Giảm méo phi tuyến cho hệ thống OFDM dùng kỹ thuật điều chế thích nghi bằng thuật toán NBPSO dựa trên phương pháp DSI

Bài viết trình bày giảm méo phi tuyến cho hệ thống OFDM dùng kỹ thuật điều chế thích nghi bằng thuật toán NBPSO dựa trên phương pháp DSI. Kết quả cho thấy khi sử dụng thuật toán tối ưu NBPSO hệ thống sẽ tự điều chỉnh bộ điều chế sao cho phù hợp với điều kiện kênh truyền nhằm đạt hiệu quả cao nhất khi cân bằng giữa tốc độ, tỷ lệ lỗi bit và hiệu suất phổ.

Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2021 ISBN: 978-604-82-5957-0 GIẢM MÉO PHI TUYẾN CHO HỆ THỐNG OFDM DÙNG KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ THÍCH NGHI BẰNG THUẬT TỐN NBPSO DỰA TRÊN PHƯƠNG PHÁP DSI Mai Văn Lập Trường Đại học Thuỷ lợi, email: lapmv@tlu.edu.vn GIỚI THIỆU CHUNG PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (Orthogonal Frequency Division Multiplexing - OFDM) loại điều chế đa sóng mang Ưu điểm kỹ thuật hiệu suất phổ cao, giảm nhiễu xuyên ký tự (ISI) hiệu ứng đa đường, khả chống lại nhiễu đồng kênh băng thông hẹp hệ thống không dây OFDM áp dụng rộng rãi hệ thống 4G, thông tin quang, DVB-T2, DVB-S2, IEEE 802.11a, Hiperlan2 tiêu chuẩn truy cập không dây băng thông rộng IEEE 802.16a [1] Trong hệ thống OFDM thường sử dụng kỹ thuật điều chế M-PAM or M-QAM, để cân hiệu suất phổ, tốc độ với tỉ lệ lỗi bit (BER) người ta dùng kỹ thuật điều chế thích nghi [2] Hệ thống OFDM có nhiều ưu điểm có khuyết điểm tỉ lệ cơng suất đỉnh cơng suất trung bình cao (PAPR), dẫn đến méo phi thiết bị điện tử quang công suất lớn Để giải vấn đề có nhiều phương pháp đưa Trong báo tác giả sử dụng thuật toán tối ưu hoá bày đàn kỹ thuật nhị phân (NBPSO - New binary particle swarm optimization) dựa phương pháp chèn chuỗi ký tự bổ xung (DSI) [3] để giảm méo phi tuyến thông qua việc giảm PAPR Tác giả sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết mơ hệ thống MƠ HÌNH HỆ THỐNG 3.1 Kỹ thuật điều chế thích nghi Trong hệ thống OFDM sử dụng điều chế bậc thấp BPSK, QAM QAM cải thiện Tỷ lệ lỗi bit (BER) làm giảm hiệu suất phổ tốc độ, mặt khác sử dụng điều biến bậc cao 64 QAM, 128 QAM 256 QAM làm tăng hiệu phổ tốc độ dẫn đến BER Vì vậy, để cân hiệu suất phổ BER (Tỷ lệ lỗi bit) điều chế thích nghi sử dụng Tại máy phát, khối điều chế thích nghi bao gồm điều chế khác sử dụng để cung cấp lệnh điều chế khác Việc chuyển đổi điều chế phụ thuộc vào tỷ số tín hiệu tạp (SNR) tức thời Mơ hình hệ thống OFDM sử dụng điều chế thích nghi Hình 288 Hình Mơ hình hệ thống OFDM sử dụng điều chế thích nghi Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2021 ISBN: 978-604-82-5957-0 3.2 Thuật toán NBPSO dựa phương pháp DSI DSI chèn thêm vào phần sau chuỗi liệu với mục đích giảm PAPR loại bỏ bên thu Do thiết bị bên thu khơng phải thêm thiết bị tính tốn Hình mơ tả chèn cuỗi ký tự bổ xung (DSI-Dummy Sequence Insertion) IFFT input (M subcarriers) Data (x) (N subcarriers) Dummy sequence (s) (L subcarriers) N L NBPSO khởi tạo với nhóm hạt ngẫu nhiên sau tìm kiếm tối ưu cách cập nhật hệ Trong lần lặp lại, hạt tự cập nhật thông qua việc theo dõi hai vị trí tốt nhất: Đầu tiên vị trí cục tốt (ndividual best - p_best), đại diện cho vectơ vị trí giải pháp tốt hạt đạt tai Vị trí cịn lại vị trí tốt toàn cục (global best - g_best), đại diện cho vị trí tốt mà hạt có Với NBPSO, hàm vận tốc cập nhât theo công thức sau: S(vjk) =2x|(Sigmoid(vjk)-0.5)|, Hình Cấu trúc liệu chuỗi bổ xung Sau thực IFFT, tín hiệu biểu diễn sau: y(t) = IFFT([x s]t) PAPR tín hiệu OFDM với phương pháp DSI định nghĩa sau: PAPR  max | y (t ) | E | y (t ) |2   Nhược điểm phương pháp DSI tính tốn cao Để giảm việc tính tốn nâng cao hiệu suất nó, NBPSO áp dụng DSI để nhận chuỗi liệu giả chất lượng giảm PAPR tín hiệu hệ thống OFDM NBPSO kỹ thuật tối ưu hố, mà tạo giải pháp chất lượng cao tính tốn Kỹ thuật NBPSO tiến hành tìm kiếm cách sử dụng tập hợp hạt (Particles), tương ứng với cá thể Một bầy hạt di chuyển qua không gian tìm kiếm để tìm vị trí tối ưu Vị trí vận tốc hai thơng số để đặc trưng cho hạt Vận tốc chuyển động định nghĩa theo thay đổi xác suất bit trạng thái hay trạng thái khác Do đó, hạt chuyển động khơng gian trạng thái bị giới hạn chiều với Sigmoid (v jk )   v , and  e jk vjk (t+1) = w.vjk(t) + c1.rand().(p_bestjk – zjk) + c2.rand().(g_bestk – zjk ) Vị trí cặp nhật theo cơng thức sau: If rand()< S(vjk(t+1)) then zjk( t+1)= exchange(zjk(t)) else zjk( t+1) = zjk(t) Trong vjk vận tốc phần tử thứ k hạt thứ j zjk vị trí phần tử thứ k hạt thứ j Hình sơ đồ mơ hệ thống 289 Hình Sơ đồ giảm méo phi tuyến cho hệ thống OFDM dùng kỹ thuật điều chế thích nghi thuật tốn NBPSO dựa phương pháp DSI Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2021 ISBN: 978-604-82-5957-0 3.3 Kết mô thảo luận Trong báo thông số NBPSO lấy tài liệu tham khảo [3]: c1 = c2 = 2, trọng số w đặt giảm tuyến tính từ 0.6 đến 0.2, số lượng hạt 20 (NP), số phần tử hạt 32 (P), số lần lặp (T) 32 Hệ thống OFDM mô với thông số sau: Số khung OFDM 256, tổng số sóng mang (FFT/IFFT) 256, số sóng mang liệu = 92, số sóng mang DSI = 8, tiền tố lặp =1/8, điều chế với 4, 16, 64QAM Hình kết mô hệ thống OFDM qua kênh AWGN với điều chế QAM, 16 QAM, 64 QAM, điều chế thích nghi điều chế thích nghi thuật toán NBPSO sử dụng phương pháp DSI 3dB < SNR 9dB dùng 64QAM ứng hiệu suất phổ 6b/Symbol Như với điều chế thích nghi tùy thuộc điều kiện kênh truyền tốt hay xấu để dùng điều chế cho phù hợp nhằm đảm bảo hiệu suất phổ tốt Từ đồ thị ta thấy tỉ số SNR, sử dụng thuật toán tối ưu NBPSO BER giảm đáng kể Như sử dụng thuật tốn thối ưu NBPSO có khả làm giảm lỗi cho hệ thống hay méo phi tuyến thông qua giảm PAPR KẾT LUẬN Bài báo trình bày giảm méo phi tuyến cho hệ thống OFDM dùng kỹ thuật điều chế thích nghi thuật toán NBPSO dựa phương pháp DSI Kết cho thấy sử dụng thuật toán tối ưu NBPSO hệ thống tự điều chỉnh điều chế cho phù hợp với điều kiện kênh truyền nhằm đạt hiệu cao cân tốc độ, tỷ lệ lỗi bit hiệu suất phổ TÀI LIỆU THAM KHẢO Hình Tỷ lệ lỗi bit BER qua SNR Nhìn vào hình ta thấy với điều chế thường, BER = 10-4 với điều chế bậc thấp SNR nhỏ hay kênh truyền nhiễu hơn, ngược lại với điều chế bậc cao SNR lớn hay kênh truyền nhiễu Tuy nhiên với điều chế bậc (M) thấp tốc độ bit nhỏ b = log2(M)/Symbol ứng với hiệu suất phổ nhỏ, ngược lại điều chế bậc cao tốc độ bít lớn hiệu suất phổ cao Với điều chế thích nghi, kênh truyền nhiễu cao (ứng SNR