Hiệu quả của mẫu Pilot cho ước lượng kênh truyền dẫn OFDM Trần Thị Hường

Hiệu quả của mẫu Pilot cho ước lượng kênh truyền dẫn OFDM Trần Thị Hường Trường Đại học Công nghệ Luận văn Thạc sĩ ngành: Kỹ thuật Điện tử; Mã số: 60 52 70 Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Quốc Tuấn Năm bảo vệ: 2012

Hiệu quả của mẫu Pilot cho ước lượng kênh

truyền dẫn OFDM Trần Thị Hường

Trường Đại học Công nghệ Luận văn Thạc sĩ ngành: Kỹ thuật Điện tử; Mã số: 60 52 70

Người hướng dẫn: TS Nguyễn Quốc Tuấn

Năm bảo vệ: 2012

Abstract: Trình bày kỹ thuật (ghép kênh phân chia theo tần số trực giao) OFDM : các

khái niệm cơ bản trong OFDM, nguyên tắc cơ bản của OFDM, tính chất trực giao trong OFDM, nhiễu ISI và ICI, thuật toán FFT/IFFT, các vấn đề kỹ thuật và xây dựng

mô hình hệ thống Ước lượng kênh truyền trong OFDM và hiệu quả của mẫu Pilot: trình bày kỹ thuật ước lượng kênh truyền trong hệ thống OFDM, từ đó đưa ra hiệu quả của mẫu Pilot cho ước lượng kênh Mô phỏng kết quả: mô phỏng kết quả đạt được của hiệu quả mẫu Pilot cho ước lượng kênh truyền dẫn OFDM và đưa ra hướng phát triển

của đề tài trong tương lai

Keywords: Kỹ thuật điện tử; Kỹ thuật truyền tin; Kênh truyền thông tin; Tần số trực

giao

Content

CHƯƠNG 1 KỸ THUẬT OFDM

1.1 Giới thiệu chương

Trong hệ thông tin vô tuyến cần thiết phải có sóng mang cao tần để truyền thông tin Các kỹ thuật điều chế cho phép bố trí dữ liệu trên sóng mang Các hệ thống thông tin một tần

số hạn chế tốc độ dữ liệu và hạn chế về dung lượng Phương pháp mới để truyền tín hiệu số

mà vẫn tiết kiệm được băng tần đó là OFDM OFDM là kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần

Hình 1.1 Phổ của tín hiệu FDM và OFDM

1.2.2 Hệ thống OFDM

Hình 1.3 Sơ đồ một hệ thống OFDM

Ở máy phát, chuỗi dữ liệu nối tiếp qua bộ S/P được biến đổi thành N chuỗi con song song, mỗi chuỗi này qua một bộ điều chế Ở ngõ ra các bộ điều chế, ta thu được một chuỗi số phức D0, D1, …, DN-1, trong đó Dk = Ak + jBk Chuỗi số phức này đi vào bộ IFFT:

2.1

2

1 N

k

N k

n t k f j e k D N

n N

k j e k D N

n

(1.1)

Nhiễu

Ngõ ra bộ IFFT là các mẫu rời rạc của ký hiệu OFDM trong miền thời gian

})fsin2f

cos2).(

({ReN

1{d[n]}

Re)

1 0

n n

k k N

k

t j

t jB

A n

1 N

k

n k

cos2(

N

1)(

N

k j N

n

e n d k

1 0

S

jiK

(t)dt

*j

(t).Si

0)

T

ksin(2(t)

S

S

T t

T t

t

2

k2Sin 

    dt 0

T

tkk πcos2T

tkk πcos22

1dttT

k π2.Sin t

2 1 S

2 T

Hình 1.4 Phổ của các sóng mang trực giao

1.4 Sử dụng FFT/IFFT trong OFDM

Điều bất lợi là một số sóng mang cần có một máy phát sóng sin, một bộ điều chế và giải điều chế của riêng nó, điều này là không thể chấp nhận được khi số sóng mang phụ rất lớn đối với việc thi công hệ thống

Giả sử tín hiệu x(n) có chiều dài là N (n = 0,1, 2, …, N-1) Công thức của phép biến đổi DFT là

(

N n

j

N kn

e n x k

(

N k

j N

N kn

e k X n

Nhiễu gây ra bởi ký tự trên sóng mang kế cận được xem là nhiễu xuyên kênh (ICI) ICI xảy ra khi kênh đa đường khác nhau trên thời gian ký tự OFDM Dịch Doppler trên mỗi thành phần đa đường gây ra bù tần số trên mỗi sóng mang

1.5.2 Phương pháp chống nhiễu liên ký hiệu

Hình 1.7 Ảnh hưởng của ISI

Hình 1.7 cho ta thấy một ký hiệu và phiên bản trễ của nó Chính thành phần trễ này gây

ra nhiễu ảnh hưởng đến phần đầu của ký hiệu tiếp theo Đây chính là nhiễu liên ký hiệu ISI

1.6 Hoạt động của kênh vô tuyến

1.6.1 Tổng quan

Trên thực tế, sóng vô tuyến truyền từ trạm phát (BS: base station) đến đầu thu di động (MS: mobile station) sẽ chịu tác động của rất nhiều yếu tố của môi trường làm cho biên độ của tín hiệu thay đổi, hiện tượng này gọi là hiện tượng fading

Nếu đầu thu không đứng yên mà chuyển động có vận tốc tương đối với BS thì sẽ xảy

ra hiện tượng Doppler, độ dịch chuyển tần số cho bởi:

) cos(

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 chỉ ra xác suất của mức tín hiệu đối với phân bố Rayleigh

 Fading lựa chọn tần số

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 hiện tượng đa đường và làm suy giảm công suất tín hiệu

1.7 Các vấn đề kỹ thuật trong OFDM

- OFDM là giải pháp kỹ thuật rất thích hợp cho truyền dẫn vô tuyến tốc độ cao Tuy nhiên, để có thể đem áp dụng vào các hệ thống, có ba vấn đề cần phải giải quyết khi thực hiện

1.7.1 Ƣớc lƣợng tham số kênh

Ước lượng kênh (Channel estimation) trong hệ thống OFDM là xác định hàm truyền đạt của các kênh con và thời gian để thực hiện giải điều chế bên thu khi bên phát sử dụng kiểu điều chế kết hợp Để ước lượng kênh, phương pháp phổ biến hiện nay là dùng tín hiệu dẫn đường (PSAM-Pilot signal assisted Modulation) Có hai vấn đề chính được quan tâm khi sử dụng PSAM :

- Vấn đề thứ nhất là lựa chọn tín hiệu pilot

- Vấn đề thứ hai là việc thiết kế bộ ước lượng kênh

1.7.2 Đồng bộ trong OFDM

Đồng bộ là một trong những vấn đề đang rất được quan tâm trong kỹ thuật OFDM bởi

nó có ý nghĩa quyết định đến khả năng cải thiện các nhược điểm của OFDM

Có ba loại đồng bộ khác nhau là : Đồng bộ ký tự, đồng bộ tần số sóng mang, và đồng bộ tần số lấy mẫu

1.8 Ƣu khuyết điểm của OFDM

1.8.1 Ƣu điểm

- Tăng hiệu quả sử dụng băng thông

- Bền vững với fading chọn lọc tần số do các ký hiệu có băng thông hẹp nên mỗi sóng mang phụ chỉ chịu fading phẳng

- Chống được nhiễu liên ký hiệu ISI do chu kỳ ký hiệu dài hơn cùng với việc chèn thêm khoảng bảo vệ cho mỗi ký hiệu OFDM

- Sự phức tạp của máy phát và máy thu giảm đáng kể nhờ sử dụng FFT và IFFT

- Có thể truyền dữ liệu tốc độ cao

1.8.2 Khuyết điểm

- Nhạy với offset tần số

- Tại máy thu, sẽ rất khó khăn trong việc quyết định vị trí định thời tối ưu để giảm ảnh hưởng của ICI và ISI

- Tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình PAPR (Peak to Average Power Ratio)

là lớn

1.9 Ứng dụng OFDM cho mạng 4G

1.9.1 Lộ trình tiến lên 4G

Hình 1.16 Lộ trình tiến lên 4G

1.9.2 Các hệ thống thông tin di động hiện đại WCDMA/HSDPA/HSUPA

- WCDMA được phát triển bởi NTT DOCOMO và ETSI như giao diện vô tuyến 3G

- Đặc điểm WCDMA: Dải thông 5MHz, tốc độ chíp 3,84Mcps; hệ số trải phổ biến đổi

và kết nối đa mã, tốc độ dữ liệu thay đổi trong phạm vi rộng

1.9.3 Tương lai phát triển của OFDM

Hình 1.17 Tương lai phát triển của OFDM

Các giải pháp cho 4G

 Đa truy nhập: OFDMA (DL), MC-CDMA, SC-FDMA (UL)

 Điều chế và mã thích nghi (AMC)

 ARQ lai (H-ARQ)

 Song công lai (FDD/TDD)

 MIMO

1.10 Tổng kết chương

Trong chương này đã trình bày khá chi tiết về kỹ thuật OFDM, đồng thời cũng phân tích các vấn đề kỹ thuật ảnh hưởng đến chỉ tiêu chất lượng hệ thống sử dụng OFDM

CHƯƠNG 2 ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUYỀN TRONG OFDM VÀ HIỆU QUẢ

CỦA MẪU PILOT 2.1 Giới thiệu chung

OFDM là giải pháp kỹ thuật rất thích hợp cho truyền dẫn vô tuyến tốc độ cao Tuy nhiên, để có thể đem áp dụng vào các hệ thống, có ba vấn đề cần phải giải quyết khi thực hiện

2.2.2 Ước lượng kênh

Trong liên kết đa sóng mang, các bit điều chế được phân bổ trong suốt thời gian truyền thông qua sự tác động của kênh truyền Kênh truyền sinh ra sự dịch chuyển biên độ và pha của tín hiệu điều chế do đặc tính thay đổi theo thời gian và tần số chọn lọc của kênh truyền vô tuyến

2.2.3 Cân bằng cho hệ thống OFDM

Trong hệ thống OFDM, dữ liệu ngõ vào thực hiện điều biến để tạo thành tín hiệu dải gốc ở dạng phức sẽ được chuyển từ nối tiếp thành N luồng song song tạo thành symbol OFDM Ta chuyển symbol OFDM thành tín hiệu OFDM bằng phép biến đổi IFFT Tín hiệu OFDM s(t) được truyền qua kênh truyền có đáp ứng xung h(t), ở đầu thu ta nhận được r(t) Trong trường hợp có nhiễu AWGN n(t), ta có:

2.3.1 Ước lượng kênh dùng tín hiệu Pilot (Pilot-Aided Channel Estimation - PACE)

Tại bên phát, thực hiện chèn tín hiệu đã biết (hoa tiêu) vào khung tín hiệu OFDM với khoảng cách nhất định trong miền thời gian, tần số Tại bên thu, tín hiệu lấy mẫu tương ứng với các điểm chèn hoa tiêu cho phép đánh giá kênh truyền hệ thống tại vị trí ấy

2.3.2 Ước lượng kênh đệ quy (Decision-Directed Channel Estimation - DDCE)

Phương pháp này cũng chèn tín hiệu dạng hoa tiêu nhưng ít hơn Tín hiệu đã biết (hoa tiêu hay chuỗi huấn luyện) chỉ chèn tại đầu mỗi khung Tại bên thu, dựa vào chuỗi huấn luyện

đó để biết thông tin kênh tạm thời Ban đầu tín hiệu được quyết định thông qua thông tin kênh tạm thời, sau đó cả thông tin về tín hiệu vừa được xử lý này lại tham gia vào việc quyết định tín hiệu sau Khi tín hiệu lặp lại quá nhiều, tốc độ xử lý chung sẽ giảm đi, khó có thể áp dụng cho những ứng dụng đòi hỏi thời gian thực khi mà khung dữ liệu quá lớn

2.3.3 Ước lượng kênh bằng phương pháp mù (Blind/SemiBlind Channel Estimation BCE)

-Đây là phương pháp không sử dụng việc chèn tín hiệu đã biết tại bên phát Quyết định tín hiệu chỉ dựa vào thông tin của tín hiệu thu Phương pháp này tuy có tốc độ truyền tin cao (do không chèn thêm tín hiệu hoa tiêu) nhưng tốc độ xử lý tại bên thu thấp và chất lượng quyết định không cao bằng 2 phương pháp trên

Trong ba phương pháp này thì phương pháp sử dụng pilot cho tín tín tốt nhất vì vậy sau đây sẽ đi sâu vào nghiên cứu phương pháp sử dụng Pilot

2.4 Phương pháp sử dụng pilot

Ở đầu thu, các giá trị pilot được cung cấp cho bộ ước lượng kênh truyền, từ giá trị nhận được và giá trị gốc của pilot ta tính được tác động của kênh truyền tại các vị trí pilot và nội suy ra toàn bộ đáp ứng tần số của kênh truyền cho cả symbol

Sau đó, từ tín hiệu nhận được và đáp ứng kênh truyền ta khôi phục lại symbol OFDM gốc Pilot có thể chèn cùng với dữ liệu có ích ở cả miền tần số và miền thời gian như trình bày ở hình sau Tuy nhiên, khoảng cách giữa hai pilot phải tuân theo luật lấy mẫu ở cả miền tần số và miền thời gian

Hình 2.2 Các pilot trong miền thời gian và tần số

Sự thay đổi kênh truyền ở miền tần số phụ thuộc vào thời gian trễ truyền dẫn lớn nhất của kênh max Gọi rf là tỉ số lấy mẫu ở miền tần số,  f là khoảng cách giữa hai sóng mang con, khoảng cách giữa hai pilot phải thoả điều kiện sau đây:

1 1

Tỷ số lấy mẫu tối thiểu ở miền tần số rf =1 Khi rf<1 thì kênh truyền không

được khôi phục hoàn toàn thông qua pilot

Tương tự như ở miền tần số, khoảng cách giữa hai pilot phải thoả biểu thức

1 ) (

t D

t

T D

f

r

với fDmaxlà tần số tối đa gây ra bởi hiệu ứng Doppler

Tại đầu thu, khi nhận được R(f) , các vị trí tương ứng với các pilot sẽ được trích ra, ta có:

RPilot( f )  Spilot( f ) Hpilot( f )  N ( t )

Tạm bỏ qua tác động của nhiễu AWGN, ta có

RPilot( f )  Spilot( f ) Hpilot( f )

Từ đó suy ra đáp ứng tần số của kênh truyền tại các vị trí tương ứng với các

pilot

) (

) ( )

(

f S

f R f

H

pilot

pilot pilot 

Từ Hpilot( f ), toàn bộ đáp ứng H(f) của kênh truyền có thể được suy ra

bằng rất nhiều cách khác nhau như: nội suy tuyến tính, nội suy dùng đa thức, sử dụng lọc Wiener-Hop, hoặc nhiều thuật toán mang tính thống kê phức tạp khác

Trong phần này ta sẽ khảo sát một vài kỹ thuật ước lượng kênh Đặt các

pilot cách nhau một khoảng thời gian t

p

N và cách nhau một khoảng N p f

symb d

với f là độ rộng băng thông của sóng mang, Tsymb là thời gian truyền ký hiệu

Sau khi chèn các pilot một cách đều đặn vào sóng mang hoặc chèn vào luồng dữ liệu, khối IDFT được sử dụng để chuyển luồng dữ liệu có chiều dài N {X[k]} từ miền tần số sang miền thời gian {x[n]} theo phương trình:

( )

(

N k

j

N kn

e n X k

X IDFT

n

Tín hiệu nhận được cho bởi phương trình yf (n)  xf( n )  h ( n )  w ( n )

Ở đây w(n) là nhiễu Gausse trắng và h(n) là đáp ứng xung của kênh Đáp ứng

xung của kênh có thể được mô tả bởi phương trình

) (

)

Tn Di j N j

 i là trì hoãn kênh truyền thứ i được chuẩn hóa bởi thời gian lấy mẫu Tại đầu nhận sau

khi qua bộ chuyển đổi rời rạc thời gian A/D và lọc thông thấp, khoảng bảo vệ đuợc loại bỏ

1, ,2,1,0)

(

)

(

1)

N n

y

n

y

N n N n

y

g f

1 ) ( )

(

N n

j

N kn

e n y N n

y DFT

2

) sin(

)

i

k i N j Di

Di T

Di f j

T f

T f e

h k





)(

2

1

1 N

X(K) )

K N

i j K

k T i D f N j

K k T i D f j

e

e h

1 , 0 )

 là phương sai của nhiễu E{|W(k)|}

Trái lại ước lượng LS là cực tiểu hóa sai biệt giữa giá trị nhận và giá trị được ước lượng Vì thế LS sẽ cực tiểu giá trị

) (

) ( Y  XFh H Y  XFh

Kênh được ước lượng trong LS được cho bởi biểu thức

Y X

2.4.2 Ƣớc lƣợng kênh có quyết định hồi tiếp

Đáp ứng kênh cho sóng mang thứ k ước lượng từ ký hiệu trước {He(k)} được sử dụng

để tìm uớc lượng cho ký hiệu phát tiếp theo {Xe(k)}

0 , 1 , , 1

) (

) ( )

k H

k Y k

X

e e

2.4.3 Sắp xếp pilot theo hình răng lƣợc

cân bằng kênh khi sự thay đổi của kênh xảy ra trong một ký hiệu của tín hiệu

đa sóng mang OFDM Loại ước lượng này bao gồm các thuật toán ước lượng kênh thông qua tần số của chuỗi pilot và nội suy kênh

Ước lượng kênh ở các tần số pilot dựa trên sóng pilot hình lược có thể sử dụng thuật toán LS, MMSE hoặc LMS Một số tài liệu chứng tỏ rằng MMSE thực hiện tốt hơn so với LS, tính phức tạp của MMSE đươc giảm bớt bằng cách sử dụng phép sử dụng ước lượng hạng thấp tối

ưu và phân tích trị riêng trong đại số tuyến tính

Hình 2.5 Pilot đươc sắp xếp một cách đều đặn theo hình răng lược

Trong ước lượng kênh dựa trên pilot hình lược tín hiệu pilot NP được chèn một cách đều đặn vào luồng dữ liệu X(k) theo phương trình

0,)(

x

l)X(mL

X(k)

p

L Data

l m

Với L =(số sóng mang /Np) và xp(m) là giá trị pilot thứ m Ta định nghĩa {Hp(k), k=0,1, ,Np} là đáp ứng tần số của kênh tại các vị trí của sóng mang pilot Ước lượng kênh dựa trên sóng mang pilot được cho bởi biểu thức

1 , ,

1 , 0 )

Với Yp(k) và Xp(k) là đầu ra và đầu vào của sóng mang pilot thứ k

2.4.5 Kỹ thuật nội suy

Ước lượng dựa trên pilot hình lược một kỹ thuật nội suy hiệu quả cần thiết để ước lượng kênh trong miền thời gian hoặc tần số Các sóng mang pilot có thể được chèn vào trong một ký hiệu hoặc giữa các ký hiệu Giá trị pilot ước lượng được liên kết lại theo một trật tự

để lấy giá trị ước lượng cho giá trị của dữ liệu Các kỹ thuật sau đây thực hiện nội suy trong một ký hiệu nhưng cũng có thể áp dụng giữa các ký hiệu

2.4.6 Nội suy thông thấp

Nội suy thông thấp thực hiện bằng cách chèn 0 vào trong luồng dữ liệu

nguyên thủy rồi sau đó áp dụng lọc thông thấp có đáp ứng hữu hạn FIR, lọc này cho phép luồng dữ liệu nguyên thủy truyền qua nhưng không thay đổi Sau đó nội suy giữa chúng theo cách giống như trung bình căn bậc hai của lỗi giữa các điểm nội suy và giá trị lý tưởng của chúng được cực tiểu

2.4.7 Nội suy trong miền thời gian

Nội suy trong miền thời gian là giải phép nội suy với độ phân giải cao

dựa trên phương pháp chèn 0 và biến đổi IDFT/FFT Sau khi thu được một ước lượng kênh{Hp(k), k=0,1,…,Np-1}, đầu tiên nó được chuyển sang miền thời gian bằng phép biến đổi IDFT:

1 , ,

1 , 0 ,

) ( )

G

p

p N kn

) ' , ' ( )

' , ' ( )

' , ' (

) ' , ' ( )

' ,

'

(

~

k n x

k n W k

n H k

n x

k n y k

n

Tại các vị trí còn lại của kênh, đáp ứng tần số của kênh được xác định bằng cách sử dụng các giá trị đã được ước lượng của kênh tại vị trí tín hiệu hoa tiêu đưa qua bộ lọc 2 chiều (2D):

) ' , ' ( ) , , ' , ' ( )

, (

,

) ' ', (

~

k n H k n k n c k

n H

k

V k

c grid

tap

D

N D

N N

N (2.5.3)

với Ngrid là số vị trí chèn tín hiệu hoa tiêu trong một khung OFDM