liệu cho mỗi kênh (như chia băng thông ra nhiều băng con nhỏ hơn như sử dụng OFDM)

- Sử dụng kỹ thuật mã hóa để giảm nhiễu ISI như trong CDMA

1.1.2.4 Dịch Doppler

Khi nguồn tín hiệu và bên thu chuyển động tương đối với nhau, tần số tín hiệu thu không giống bên phía phát Khi chúng di chuyển cùng chiều (hướng về nhau) thì tần số nhận được lớn hơn tần số tín hiệu phát, và ngược lại khi chúng di chuyển xa nhau thì tần số tín hiệu thu bị giảm xuống Đây gọi là hiệu ứng Doppler Khoảng tần số thay đổi do hiệu ứng Doppler tùy thuộc vào mối quan hệ chuyển động giữa nguồn phát và nguồn thu và cả tốc độ truyền sóng Độ dịch Doppler có thể được tính theo công thức:

c

v f

Trong đó f là khoảng thay đổi tần số của tần số tín hiệu tại máy thu

v là tốc độ thay đổi khác nhau giữa tần số tín hiệu và máy phát

mô hình nhiễu Gauss không cộng (AWGN – Non-additive White Gaussian Noise )

ở các kênh truyền không dây (Hình 1.4)

Hình 1.4: Môi trường truyền dẫn với sự có mặt của nhiễu trắng

Tín hiệu thu có công thức như sau:

) ( ) (

* ) ( ) (t x t h n t

) (

j H h

n(t) Nhiễu Gauss

Tín hiệu phát

Nhiễu có thể được tạo từ nhiễu nhiệt, nhiễu điện trong các bộ khuếch đại máy thu và can nhiễu giữa các tế bào; sự biến đổi thời tiết; can nhiễu giữa các ký

tự (ISI), can nhiễu giữa các sóng mang (ICI) Các nguồn nhiễu này làm giảm tỉ số SNR, giới hạn đáng kể hiệu quả phổ của hệ thống Kết quả là chất lượng truyền dẫn trong thông tin vô tuyến bị giảm đáng kể Hầu hết các dạng nhiễu trong hệ thống thông tin vô tuyến được mô hình hóa chính xác nhờ dùng nhiễu trắng Gauss

Để tái tạo lại tín hiệu x(t), máy thu phải tạo ra hàm truyền ngược H -1 chính

xác Quá trình tìm được H -1 được gọi là ước lượng kênh truyền

1.2 Kỹ thuật điều chế phân chia tần số trực giao

1.2.1 Nguyên lý cơ bản của OFDM

Nguyên lý cơ bản của OFDM ([24][19]) là chia một luồng dữ liệu tốc độ cao thành các luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát đồng thời trên một số các sóng mang con trực giao Vì khoảng thời gian ký tự tăng lên do các sóng mang con song song tốc độ thấp hơn, cho nên lượng nhiễu gây ra do độ trải trễ đa đường được giảm xuống Nhiễu xuyên ký tự ISI được hạn chế hầu như hoàn toàn do việc đưa vào một khoảng thời gian bảo vệ trong mỗi ký tự OFDM Trong khoảng thời gian bảo vệ, mỗi ký tự OFDM được bảo vệ theo chu kỳ để tránh nhiễu giữa các sóng mang ICI

Giữa kỹ thuật điều chế đa sóng mang không chồng phổ và kỹ thuật điều chế

đa sóng mang chồng phổ có sự khác nhau Trong kỹ thuật đa sóng mang chồng phổ, ta có thể tiết kiệm được khoảng 50% băng thông Tuy nhiên, trong kỹ thuật

đa sóng mang chồng phổ, ta cần triệt xuyên nhiễu giữa các sóng mang, nghĩa là các sóng này cần trực giao với nhau

Trong OFDM, dữ liệu trên mỗi sóng mang chồng lên dữ liệu trên các sóng mang lân cận Sự chồng chập này là nguyên nhân làm tăng hiệu quả sử dụng phổ

trong OFDM Ta thấy trong một số điều kiện cụ thể, có thể tăng dung lượng đáng

kể cho hệ thống OFDM bằng cách làm thích nghi tốc độ dữ liệu trên mỗi sóng mang tùy theo tỷ số tín hiệu trên tạp âm SNR của sóng mang đó

Hình 1.5: So sánh kỹ thuật sóng mang không chồng xung (a) và kỹ thuật sóng

mang chồng xung (b)

Về bản chất, OFDM là một trường hợp đặc biệt của phương thức phát đa sóng mang theo nguyên lý chia dòng dữ liệu tốc độ cao thành tốc độ thấp hơn và phát đồng thời trên một số sóng mang được phân bổ một cách trực giao Nhờ thực hiện biến đổi chuỗi dữ liệu từ nối tiếp sang song song nên thời gian ký tự tăng lên

Do đó, sự phân tán theo thời gian gây bởi trải trễ do truyền dẫn đa đường giảm xuống

Hình 1.6:

1 2 0

chế và giải điều chế của riêng nó Điều này là không thể chấp nhận được khi số sóng mang con rất lớn đối với việc thi công hệ thống Nhằm giải quyết vấn đề này, giải thuật IDFT/DFT (Inverse Discrete Fourier Transform/ Discrete Fourier

Transform) có vai trò như hàng loạt bộ điều chế và giải điều chế Thực tế, nếu dùng giải thuật IFFT/ FFT ( Inverse Fast Fourier Transform/ Fast Fourier

Transform) ta có thể giảm độ phức tạp của hệ thống đi rất nhiều

IDFT N điểm yêu cầu N 2 lần nhân phức, thực chất chỉ là các phép quay pha (phase rotation), tất nhiên cũng có phép cộng, nhưng sự phức tạp về phần cứng của phép cộng đơn giản hơn nhiều so với phép nhân hoặc dịch pha nên ta chỉ so sánh các phép nhân IFFT giảm đáng kể số lượng phép tính bằng việc lợi dụng tính đều đặn trong hoạt động của IDFT

1.2.2 Sơ đồ khối hệ thống OFDM

tiên dữ liệu nhị phân tốc độ cao sẽ được điều chế ánh xạ bằng M-QAM và được

mã hóa bằng cách sử dụng thuật toán sửa lỗi thuận (FEC) và được sắp xếp theo một tự hỗn hợp Các ký tự điều chế sau đó sẽ được chia thành nhiều dòng dữ liệu song song tốc độ thấp hơn nhờ bộ chuyển đổi nối tiếp thành song song (S/P: Serial/Parrallel) Những ký tự hỗn hợp được đưa đến đầu vào của khối IDFT Khối này sẽ tính toán các mẫu thời gian tương ứng với các kênh nhánh trong miền tần

số Sau đó, khoảng bảo vệ được chèn vào để giảm nhiễu xuyên ký tự ISI do truyền trên các kênh di động vô tuyến đa đường tạo thành các ký tự OFDM Các ký tự OFDM song song qua bộ chuyển từ song song sang nối tiếp Sau cùng bộ lọc phía phát định dạng tín hiệu thời gian liên tục sẽ chuyển đổi lên tần số cao để truyền trên các kênh Trong quá trình truyền, trên các kênh sẽ có các nguồn nhiễu gây ảnh hưởng như nhiễu trắng cộng AWGN,…

Ở phía thu, tín hiệu được chuyển xuống tần số thấp và tín hiệu rời rạc đạt được tại bộ thu Khoảng bảo vệ được loại bỏ và các mẫu được chuyển từ miền thời gian sang miền tần số bằng phép biến đổi DFT dùng thuật toán FFT Sau đó, tùy vào sơ điều chế được sử dụng, sự dịch chuyển về biên độ và pha của các sóng mang nhánh sẽ được cân bằng bằng bộ cân bằng kênh Các ký tự hỗn hợp thu được sẽ được sắp xếp ngược trở lại và được giải mã Cuối cùng chúng ta sẽ thu được dòng dữ liệu nối tiếp ban đầu

P/S

Kênh truyền +

Dữ liệu

ngõ ra

Khuếch đại điều chế RF

Khuếch đại giải điều chế

RF

Ước lượng kênh

1.2.2.1 Ánh xạ điều chế

Hình 1.8: Bộ điều chế và giải điều chế

Từng ký tự b bít sẽ được đưa vào bộ mapper mục đích là nâng cao dung lượng kênh truyền Một ký tự b bit sẽ tương ứng một trong M = 2 b trạng thái hay một vị

trí trong giản đồ chòm sao

o BPSK sử dụng ký tự 1bit, bit 0 hoặc bit 1 sẽ xác định trạng thái pha 00

hoặc

1800, tốc độ baund hay tốc độ chuỗi sẽ bằng tốc độ bit Baund=R b.

o QPSK sử dụng ký tự 2 bit (Dibit), Baund =R b/2

o 8-PSK hay 8-QAM sử dụng ký tự 3 bit (Tribit), Baund=R b/3

o 16-PSK hay 16-QAM sử dụng ký tự 4 bit (Quabit), Baund=R b/4

Hình 1.9: Quan hệ giữa tốc độ ký tự và tốc độ bit phụ thuộc

vào số bit trong một ký tự

Số bit được truyền trong một ký tự tăng lên (M tăng lên), thì hiệu quả băng

thông Befficiency=R b /B T=log2(M)=b[bps/Hz] tăng lên, tuy nhiên sai số BER cũng sẽ

tăng lên

Nyquist đã đưa ra công thức dung lượng kênh tối đa trong môi trường không

nhiễu: C=2Blog2M trong đó B là băng thông của kênh truyền Do đó ta không thể

tăng M lên tùy ý được, công thức trên cho phép ta xác định M lớn nhất, số bit lớn

nhất có thể truyền trong một ký tự

Một số phương thức điều chế số thường dùng trong bộ Mapping:

 M-PSK (M-Phase shift keying)

Sóng mang chỉ thay đổi về pha phụ thuộc bit vào, mà không thay đổi biên độ, nên công suất của tín hiệu không đổi Một số dạng PSK thường gặp:

o BPSK có 2 trạng thái pha phụ thuộc vào 1 bit vào

o QPSK có 4 trạng thái pha phụ thuộc vào 2 bit (Dibit) vào

o 8-PSK có 8 trạng thái pha thuộc 3 bit (Tribit) vào

o 16-PSK có 16 trạng thái pha thuộc 4 bit (Quadbit) vào

Hình 1.10: Chòm sao 4-PSK và 16-PSK Phương pháp này đòi hỏi phía thu phải khôi phục được chính xác sóng mang M-PSK có biểu thức tổng quát như sau:

1, ,1,0,0

;)

22

cos(

2)

M

t t f T

E t

M-QAM là dạng điều chế số, sóng mang bị điều chế cả về biên độ và pha, phương pháp này được sử dụng rất phổ biến trong các đường truyền vô tuyến tốc

độ cao

Hình 1.11: Chòm sao QAM 16 và 64 Sau đây là công thức tổng quát của tín hiệu M-QAM:

M i

t a t a t

s i( ) i1 1( ) i2 2( ) 1, , (1.13)

s c

s

T t t

f T

E t

t f T

1.2.2.2 Bộ chuyển đổi nối tiếp – song song

Hình 1.12: Bộ chuyển đổi nối tiếp – song song và ngược lại

Theo Shanon tốc độ dữ liệu cao nhất cho kênh truyền chỉ cĩ nhiễu trắng AWGN (khơng cĩ fading):

Cmax=B.log2(1+S/N) [bps] (1.14) Trong đĩ: B là băng thơng của kênh truyền [Hz]; S/N là tỉ số tín hiệu trên nhiễu của kênh truyền

Vì vậy muốn truyền dữ liệu với tốc độ cao hơn Cmax ta phải chia nhỏ luồng

dữ liệu tốc độ cao thành các luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn Cmax bằng cách sử dụng

bộ chuyển đổi nối tiếp sang song song (S/P) Tức là chia luồng dữ liệu thành các

khung (frame) nhỏ cĩ chiều dài kxb bit với k≤N, với b là số bit trong mơ hình điều chế số, N số sĩng mang k,N sẽ được chọn sao cho các luồng dữ liệu song song cĩ

Parallel

To Serial Converter

Serial to Parallel Converter

Dữ liệu nối tiếp

tốc độ đủ thấp để băng thông tương ứng đủ hẹp, sao cho hàm truyền trong khoảng băng thông đó có thể xem là phẳng Bằng cách sử dụng bộ S/P ta đã chuyển kênh truyền fading chọn lọc tần số thành kênh truyền fading phẳng

Ngược lại bên phát, phía thu sẽ sử dụng bộ Parallel/Serial để ghép N luồng

dữ liệu tốc độ thấp thành một luồng dữ liệu tốc độ cao duy nhất Hình 1.12 cho thấy tác dụng của bộ chuyển đổi từ nối tiếp sang song song và ngược lại từ song song sang nối tiếp

1.2.2.3 Chuyển đổi miền tần số sang miền thời gian

Hình 1.13: Bộ IFFT và FFT Phép biến đổi IDFT (Inverse Discrete Fourier Transform) cho phép ta tạo tín

hiệu OFDM dễ dàng, tức là điều chế N luồng tín hiệu song song lên N tần số trực

giao một cách chính xác và đơn giản Phép biến đổi DFT (Discrete Fourier Transform) cho phép ta giải điều chế lấy lại thông tin từ tín hiệu OFDM Nhờ sử dụng phép biến đổi IDFT và DFT mà ta tinh giản được bộ tổng hợp tần số phức tạp ở phía phát và phía thu Biến đổi DFT phức có thể được xem như là cách xác

định biên độ và pha của những thành phần sóng sin và cos cấu thành nên tín hiệu

phân tích

N

kn j

N

kn n

x N k X

N

n

2sin2

cos][

1][

Trong đó mảng X[k] chứa N giá trị biên độ của các thành phần tần số, mảng

x[n] chứa N mẫu của tín hiệu miền thời gian kn/N biểu thị tần số của sóng sin/cos

ứng với k 0 N, 1 , n thay đổi giữa 0 và tổng số mẫu miền thời gian Thông số k định nghĩa số chu kỳ sóng sin/cos hoàn chỉnh xảy ra qua N điểm tín hiệu miền thời gian được lưu trữ trong mảng x[n] Thông số n biểu thị cho số mẫu miền thời gian

thu được Công thức (1.15) định nghĩa biến đổi Fourier phức nên cả hai mảng

miền thời gian và miền tần số đều lưu trữ những giá trị phức Mảng X[k] bao gồm

cả tần số dương và âm, trong đó chỉ số k=0,1,…,N/2 biểu thị cho tần số dương và

k=N/2+1,…,N-1 biểu thị cho tần số âm

N L