BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRUONG DAI HOC SU’ PHAM KỸ THUẬT THANH PHO HO CHi MINH
CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CÁP TRƯỜNG
ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG PILOT TRONG a alot OFDM
MA SO: T2015 - 44TD
Trang 2/D5à ¿ q13)
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THANH PHO HO CHi MINH
KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ
BAO CAO TONG KET
DE TAI KH&CN CAP TRUONG
pANH GIA ANH HUONG PILOT TRONG HE THONG OFDM Ma sé: T2015-41TD
Chú nhiệm đề tài: PGS.TS Phạm Hồng Liên
Trang 3DANH SÁCH THÀNH VIÊN THAM GIA sua Đơn vị cơng tác và Nội dung nghiên cứu cụ | Chữ Họ và tên z — ký
lĩnh vực chuyên mơn thê được giao Y
PGS.TS.Phạm Ì Khoa Điện -Điệntử- Đại | Trực tiếp thực hiện và báo
Hồng Liên học Sư Phạm Kĩ Thuật cáo để tài
TPHCM
ThS.Neuyén | Ky su Viễn Thơng - Tổng | Triển khai chương trình và
Đức Quang Cơng ty Mobifone giải thuật
Trang 4BM O8TD Théng tin két qua nghiên cứu
TRUONG DALHOC SU PHAM KY THUAT — CONG HOA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
THANH PHO HO CHI MINH Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
KHOA ĐIỆN - DIỆN TỬ
Tp HCM, Ngày — tháng năm
THONG TIN KET QUÁ NGHIÊN CỨU
1 Thơng tin chung:
- Tên đề tai: ANH GIA ANH HUONG CUA PILOT TRONG HE THONG OFDM
- Mã số:
Chủ nhiệm: PGS.TS Phạm Hồng Liên
- Cơ quan chủ trì: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
- Thời gian thực hiện: 1/2015-12/2015
2 Mục tiêu:
+ Đĩng gĩp vào việc nghiên cứu và phát triển những cơng nghệ viễn thơng tiên tiễn hiện nay
+ Đề xuất thành cơng các giải pháp nâng cao chất lượng hệ thống cho cơng nghệ OFDM băng
rộng
+ Phân tích ảnh hưởng của pilot dé 4p dung ước lượng kênh truyền và độ dịch tần đồng thời, đăng tối thiểu trên một tạp chí và tham dự một hội thảo quốc tế
3.Tính mới và sáng tạo:
+ Đề tài phân tích sử dụng pilot trong hệ thống ước lượng kênh truyền OFDM, sử dụng pilot để
ước lượng kênh truyền và ước lượng độ dịch tần của hệ thơng, 4 Kết quả nghiên cứu:
Đề xuất giải pháp để cải thiện hiệu quả ước lượng kênh truyền 1 Sản phẩm:
I 01 bài báo đăng trên hội nghị quốc tế IEEE tại Thái Lan vào tháng 01/2016: The
second Asian conference on Defence Technology (ACDT 2016)
Quang Duc Nguyen, Tra Thanh Luu, Lien Hong Pham, Thang Manh Nguyen, “Inter-Carrier
Interference Suppression Combined with Channel Estimation for mobile OFDM system”,
The second Asian conference on Defence Technology (IEEE ACDT 2016), Thailand,
January 2016
IL 01 bai béo ding trén tap chi
Lien Pham Hong, Quang Nguyen Duc, “CHANNEL ESTIMATION COMBINED WITH
IC] SELF CANCELLATION SCHEME AND UNSCENTED KAMAN FILTER The
International Journal of Science and Engineering Invention (IJSEI) Volume 02 Issue 01
March 2016 - ISSN No 2455-4286
4 Hiệu quã, phương thức chuyển giao kết quá nghiên cứu và khả năng áp dụng:
+ Giải pháp đã cho kết quả tốt hơn những phương pháp thơng thường với các kết quả mơ phỏng
Trang 5+Kết quả nghiên cứu được thể hiện trên các tạp chí và các hội nghị quốc tế
+ Các kết quả nghiên cứu này cịn cĩ thể ứng dụng trong quá trình giảng day va dao tao dai hoc
va sau dai hoc
Trưởng Đon vị „ Chủ nhiệm đề tài
Trang 6BO GIAO DUC VA DAO TAO
TRUONG DAI HOC SU PHAM KY THUAT THANH PHO HO CHi MINH
BAO CAO DE TAI CAP TRUONG TRONG DIEM DE TAL:
pANH GIA ANH HUONG CUA PILOT TRONG HE THONG OFDM
Trang 7MUC LUC
MUC LUC a2
DANH SÁCH CÁC TU VIET TAT sessssessssssusssusssvsencssssaveensseseessvecnesssessesssesaeenessetesaeeensenes 4
TOM TAT DE TAL cvsssessesssessvsssessvesssessssssessnsssnssnsssasssssesvesssesussssrescesscesacssnssesesovseeessenseetes 6
TH HẦU son tu 0g ha4G AI GIINGGIERGRURSLRAEEIREINIEEEHENQIRGDIIGIGGDDSHERSRRS 8
TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU -«« eccscccceeeccerrecee 11 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỮU bang gui giỲng nha G306 00 G04 HA HH 4.0L 4541 810413851321/cơơGHAK ttgiHHÌHHgHidgg 14
PHẠM VI NGHIấN CU âôôt + 0222212422222722222222CaerrrrritttttttttrrettrtirTEH 000 0m 14
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2442 2222222r2EAEAErErrtrrrtrrrrrtrtertttiriritri mm 15 CẤU TRÚC ĐÈ TÀI
CHƯƠNG 1: TONG QUAN TháiaghưtoE2B88G180800011888100003N61088202A00.1A00810614.080000 00104 16 1.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG các <sek2n020 nang 23EgeHàn Hà 4 ho HH ng 16
1.2 TỎNG QUAN VẺ HỆ THĨNG OEDM n0 mien 16 1.2.1 Giới thiệu „16 .17 1.2.2 Mơ hình tốn tín hiệu phía phát i -17
1.2.3 Pilot cho giải pháp ước lượng kênh truyén:
suy trong ước lượng kênh truyền sử dụng chuỗi huấn luyện dạng lược ( comb 18 18 „19 20 „ 20 22
1.2.5 Khoảng bảo vệ trong hệ thơng OFDM
1.2.6 Kênh truyền fading và độ dịch tần số sĩng mang 1.2.7 Mơ hình tín hiệu thu
1.2.8 Phân tích ảnh hưởng nhiễu trong
1.2.9 Phân tích ảnh hưởng của quá trình đồng bộ trong hệ thống OFDM
1.3 TƠNG QUAN VỀ CÁC GIẢI PHÁP ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUYÈN 24
1.3.1 Giải pháp bình phương nhố nhất (Least Square) .24
1.3.2 Giải pháp trung bình bình phương nhỗ nhất (MMSE 1.3.3 Các giải pháp bộ cân bằng thích nghỉ
1.4 TƠNG QUAN CÁC GIẢI PHÁP TRIỆT NHIÊU ICI
1.4.1 Giới thiệu các nghiên cứu triệt tiêu và giảm nhieu IC! 1.4.2 Các phương nhấp triệt tiêu nhiễu ICI
1.5 GIẢI PHÁP SỬ DỤNG COMB PILOT ƯỚC LƯỢNG BO! VÀ ĐỘ DICH TAN SO
1.6 TIEU CHUAN WiMAX DI DONG:
1.6.1 Cac chudin khie mhau ctia WiMAX sssssssesssssssssssnsenrersesssnsee
1.6.2 Ung dụng tiêu chuẩn WiMAX di động trong hệ thơng OFDM
CHƯƠNG 2 CÁC GIẢI PHÁP UỚC LƯỢNG KENH TRUYEN SU DUNG PILOT DẠNG
Trang 8ð.1.GIOETHIEU CHƯNG ssssscscsssssssvsscsssscssssveswaivisonsbovstncesvsveseuesssesnsssouneinounanennennanaregenenenneverter 42
2.2 GIAL PHAP UGC LUQNG KENH TRUYEN SU DUNG MO HINH BO LOC KALMAN 2.3 GIAI PHAP UOC LUQNG KENH TRUYEN SU DUNG MO HINH BOQ LOC KALMAN (00:19) 107710 7 ốc 2.4 KÉT LUẬN CHƯƠNG
CHƯƠNG 3 GIẢI PHÁP ĐÈ XUẤT CHO BAI TOAN UOC LUONG DONG THOT
KENH TRUYEN VA DO DICH TAN SU DỤNG PILOT DẠNG LƯỢC . 52 3.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG csossssssssssscscsesscessenssssssnuussnssssssssonsnsnsssssceescecececeneseneeeseasauasnunnsnsnnnsnenney 52 3.2 GIỚI THIỆU CAC GTAI PHAP DEE XUAT csssssssssssssenssseseseeseseessssosmssnnansnnnnsnsnsnsrennenerereeetsnees 52 3.3 GIẢI PHÁP ĐẺ XUẤT
3.3.1 Giới thiệu giải pháp đề xuất
3.3.2 Xây dựng mơ hình tốn cho giải pháp đề xu 3.3.3 Nhận xét giải pháp đề xuất
4.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG
4.2 MO PHONG VA SO SANH CAC GIẢI PHÁP se eseeetreerrrrrrrrrrrrre
4.2.1 Thơng số mơ phĩng cho giải pháp ¬
4.2.2 Đánh giá hiệu quả của giải phá
4.2.4 Đánh giá độ phức tạp của các giải pháp
4.3 KÉT LUẬN CÁC GIẢI PHÁP, 4.4 KET LUAN CHUONG
CHƯƠNG 5 KET LUAN VA HUONG PHÁT TRIỆN e-eceeeeeerrrrrrnsrnsrrrrree 66
5.1 KÉT LUẬN DE TAL cssssssssssscececeressenseceorsssesne 66
5.2 KET LUAN VE NOI DUNG VA KET QUA MO PHO 67
5.3 HUONG PHAT TRIEN CỦA ĐÈ TÀI 67
Trang 9DANH SACH CAC TU VIET TAT
ADSL Asymmetric Digital Đường dây thuê bao sơ khơng Subscriber Line đối xứng
AWGN Additive White Gaussian Nhiễu tạp âm trắng
Noise
ASK Ammplitude Shift Keying Điều chê biên độ
BER Bit Error Rate Tỉ lệ bịt lỗi
BPSK Binary Phase Shift Keying Khéa dich pha nhi phan CDMA Code Division Multiple Đa truy nhập phân chia theo mã
Access
CP Cyclic Prefix Tiên tơ lặp cho khoảng bảo vệ CIR Channel Impulse Response Đáp ứng xung của kênh
DMT Discrete Multi-Tone Điều chê đa tân rời rạc
DFT Discrete Fourier Transform Biên đơi DFT
DAB Digital Audio Broadcasting Hệ thơng phát thanh sơ và truyên
hình số liệu tốc độ cao
DRM Digital Ratio Mondiale Hệ thống phát thanh số đường
đài
DVB-T Digital Video Broadcasting Hé thong truyén s6 mat dat
EKF Extended Kalman Filtering Bộ loc Kalman mở rộng
FDM Frequency Division Ghép kênh phân chia theo tân sơ
Multiplexing
FEC Forward Error Correcting Phương pháp sử lỗi hướng lên FFT Fast Fourier Transform Phép biên đơi Fourier nhanh
Trang 10GI Guard Interval Chudi bao vé IcI Inter-Carier Channel Nhiéu liên sĩng mang Interference
ISI InterSymbol Interference Nhiéu lién mau tin hiéu
IDFT Inverse Discrete Fourier Phép biên đơi ngược Fourier Transform
IFFT Tnverse FFT Thuật tốn biên đổi nhanh ngược Fourier
ML Maximum Likelihood Bộ giải mã hợp lệ cực đại MIMO Multiple Input Multiple Hệ thơng đa anten phát và thu
Output
OFDM Orthogonal Frequency Ghép kênh phân chia theo tân sơ Division Multiplexing trục giao
PAPR Peak to Average Power Cơng suất tương đơi cực đại Ratio
PSK Frequency Shift Keying Điều chê tân sơ
QAM Quadrature Amplitude Phép điêu chê biên độ
Modulation
QPSK Quadrature Phase-Shift Diéu ché QPSK
Keying
SC Self - Cancellation Tự triệt tiêu
SNR Signal to Noise Ratio Ti lé tín hiệu trên tạp âm
RF Radio Frequency Tân sơ vơ tuyên
TDM Time Division Multiplex Ghép kênh phân chia thời gian
WiMAX Worldwide Interoperability Tiéu chuan WiMAX
for Microwave Access
WLAN Wiless Local Area Network Mạng khơng dây cục bộ
Trang 11TOM TAT DE TAI
Trong các tiêu chuẩn 4G hiện nay, các giải pháp ước lượng kênh truyền được sử
dụng vẫn là các giải thuật đơn giản như Least Square Cấu trúc pilot là cấu trúc dạng
xen kế (đạng lược) để cĩ thể ước lượng được sự thay đổi nhanh của kênh truyền theo
thời gian cũng như ảnh hưởng nhiều của fading Mặt khác, tiêu chuẩn 4G sử dụng kĩ
thuật OFDM rất nhạy với ảnh hưởng của đồng bộ và độ dịch tần Doppler Vì vậy việc đồng bộ khung được thực hiện tại đầu khung bằng truyền các Preamble (là các kí tự OFDM đã được biết trước ở bộ phát và thu) Như vậy, hệ thống cĩ khả năng chịu sự ảnh hưởng của độ dịch tần số ở giữa khung truyền, ngồi ra giải pháp ước lượng vẫn ở
mức đơn giản và truyền thống chưa thực sự tối ưu cho tài nguyên của hệ thống Ngồi ra, các giải pháp ước lượng dựa trên cấu trúc pilot xen kẽ chịu ảnh hưởng lớn bởi sai số do nội suy, mọi tính tốn về ước lượng đều diễn ra các vị trí tần số pilot sau đĩ
được ước lượng các vị trí cịn lại thơng qua nội suy Vì chỉ diễn ra trên các tần số pilot nên thơng tin phía thu tại các tần số khác khơng được sử dụng đến Chính vì vậy hệ
thống khơng chỉ ảnh hưởng sai số của nội suy mà cịn chưa sử dụng hết thơng tin sẵn
cĩ tại bộ thu
Các thuật tốn ước thích nghỉ với việc tính tốn dựa vào các thơng tin quá khứ cho kết quả tốt hơn các giải thuật truyền thống thường là những thuật tốn dựa vào các thơng tin trực tiếp trong các điều kiện mơi trường thay đổi chậm, tuy nhiên khi điều kiện mơi
trường thay đổi nhiều thì rủi ro rất lớn cho chất lượng hệ thống Trong khi đĩ, các
thuật tốn ước lượng trực tiếp dù khơng cho kết quả tốt so với giải thuật thích nghỉ
trong các điều kiện ỗn định nhưng là giải pháp hiệu quả khi mơi trường thay đổi nhiều
vì chỉ dựa vào các thơng tin hiện tại để tính tốn
Vi vay, để khắc phục các vấn đề trên, đề tài đề xuất một giải pháp kết hợp những ưu
điểm của các giải pháp truyền thơng sử dụng thuật tốn ước lượng trực tiếp và những ưu điểm của các thuật tốn thích nghỉ để cho kết qua tối ưu nhất trong cả điều kiện mơi
trường thay đổi cả nhanh và chậm Giải pháp cịn là sự kết hợp của thuật tốn ước
lượng kênh truyền và ước lượng độ dịch tần tiêu chuẩn đẳng thời sử dụng mơ hình của
Trang 12lớn cũng chỉ dùng các thơng tin phía thu tại cdc tan sé pilot do cau trúc pilot dang xen kẽ, giải pháp đề xuất cịn hạn chế sai số đo nội suy nhờ thuật tốn thích nghỉ đề xuất và
sử dụng triệt để :các: thơng:tịn tại #ắt:cả-ếctần: số:/Chínht vì:@w giải pháp: đã: cha: 5 những, kết quả dải: thiện chất tượng: hệ thống: nhất:iã trong; gác: điều kiện mơi trường; - tháy:dĩi nhiêu như tỗế đố đi chuyển lớn và ảnh hưởng của độ địclrtầu số: đo quá trình -
Trang 13MỞ ĐẦU
Đề tài này đề xuất một giải pháp cải tiễn liên quan đến bộ ước lượng kênh truyền
trong hệ thống OFDM sử dụng cấu trúc pilot dạng lược Các tài liệu về các chuẩn này cĩ thể tìm hiểu tại http:/www.wimaxforum.org/ hoặc một số tài liệu tham khảo như
[1]; DI
Trong hệ thống thơng tin di động, một trong những vấn đề rất quan trọng ở bộ thu, đĩ là bộ ước lượng và cân bằng kênh truyền Mặc dù cĩ rất nhiều bài báo liên quan
hướng nghiên cứu này Tuy nhiên, giải thuật ước lượng kênh truyền được triển khai
phổ biến hiện này vẫn là giải thuật Least Square được triển khai ngay cả các thiết bị
theo tiêu chuẩn của 4G của các hãng Frecale Semiconduct [3], hang Altera Corporation [4] Cịn trong tiêu chuẩn Tiêu chuẩn WiMAX di độngthì giải pháp ước lượng một hệ thống mở phụ thuộc vào nhà sản xuất thiết bị.Vì vậy với cùng với sự
phát triển của cơng nghệ phần cứng hiện nay, nhiều giải pháp về ước lượng và cân
bằng kênh truyền đã được nghiên cứu và triển khai nhiều và mạnh mẽ hơn đề hy vọng
cĩ thể triển khai trong các thế hệ mạng kế tiếp Chuyên đề này gĩp phần vào việc phát triển và nghiên cứu theo hướng này
Các nghiên cứu về ước lượng kênh truyền cĩ thé chia làm 3 loại:
- Ước lượng kênh truyền mù nghĩa là bộ thu hồn tồn khơng biết thơng tin về tín hiệu phát [5] [6]
- Ước lượng kênh truyền bán mù nghĩa là cĩ sự kết hợp giữa ước lượng kênh dựa
vào chuỗi huấn luyện và ước lượng kênh mù[7], [8], [9]
- Ước lượng kênh truyền dựa vào chuỗi huấn luyện (hay cịn gọi là tín hiệu pilot)
Trong hệ thống thơng tin đi động, việc phải đáp ứng thời gian thực với mơi trường vơ
tuyến thay đổi thường xuyên khiến việc ước lượng mù và bán mù khơng khả thi mà
phải sử dụng pilot trong quá trình ước lượng kênh truyền Vì vậy, các giải thuật ước
lượng theo tiêu chuẩn WiMAX di động đều sử dụng pilot trong quá trình ước lượng
Trang 14Một vẫn dé trong ước lượng kênh truyền trong hệ thống OFDM đĩ là sự ảnh hưởng lớn của quá trình đồng bộ khơng hồn hảo, ảnh hưởng của độ dịch tần Doppler và
fading gây sai số lớn trong quá trình ước lượng kênh truyền Thực tế, trong tiêu chudn
WIMAX di động hay trong các tiêu chuẩn 4G khác, việc đồng bộ được triển khai tại đầu mỗi khung truyền bao gồm các kí tự pilot trong cấu trúc của Preamble [10], nghĩa la trong quá trình truyền khung sau khi truyền preamble thì các pilot xen kẽ các carrier chứa thơng tin khơng cập nhật quá trình đồng bộ mà chỉ cập nhật đáp ứng kênh truyền thay đổi Điều này dẫn đến nếu cĩ sự sai lệch tần sé trong quá trình giữa khung
truyền thì sẽ ảnh hưởng đến kết quả ước lượng kênh truyền cũng như chất lượng hệ thơng bị giảm đáng kể do gây mất trực giao giữa các sĩng mang Ngồi ra các giải
thuật ước lượng đơn giản vẫn cịn được triển khai (Least Square) cho thấy vẫn chưa
thực sự cĩ một giải pháp khả thi cho hệ thống ước lượng kênh truyền cho các tiêu
chuẩn đi động mới Do đĩ việc ước lượng đồng thời quá trình ước lượng kênh truyền
và ước lượng quá trinh đồng bộ là điều cần thiết để hạn chế các sai số
Quá trình ước lượng kênh truyền sử dụng các pilot xen kẽ với thơng tin được chứng mình ưu điểm hơn và được sử dụng trong các tiêu chuẩn 4G [11], [2] luơn được tiến
hành tại các vị trí pilot hay nĩi cách khác là xác định đáp ứng kênh truyền tại các vị trí pilot, sau đĩ dùng các phương pháp nội suy để suy ra đáp ứng kênh truyền cần tính tại
các vị trí chưa đữ liệu [12] Tuy nhiên với giải pháp này luơn gặp sai số do lỗi nội suy
lớn trong quá trình ước lượng, một số giải pháp cải thiện trong van dé này cĩ thể kể
đến là cấu trúc pilot hai chiều và kết hợp nội suy hai chiều đã được triển khai trong các
hãng sản xuất thiết bị Dù vậy, nội suy một cách độc lập vẫn là một nhược điểm gây sai số trong quá trình ước lượng kênh truyền ảnh hưởng chất lượng hệ thống
Một số các giải thuật cân bằng thích nghỉ cho quá trình ước lượng kênh truyền được
nghiên cứu để cải thiện chất lượng hệ thống của các giải thuật truyền thống Cĩ thể kế đến các giải thuật thích nghỉ dựa trên nền tảng giải thuật Least Square là LMS (Least
Mean Square) va RLS (Recursive Least Square) LMS va RLS là các bộ cân bằng
Trang 15Kalman mỡ rộng cĩ thé ké dén 1a [14], [15].Tất cã các giải thuật thích nghỉ đều được
tính tốn dựa trên ngõ ra trước đĩ thành ngõ vào hiện tại hay tính tốn ước lượng kênh truyền dựa vào việc tính tốn của các kí tự OFDM trước đĩ Tuy nhiên, tất cả các giải thuật thích nghỉ đều gặp nhược điểm khi điều kiện kênh truyền thay đổi nhanh, nghĩa
là khi đáp ứng kênh truyền tại các thời điểm kế tiếp cĩ sự thay đổi lớn và đột ngột so
với thời điểm hiện tại thì các giải thuật thích nghỉ đều cho kết quả sai số lớn dẫn đến
ảnh hưởng chất lượng hệ thống Đĩ cĩ thể là mơi trường thơng tin đi động khi cĩ ảnh hưởng của fading đa đường và thuê bao di chuyển với tốc độ cao Đây là một hạn chế của các giải thuật thích nghỉ so với các giải thuật khơng thích nghỉ chỉ dựa trên thời
điểm hiện tại
Quá trình ước lượng kênh truyền trong các nghiên cứu hiện nay cũng như trong các
nhà sản xuất thiết bị bên trên đều được dựa vào quá trình tính tốn ước lượng đáp ứng kênh truyền miền tần số và sử dụng bộ cân bằng miền tần số mà phổ biến là bộ cân
bằng ZF (Zero Foreing) Nhiều nghiên cứu dựa trên quá trình tính tốn đáp ứng kênh truyền miễn thời gian và bộ cân bằng miền thời gian [16], bằng việc tính tốn đáp ứng
kênh truyền miễn thời gian cĩ nhiều ưu diễm như dễ tính tốn việc triệt tiêu nhiễu, tuy
nhiên sự phức tạp của quá trình tính tốn đã hạn chế sự triển khai thực tế theo hướng
nghiên cứu này [17], [18],[19],120],[21]
Xét từ những yêu cầu trên, đề tài này để xuất giải pháp cĩ thể khắc phục và cải thiện các nhược điểm nêu ra ở các phan trên Giải pháp để xuất thể hiện sự ước lượng đồng thời quá trình ước lượng kênh truyền và độ dịch tần số do sự đồng bộ khơng hồn hảo
để khắc phục sự ảnh hưởng của quá trình đồng bộ trong quá trình ước lượng kênh truyền Giải pháp đề xuất cịn là một giải thuật thích nghỉ để tính tốn các giá trị sĩng mang chứa thơng tin thay vì là một quá trình nội suy độc lập, từ đĩ hạn chế được
những sai số do quá trình nội suy gây ra Giải pháp đề xuất cịn là một sự kết hợp giữa giải thuật ước lượng kênh truyền truyền thống khơng thích nghỉ (như Least Square) và giải thuật thích nghỉ dựa trên mơ hình bộ lọc Kalman mở rộng theo hai quá trình ước lượng thơ sử dụng L5 và ước lượng tỉnh sử dụng mơ hình Kalman mở rộng Sự kết
hợp này khắc phục được những nhược điểm của giải thuật thích nghỉ nêu ở trên và cải
thiện được chất lượng so với các giải thuật truyền thống Giải thuật đề xuất cũng là
một sự kết hợp giữa quá trình ước lượng đáp ứng kênh truyền miền thời gian và sử
Trang 16dụng bộ cân bằng miễn tần số, từ đĩ giảm bớt được sự phức tạp và tận dụng ưu điểm của đáp ứng kênh truyền miền thời gian và sự đơn giản của bộ cân bằng miền tần số
Để đánh giá giải pháp đề xuất, mơi trường mơ phỏng cho thuật tốn là mơi trường fading đa đường cĩ cho thuê bao di chuyển tốc độ cao và theo các tiêu chuẩn của hệ thống WiMAX di động [22] Ngồi ra để giải thuật cịn được mơ phỏng trong mơi trường ảnh hưởng của sự đồng bộ khơng hồn hảo ảnh hưởng bởi độ dịch tần số tại bộ
thu
TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU
Các nghiên cứu trong nước
Các nghiên cứu trong nước về hệ thống ước lượng kênh truyền nhìn chung ít được
nghiên cứu trong các hội thảo trong nước Một số đề tài về ước lượng kênh truyền
trong thời gian đã được tác giả cùng một số em sinh viên trong trường Đại Học Bách
Khoa TPHCM nghiên cứu và cho ra các kết quả khả quan trong các luận văn đại học
và cao học và đồng thời thể hiện qua một số hội nghị trong nướcvà quốc tế [23], [24]
[25]
Các nghiên cứu nước ngồi
Hướng nghiên cứu ước lượng và triệt nhiễu ICI đo độ địch tần sĩng mang gây ra và
ước lượng kênh truyền thường được nghiên cứu độc lập Chẳng hạn nghiên cứu về ước
lượng độ dịch tần thường mơ phỏng trong mơi trường nhiễu Gauss hay kênh truyền khơng thay đổi, hướng nghiên cứu ước lượng kênh truyền thường giả sử quá trình
đồng bộ hồn hảo
Các nghiên cứu riêng rế về các giải pháp để triệt sĩng mang do độ dịch tần số sĩng
mang gây ra cĩ thể kể đến là giải pháp định dang xung (pulse shapping) [26], [27], cơ
chế tự triệt tiêu nhiễu JCI [28], ước lượng độ dịch tần số offset [29], sử dụng bộ cân
bằng miền thời gian để chuyển đổi kênh truyền doubly selective channel thành
Frequency Selective channel (kénh truyền chọn lọc tần số) bằng cách làm ngắn đáp
ứng xung kênh truyền [18] Sau đĩ sử dụng các phương pháp ước lượng và cân bằng theo miễn tần số để ước lượng cho kênh truyền chọn lọc miền tần số
Trang 17Các nghiên cứu riêng rẽ về ước lượng kênh truyền, trước hết là các giải pháp truyền
thống và phê biến là LS (Least Square) [30], MMSE (Minimum Mean Squared Error) [L1]là những bộ ước lượng tiêu chuẩn để so sánh cho những nghiên cứu mới về bộ ước lượng trong hệ thống OFDM Ngồi các bộ cân bằng trong miễn tần số cơ bản LS và
MMSE đã kể trên, cĩ thể đề cập đến các phiên bản cải tiến cho bộ cân bằng L§ và
MMSE [31] bằng cách kết hợp hai giải pháp LS và MMSE theo hướng giảm độ phức tạp hơn thuật tốn MMSE và cải thiện chất lượng khi so sánh với L§ Một số giải pháp khác cĩ thể kể đến là giải thuật ML (Maximum Likelihood)[7] Giải thuật ML dựa trên
sự tính tốn của hàm ML cho kênh truyền từ đĩ đi tìm giá trị cực tiểu cho hàm ML
cũng tương ứng với giá trị kênh truyền cĩ MSE thấp nhất Thuật tốn ML sử dụng xác suất Bayesian dé tính tốn.Một giải pháp khác cĩ dựa trên nền tảng của giải thuật ML
cĩ thể kể đến là giải thuật lặp EM (Expectation Maximum)[9] Giải thuật lặp EM sử
dụng giải thuật ML làm nền tảng, từ đĩ thực hiện phép lặp để tìm ra giá trị hội tụ cho bộ ước lượng và cân bằng Giải thuật EM cĩ ưu điểm là việc tính tốn cho cả trường
hợp kênh truyền thay đổi trong một chu ki ki tr OFDM bằng cách chia kí tự OFDM thành nhiều khung và mỗi khung tương ứng một đáp ứng kênh truyền và thực hiện một
số lần lặp nhất định để tìm ra giá trị hội tụ cho đáp ứng kênh truyền
Ngồi những bộ ước lượng được tính tốn trực tiếp, cịn cĩ những giải pháp ước lượng thích nghỉ được tính tốn dựa trên những thơng tin của quá khứ là những kí tự
OFDM trước đĩ Thuật tốn thích nghỉ phổ biến được dựa trên nền tảng giải thuật LS cĩ thể kế đến là LMS (Least Mean Square)va RLS (Recursive Least Square)[32] Giá
trị ban đầu được cập nhật dựa vào giải thuật LS§ và cập nhật qua các bước để hội tụ về
kết quả tối ưu Một nhược điểm của các giải thuật này là dựa nền tảng vào những thuật tốn đơn giản và mơ hình tốn cho bước lặp đơn giản, từ đĩ dẫn đến khĩ hội tụ khi mơ
hình hệ thống phức tạp ví dụ như ảnh hưởng của độ dịch tần, vận tốc di chuyển, kênh
truyền fading
Để cải thiện chất lượng hệ thống đối với các thuật tốn thích nghỉ, mơ hình tính tốn được phân tích thành những phương trình cập nhật dé ước lượng và đo lường, từ đĩ cĩ thể tính tốn ước lượng đáp ứng tần số cho những mơ hình tốn phức tạp hơn cĩ
thể kể đến là giải pháp ước lượng dựa trên mơ hình của bộ lọc Kalman Kalman là một
thuât tốn thích nghỉ, cũng tương tự như LMS và RLS, tuy nhiên tính tốn dựa trên mơ
Trang 18hình của hệ thống để thiết lập các phương trình tốn để cập nhật các trạng thái kế tiếp từ trạng thái trước đĩ gọi là phương trình tiến trình, đưa ra mơ hình tốn để đo đạc so
với kết quả thực tế gọi là phương trình đo đạc Mơ hình tốn này càng, gần và phù hợp
với bản chất của hệ thống thì giải thuật Kalman cho kết quả ước lượng tốt nhất [33] Đây là một hướng nghiên cứu được nghiên cứu nhiều trong thời gian gần đây cĩ thể kể
dén [34], [14], [35], [36] Dùng mơ hình của bộ lọc Kalman để tính tốn các phương
trình tiễn trình và do đạc thơng qua mơ hình hệ thống bị ảnh hưởng bởi fading và nhiễu, từ đĩ thuật tốn dựa trên bộ lọc Kalman đã cho kết quả tốt hơn các giải thuật thích nghi khác Tuy nhiên một nhược điểm của bộ lọc Kalman là các phương trình
tiến trình và đo đạc phải là tuyến tính thì bộ lọc Kalman mới cho kết quả tốt nhất Trong khi đĩ, mơ hình hệ thống bị ảnh hưởng bởi fading đa đường, các loại nhiễu và
độ dịch tần thường khơng thể mơ hình tốn thành các phương trình tuyến tính, vì vậy
giải thuật Kalman cho kết quả sai số trong những trường hợp hệ thống cĩ đáp ứng khơng là tuyến tính nữa
Một cải tiến cho giải thuật của Kalman để cải thiện các nhược điểm trong những
điều kiện hệ thống khơng cho đáp ứng tuyến tính đĩ là những phiên bản mở rộng của
bé loc Kalman nhu Kalman mé réng, Unscented Kalman Mé hinh Kalman mở rộng
hay các phiên bản phi tuyến khác cải thiện các nhược điểm của giải pháp Kalman ở chỗ đối với mơ hình hệ thống cĩ đáp ứng phi tuyến như trường hợp ảnh hưởng của độ
dich tần, nhiễu ICI, độ dịch tần Doppler thì thuật tốn cho phép tính tốn và xây dựng
các phương trình tiến trình và đo đạc phi tuyến bằng cách xấp xỉ tuyến tính gần đúng các phương trình này, từ đĩ kết quả cho ra tốt hơn và cải thiện hơn so với thuật tốn của bộ lọc Kalman vì sự mơ hình hệ thống gần giống với ảnh hưởng của hệ thống thực
tế hơn Tuy nhiên việc xấp xi tuyén tính cũng sẽ gây ra những sai số lớn nếu như trong những trường hợp phương trình tính tốn do đạc sai lệch nhiều với điều kiện thực tế Vi dụ như việc xây dựng và tính tốn trạng thái kế liếp dựa vào trang thái hiện tại
thơng qua các phương trình tiến trình và đo đạc những trong trường hợp mơi trường
thay đổi và sai lệch lớn so với sự đo đạc sẽ din đến sai số lớn, như trường bợp đáp ứng
kênh truyền tại vị trí OFDM kế tiếp thay đổi đột ngột so với thời điểm hiện tại Đây
cũng là rủi ro của bất kì một thuật tốn thích nghỉ nào khi dựa vào những thơng tin
Trang 19dụng mơ hình bộ lọc Kalman mở rộng để ước lượng kênh truyền hay độ địch tần cĩ
thể kế đến là [15], [37], [38]
Các nghiên cứu về các giải pháp cĩ thể kết hợp cả ước lượng đồng thời quá trình
đồng bộ và quá trình ước lượng kênh truyền sẽ cĩ độ khĩ tính tốn hơn so với các hướng nghiên cứu riêng rẽ về việc xử lý đồng bộ và ước lượng kênh truyền Một số
giải pháp cĩ thể kể đến [38], [39], [29], [40] Tài liệu [38,29] trình một giải pháp ước
lượng đồng thời độ địch tần và đáp ứng kênh truyền dựa vào mơ hình của bộ lọc
Kalman mở rộng Tài liệu [39] sử dụng thuật tốn ML để ước lượng đồng thời độ dịch
tần và đáp ứng kênh truyền Tài liệu [40 ] trình bày một giải pháp ước lượng đồng thời ước lượng kênh truyền, độ dịch tần số sĩng mang và độ dịch tần số lấy mẫu Các giải pháp này đều cĩ sự tính tốn phức tạp hơn so với các thuật tốn ước lượng riêng lẻ, bù lại thể hiện được gần với những đặc tính thực của hệ thống
MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU
Qua việc phân tích các hướng nghiên cứu nêu trên, cĩ thể nhận thấy giải pháp ước
lượng đồng thời ước lượng kênh truyền và độ dịch tần là hướng phát triển của các giải
pháp ước lượng Mục tiều là để tìm ra các giải pháp tối ưu bình phương sai sé (MSE)
trong điều kiện kênh truyền fading với ảnh hướng của sự di chuyển và quá trình đồng
bộ khơng hồn hảo để khắc phục các nhược điểm cho các giải pháp trước đĩ Giải pháp này phải đảm bảo cải thiện được chất lượng hệ thơng so với các thuật tốn khác, dam bao khả thí trong điều kiện thực tế
PHẠM VI NGHIÊN CỨU ;
Đề tai nay nghiên cứu về bộ ước lượng kênh truyền và các thành phân cĩ liên quan
trong hệ thống sử dụng điều chế OFDM theo các tiêu chuẩn của hệ thống thơng tin di
động (một số thơng số sử dụng theo tiêu chuẩn của WiMAX di động) Do tính phức tạp và rộng của các phần tử trong hệ thống, nên trong đề tài, tác giả chỉ tập trung vào những vấn đề cụ thể sau đây và dây cũng chính là những đĩng gĩp của chuyên đề:
~_ Phân tích cáo giải pháp ước lượng kênh truyền sử dụng va dé xuất giải pháp kết hợp ước lương kênh truyền và độ dịch tần mới cho hệ thống OFDM theo tiêu
chuẩn WiMAX di động
Phân tích và đề xuất giải pháp tối ưu khoảng bảo vệ kết hợp ước lượng kênh
Trang 20PHUONG PHAP NGHIEN CUU
Dựa trên phân tích của các cơng trình nghiên cứu đã được đăng trên thé giới, chuyên đề được dựa các bài báo khoa học để phân tích các luận điểm, đánh giá các phương pháp ước lượng kênh truyền đã được phát triển trong các thập niên qua Dựa vào
những phân tích đĩ, chuyên đề đã phân tích để hiểu rõ và đánh giá các giải pháp ước lượng kênh truyền, những điểm mạnh và điểm yếu của các phương pháp Qua đĩ, đề
tài đã đề xuất một giải pháp ước lượng kênh truyền để tối ưu và cải thiện các giải pháp hiện cĩ Ngồi ra, đề tài cũng dựa trên các cơ sở tốn học lý thuyết áp dung cho xỷ lý
số tín hiệu, nhằm phân tích và đề xuất những giải pháp trong đề tài này Sau cùng,
chuyên đề này dựa trên những cơng cụ hữu ích , được bổ sung liên tục của phần mềm
Matlab để mơ phơng các mơ hình hệ thống đề xuất , cho phép hiển thị các kết qua
mang tính trực quan và kiểm nghiệm các phân tích lí thuyết
CẤU TRÚC ĐẺ TÀI
Đề tài trình bày các phương pháp, mục đích nghiên cứu, tĩm tắt các kĩ thuật ước
lượng và các giải pháp liên quan frong, phần mở đầu Trong phần kế tiếp, trong chương 1 là tất cả những lí thuyết về tổng quan của hệ thống, cũng như những phân tích về các
giải pháp ước lượng kênh truyền, về hệ thống OFDM và các thành phần liên quan
trong hệ thống của phía phát và phía thu Trong chương 2, tác giả sau khi phân tích các giải pháp của các kĩ thuật ước lượng kênh truyền riêng lẻ và kết hợp, đã dé xuất một
giải pháp để tối ưu cải thiện các giải pháp ước lượng kênh truyền hiện cĩ, bằng việc ứng dụng mơ hình của bộ lọc Kalman mở rộng để ước lượng đơng thời độ dịch tần và đáp ứng kênh truyền, kết hợp thay đổi trình tự kĩ thuật ước lượng thơng thường để tối ưu giải thuật ước lượng cho kết quả cải thiện các giải pháp khác trong điều kiện mơi trường fading ảnh hưởng của độ địch tần lớn Trong chương 3, tác giả đề xuất một giải
pháp sử dụng pilot dạng lược để ước lượng đồng thời kênh truyền và độ dịch tần
offset Chương 4 là những mơ phỏng đánh giá và so sánh các giải pháp đề xuất với các
giải pháp truyền thống và nhiều giải pháp khác, qua đĩ để chứng minh sự cải thiện và
tối ưu của giải pháp đề xuất so với các giải pháp khác Các kết luận và hướng phát triển được trình bảy ở chương 5
Trang 21CHUONG 1 TONG QUAN 1.1 GIỚI THIEU CHUONG
Trong chương này sẽ trình bày khái niệm cơ bản,những ưu nhược diễm, nguyên lý điều chế, giải điều chế của kỹ thuật điều chế OFDM.Qua đĩ, chúng ta sẽ thấy được
những ưu điểm của kỹ thuật này được ứng dụng trong hệ thơng Wimax nĩi chung và những kỹ thuật truyền thơng khác
Chương này cũng trình bày các vấn đề liên quan đến hệ thống OFDM như các đặc tính của kênh truyền fading, ảnh hưởng của các loại nhiễu lên hệ thống, ảnh hưởng của pilot và các giải pháp ước lượng kênh truyền cho chất lượng của hệ thống
Chương này trình bày tất cả những cơ sở lý thuyết cĩ liên quan về hệ thống OFDM, quá trình đồng bộ và ước lượng kênh truyền, tiêu chuẩn đi động và các phân tích nhiễu
1.2 TONG QUAN VE HE THONG OFDM
1.2.1 Giới thiệu
Kỹ thuật điều chế OFDM là một trong những kỹ thuật được sử dụng phổ biến hiện nay
đặc biệt là trong hệ thống WiMAX di động Hiện nay kỹ thuật này ngày càng phát
triển với việc cho ra đời nhiều chuẩn mới,nhưng nĩ vẫn dựa trên kỹ thuật OFDM cơ
bản Ngồi ra OFDM cũng là một kỹ thuật được ứng dụng cho mạng 4G LTE đang
được triển khai ở các nhà mạng hiện nay
Trang 22Trong chuyén dé nay, giai pháp ước lượng kênh truyền sử dụng tín hiệu pilot ở phía phát Do ảnh hưởng của đặc tính kênh truyền fading và phía thu di chuyển với tốc độ thay đổi nên sự hiệu quả của ước lượng kênh truyền khơng chỉ phụ thuộc vào hiệu quả
của bản thân thuật tốn mà cịn phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác như khả năng loại bỏ tốt nhiễu ISTI do tối ưu khoảng bảo vệ, các thuật tốn giảm nhiễu ICI trước khi ước
lượng kênh truyền hay do sự tối ưu trong thiết kế pilot tại phía phát Vì vậy, một giải pháp ước lượng kênh truyền tối ưu phải bao gồm tất cả các giải pháp nêu trên dễ đạtđược hiệu quả tốt nhất X&) x(k) 4h)
Binary H Map C ¬| SP lở, [| Pilot _ IDFT Guard | ”| rd Ll pis
data L |_Jinsertion insertion |_ h(n)
4 H |
Channel
"4 Yelk) ygth)
ef
k- |, | Channel &ọfset [| AWGN
~—| Demap k-| P/S | estimation and DFT [| Frequency
Outpt jata a | | equalization [—letset —-
Hình 1.1 Mơ hình hệ thơng OFDM
1.2.2 Mơ hình tốn tín hiệu phía phát
Hệ thơng OFDM ước lượng kênh dựa vào pilot được biểu điễn trong Hình 2.1 Tín hiệu nhị phân được đưa qua bộ điều chế QAM (Quadrature Amplitude Modulation) Sau đĩ, tín hiệu huấn luyện pilot được chèn vào dữ liệu thơng tin, khối IDFT(Inverse Discrete Fourier Transform) được sử dụng để biến đổi chuỗi dữ liệu cĩ chiều dài NV
{X(9} ra tín hiệu miền thời gian {xớ;)} Pilot cĩ mục đích để phía thu cĩ thể cĩ những
thơng tin về kênh truyền và các thơng tin khác Khoảng bảo vệ được thêm vào để loại bỏ nhiễu ISI và tính hiệu được chuyển từ song song thành nối tiếp (P/S) và phát thơng qua kênh truyền
1.2.3 Pilot cho giải pháp ước lượng kênh truyền:
Trang 23" 1 OFDM symbol |919191219191019) 0600600000000 Frequency | 0CO000CO000000 OOOOOOGOOOOOGOO OOOOOOOOOOOOO $00900000000000 ¡ OOOOOOOOODOOGO OGOOOOGOOOOOOO C00000000000600 O09000000000000 00000000000000 9009600006000 9990000000909 6800660000090 0000000000000 § { "| 966000006000000 1 00000000000000 | i /00000000000000 tOOGOOOOGOOOODOO
Hình 1.2 Sap xếp pilot dạng khĩi
Cách sắp xếp pilot theo đạng khối được mơ tả theo hinh 1.2.D6i voi dang nay, OFDM
symbols cĩ chứa pilot trên tất cả sĩng mang sẽ được truyền định kỳ theo một thời gian
nhất định nhằm mục đích ước lượng kênh truyền.Sử dụng loại pilot này,nội suy trong
miền thời gian sẽ được thực hiện để ước tính các kênh dọc theo trục thời gian „ TOFDM KH soooooeooooo @ØOoOOoOOOOO©O 690008600 60000600— 2000 2900 |, ooo : 605 SO 868s OOƠOOOObO© G2sce6oS | 8898scessse9 | \ 50809000 GQ200080000 SGolSlSooœooœoO @œool3ooooooœoư ‡ị| eoocleleœoœoœdooœòœ Time @OOOOGOSGOQO @oooooocoo GOOOO6OO Hình 1.3 Sắp xép pilot dạng lược
Cách sắp xếp pilot dạng lược được mơ tâtheo bình 1.3.Theo cách sắp xếp pilot này,
mỗi OFDM symbol đều chứa pilot trên các sĩng mang nhất định Sử dụng loại pilot này,nội suy trong miền tần số sẽ được thực hiện dé ước tính các kênh dọc theo trục tần
86
1.2.4 Kỹ thuật nội suy trong ước lượng kênh truyền sử: dụng chuỗi huấn luyện
đạng lược ( comb piloÐ)
Trong ước lượng dựa trên pilot đạng lược, sau khi tính được đáp ứng tần số của kênh truyền tại các Pilot sĩng mang,kỹ thuật nội suy được sử dụng đề ước tính đáp ứng tân số kênh truyền của data Kỹ thuật nội suy hiệu quả là cân thiết để ước lượng kênh tại những sĩng mang con dữ liệu bằng cách sử dụng thơng tin kênh truyền từ những sĩng mang con Pilot.Cĩ nhiều phương pháp nội suy được sử dụng trong ước lượng kênh
Trang 24truyén sử dụng huấn luyện đạng lược: nearest neighbor,nội suy tuyến tính, nội suy bậc 2,nội suy lowpass, nội suy spline cubic
Ước lượng kênh tại sĩng mang dữ liệu thứ k, ø < & < (m+J)L, bang cach st dung nội suy tuyến tính được xác định như sau, với 77„(#) là đáp ứng kênh truyền tần số của tồn bộ kí tự OFDM và H; là đáp ứng tần số tại các vị trí pilot[11]
A (kK) =H (ml +1) Osl<L
=(H,ứn #1) Hm) +H, (m) (1)
1.2.5 Khoảng báo vệ trong hé théng OFDM
Trong hệ thống OFDM, mặc dù đã chia nhỏ luồng dữ liệu thành N ludng con, nhờ vậy
chu kỳ OFDM symbol khá lớn, nhưng với một số kênh vơ tuyến di động hay truyền hình thì sự lan truyền đa đường rất trầm trọng nén trai tré (delay spread) sẽ rất lớn Do
đĩ các symbol được truyền đi theo các dường khác nhau cĩ thể đến máy thu với thời
gian khác nhau, độ chênh lệch về thời gian tới của các tia sĩng tới máy thu cĩ thể quá lớn làm symbol truyền liên tiếp của các tia sĩng sẽ chồng lắn lên nhau tại máy thu gây ra hiện tượng nhiễu liên ký tu ISL Đễ tránh hiện tượng này người ta thêm khoảng bảo vệ vào đầu các OFDM symbol.Độ rộng của khoảng bảo vệ phải lớn hơn trải trễ cực đại
của kênh
1.2.6 Kênh truyền fading và độ dịch tần số sĩng mang
Kênh truyền tín hiệu OFDM là mơi trường truyền sĩng điện từ giữa máy phát và máy
thu Trong quá trình truyền, kênh truyền chịu ảnh hưởng của các loại nhiễu như: nhiễu
Gauss trắng cộng (AWGN-Additive White Gaussian Noise), Fading phẳng, Fading
chọn lọc tần số, Fading nhiều tia Trong kênh truyền vơ tuyến thì tác động của tạp âm
bên ngồi (external noise) và nhiễu giao thoa là rất lớn Kênh truyền vơ tuyến là mơi
trường truyền đa đường (multipath environment) và chịu ảnh hưởng đáng kể của
Fading nhiều tia, Fading lựa chọn tần số Với đặc tính là truyền tín hiệu trên các sĩng mang trực giao, phân chia băng thơng gốc thành rất nhiều các băng con đều nhau, kỹ
thuật OFDM đã khắc phục được ảnh hưởng của Fading lựa chon tần số, các kênh con cĩ thé được coi là các kênh Fading khơng lựa chọn tần số Với việc sử dụng tiền tố lặp (CP), kỹ thuật OFDM đã hạn chế được ảnh hưởng của Fading nhiều tia, đảm bảo sự
Trang 251.2.7 Mơ hình tín biệu thu a
vty Yelk) yee) vi) ye
d I Chanael & offset [| —] Guard
(4 Demap | PIS [4 estimation and FT Frequency ar sp le
Output i (J equatization BỊ offset Removal |" ‘
data ị ||
m Ld
Hình 1.4 Mơ hình tín hiệu phía thu
Tín hiệu x6) sau khi biến đổi từ dạng song song sang nối tiếp bởi khối P/S sẽ được đưa qua kênh truyền cĩ thể là kênh phading chọn lọc tần số, biến đổi thời gian và được
cộng thêm nhiễu Tại bộ thu, sau khi loại bỏ khoảng bảo vệ, tín hiệu nhận được bị ảnh hưởng của độ địch tần số giữa tần số phát và tần số thu và qua khối DFT để thực hiện
chuyển về miễn tần số, tại đây dựa vào các tin hiệu Pilot để ước lượng đáp ứng kênh
truyền và độ địch tần từ đĩ khơi phục lại tín hiệu ban đầu
1.2.8 Phân tích ảnh hướng nhiễu trong hệ thống OFDM
1.2.8.1 Nhiễu trắng Ganss
Nhiễu trắng Gauss là loại nhiễu phổ biến hiện nay trong các hệ thống truyền dẫn Loại nhiễu này cĩ mật độ phổ cơng suất đẳng đều trong cả băng thơng và tuân
theo nhiễu phân bố Gaussian.Phương thức tác động chủ yếu của nhiễu trắng Gauss là
nhiễu cộng.Vậy dạng kênh truyền phố biến là kênh truyền chịu tác động của nhiễu Gaussian trắng cộng (AWGN) Trong hệ thống OFDM, khi số sĩng mang phụ là rất
lớn thì hầu hết các thành phần nhiễu khác cũng cĩ thể được coi là nhiễu Gaussian trắng cộng tác động trên từng kênh con vì xét trên từng kênh con riêng lẻ thì đặc điểm
của các loại nhiễu này thỏa mãn các điều kiện của nhiễu Gaussian trắng cộng
1.2.8.2 Nhiéu lién ki tu ISI (Inter Symbol Interference)
Trong hé thống viễn thơng khơng dây băng rộng, trải trễ gây ra bởi Fading đa đường
sẽ cĩ những tác động nghiêm trọng đến phía thu như nhiễu ISI Để chống lai ISI, kỹ
thuật điều chế OFDM được sử dụng để chia dịng đữ liệu tốc độ cao thành các chuỗi
dữ liệu song song và điều chế chúng trên các sĩng mang con trực giao với nhau Sau đĩ, chúng được chèn thêm khoảng bảo vệ vào đầu mỗi kí tự để làm giảm ảnh hưởng
Trang 26cĩ độ dài cố định để chống lại hiện tượng nhiễu ISI ( Inter-Symbol Interference) duge `
gây ra bởi trải trễ của kênh truyền trong mơi trường di động khơng đây Điều này cĩ
thé gây ra những tác động đáng kể khi chiều dài CP ( Cyclic Prefix) nhỏ hơn trải trễ
kênh truyền RMS (Root Mean Square), hoặc cĩ thể làm giảm năng lượng của hệ thống
và hiệu suất phê khi chiều dài CP lớn hơn rất nhiều so với trãi trễ kênh truyền
Hệ thơng truyền OFDM thơng thường sử dụng Cyclic Prefix cĩ chiều đài cố định
(fix-length) đủ lớn để cĩ thể chịu tác động của các trường hợp trải trễ kênh truyền xấu nha Trong WiMAX độ đài khoảng bảo vệ thường bằng 25% khoảng thời gian kí tự
OFDM, việc này cĩ thể làm suy giảm 1dB tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR.Tuy nhiên
việc chèn thêm khoảng bảo vệ quá lớn cĩ thể gây ra giảm hiệu suất của hệ thống (
giảm hiệu quả sử dụng phổ, tiêu tốn tài nguyên mạng và cơng suất hệ thơng) Vì trong
trường hợp kênh truyền tốt hoặc thiết bị chịu đựng độ trải trễ nhỏ hơn mà vẫn sử dụng khoảng bảo vệ lớn là khơng cần thiết Ngược lại nếu trong hệ thống thiết lập khoảng
báo vệ GI nhỏ thì đối với trường hợp kênh truyền vơ tuyến khơng tốt, cĩ độ trải trễ lớn
hơn khoảng Gi sẽ gây ra hiện tượng nhiễu ISI Hình 1.5 minh hoa nhiễu ISI được gây
ra do sử dụng khoảng bảo vệ GI nhỏ hơn so với trải trễ đa đường của kênh truyền
Previous Symbol 1© Current Symbol >|
[a Gre DET Period +4 |
Hình L5 Ảnh hưởng của khoảng bảo vệ GÌ nỏ
1.2.8.3 Nhiễu liên sĩng mang LCI (inter-Carrier Interference)
Một hệ thống thơng tin đi động với với ảnh hưởng của độ dịch tần số, hiện tượng
fading và độ dịch Doppler sẽ làm mất tính trực giao giữa các tần số sĩng mang dẫn
đến gây ra nhiễu !CI Kênh truyền cĩ sự ảnh hưởng của ICI được gọi là Doubly
Selective channel (vừa chọn lọc về thời gian và chọn lọc về tần số) Nhiễu TCI cịn bị
ảnh hưởng bởi quá trình đồng bộ khơng hồn hảo giữa phía phát và phía thu gây ra độ
dịch tần số sĩng mang
Trang 27Trong OFDM, phổ của các sĩng mang chồng lắn nhưng vẫn trực giao với sĩng mang
khác Điều này cĩ nghĩa là tại tần số cực đại của phơ mỗi sĩng mang thì phổ của các
sĩng mang khác bằng khơngNhiễu gây ra bởi các dữ liệu trên sĩng mang kế cận được
xem là nhiễu xuyên kênh (ICI)
ICI xảy ra khi kênh đa đường thay đổi trong một chu kì kí tự OFDM Dịch Doppler
trên mỗi thành phần đa đường gây ra dịch tần số trên mỗi sĩng mang, kết quả là mắt
tính trực giao giữa chúng.ICI cũng xảy ra khi một symbol OFDM bị nhiễu ISI Sự lệch tần số sĩng mang của máy phát và máy thu cũng gây ra nhiễu ICI trong hệ thống OFDM Các sĩng mang phụ xẵn trục giao với nhau AC ae L E0 f fa of he Các sĩng mang con bj —+ af k— _ dịch tần số gây ra nhiễu A, Sr#o — -— liên sĩng mang ICL HT frit OF fet BF frit OF Ar F—
Hình 1.6 Lỗi dịch tần số gây nhiễu ICI trong hệ thống OFDM
Sự bất lợi chính của OFDM là nĩ cĩ tính nhạy cảm đối với sự khác biệt về tần số giữa máy phát và máy thu, thường được gọi là độ dịch tần số Độ dịch tần số này cĩ thể được gây ra bởi địch chuyển Doppler do sự chuyển động tương đối giữa máy thu và
máy phát, hoặc do khác nhau giữa các tần số của bộ dao động nội trong máy thu và máy phát
1.2.9 Phân tích ảnh hưởng của quá trình đồng bộ trong hệ thống OFDM
1.2.9.1 Giới thiệu
Đồng bộ là một trong những vấn đề đang tất được quan tâm trong kỹ thuật OFDM bởi nĩ cĩ ý nghĩa quyết định đến khả năng cải thiện các nhược điểm của OFDM.Chẳng
Trang 28han, néu khơng đảm bảo sự đồng bộ về tần số sĩng mang thì sẽ dẫn đến nguy cơ mắt
tính trực giao giữa các sĩng mang nhánh, khiến hệ thống OFDM mắt đi các ưu điểm đặc trưng nhờ sự trực giao này [41] Trong hệ thống OFDM, người ta xét đến ba loại đồng bộ khác nhau là : Đồng bộ ký tự (symbol synchronization), đồng bộ tần số sĩng
mang (carricr frequency synchronization), và đồng bộ tần số lấy mẫu (sampling frequency synchronization)
1.2.9.2 Đồng bộ ký tự
Đồng bộ ký tự nhằm xác định chính xác thời điểm bắt đầu một ký tự OFDM.Hiện nay,
với kỹ thuật sử dụng khoảng bảo vệ (Cycle Prefix) thì đồng bộ ký tự đã được thực
hiện một cách dễ dàng hơn Hai yếu tố cần được chú ý khi thực hiện đồng bộ ký tự là
16i thoi gian (timing error) và nhiễu pha sĩng mang (carrier phase noise)
+ Lỗi thời gian
Lỗi thời gian gây ra sự sai lệch thời điểm bắt đầu một ký tự OFDM.Nếu lỗi thời gian
đủ nhỏ sao cho đáp ứng xung của kênh vẫn cịn nằm trong chiều đài khoảng tiền tố lặp
(CP) thì hệ thống vẫn đảm bảo sự trực giao giữa các sĩng mang Trong trường hợp này thì thời gian trễ của một ký tự được xem như là độ dịch pha của kênh truyền và độ
dịch pha này được xác định nhờ kỹ thuật ước lượng kênh Trong trường hợp ngược lại,
nếu chiều dài của CP nhỏ hơn lỗi thời gian thì hệ thống sẽ xuất hiện lỗi ISI Cĩ hai phương pháp để thực hiện đồng bộ thời gian, đĩ là: Đồng bộ thời gian dựa vào tín hiệu
pilot và đồng bộ thời gian dựa vào tiền tổ lặp
Phương pháp đồng bộ thời gian dựa vào tín hiệu pilot được áp dụng cho các hệ thống
OFDM mà tín hiệu được truyền đi bằng kỹ thuật điều tần Trong phương pháp này, bên phát sẽ mã hĩa một số tín hiệu đã biết trước thơng tin về pha và biên độ trên một
số sĩng mang phụ Phương pháp này sau đĩ đã được dieu chỉnh dễ sử dụng cho cả hệ
thống OFDM mà tín hiệu truyền đi được truyền theo kỹ thuật điều biên Thuật tốn đồng bộ thời gian sử dụng tín hiệu pilot gồm 3 bước lả: nhận biết cơng suất (power detection), déng bé thé (coarse synchronization)và đơng bé tinh (fine synchronization)
[42]
4% Nhiễu pha sĩng mang
Trang 29Nhiễu pha sĩng mang là hiện tượng khơng ổn định về pha của các sĩng mang do sự khơng ổn định của bộ tạo đao động bên phát và bên thu
1.2.9.3 Đồng bộ tần số sĩng mang
Trong đồng bộ tần số sĩng mang, hai van đề chính được quan tâm đến là: Lỗi tần số (frequency error) và thực hiện ước lượng tần số
s* Lỗi tần số
Lỗi tần số được tạo ra do sự khác biệt về tần số giữa hai bộ tao đao động bên phát va
bên thu, do độ dịch tần Doppler, hoặc đo nhiễu pha xuất hiên khi kênh truyền khơng tuyến tính Hai ảnh hưởng do lỗi tần số gây ra là : suy giảm biên độ tín hiệu thu được (vì tín hiệu khơng được lấy mẫu tại đỉnh của mỗi sĩng mang hình sin) và tạo ra nhiễu xuyên kênh ICI (vì các sĩng mang bị mắt tính trực giao)
+* Ước lượng tần số
Tương tự như kỹ thuật đồng bộ ký tự, để thực hiện đồng bộ tần số, cĩ thể sử dụng tín hiệu pilot hoặc sử dụng tiền tố lặp Trong kỹ thuật sử dụng tín hiệu pilot, một số sĩng mang được sử đụng để truyền những tín hiệu pilot (thường là các chuỗi giả nhiễu) Sử
dụng những ký tự đã biết trước về pha và biên độ sẽ, giúp ta ước lượng được độ quay
pha do lỗi tần số gây ra Để tăng độ chính xác cho bộ ước lượng, người ta sử dụng thêm các vịng khĩa pha (Phase Lock Loop-PLL) [43]
1.2.9.4 Đồng bộ tần số lầy mẫu
Tại bên thu, tín hiệu liên tục theo thời gian thu được lấy mẫu theo đồng hồ bên thu, vì Vậy sẽ xuất hiện sự bất đồng bộ giữa đồng hồ bên phát và bên thu Người ta đưa ra hai
phương pháp để khắc phục sự bất đồng bộ này.Phương pháp thứ nhất là sử dụng bộ
dao động diều khiển bằng điện áp (Voltage Controlled Oseillator-VCO) Phương pháp
thứ hai được gọi là : Lấy mẫu khơng đồng bộ Trong phương pháp này, các tan sé lay
mẫu vẫn được giữ nguyên nhưng tín hiệu được xử lý số sau khi lấy mẫu để đảm bảo sự đồng bộ
1.3 TONG QUAN VE CAC GIAI PHAP UOC LUQNG KENH TRUYEN
1.3.1 Giải pháp bình phương nhớ nhất (Least Square)
1.3.1.1 Giới thiệu giải pháp bình phương nhơ nhất
Trang 30Giả sử dữ liệu gồm các diém (xi, yi) véi i= 1, 2, , n Chúng ta cần tìm một hàm sé f thỏa mãn Ie) =¥ A) Giả sử hàm f cĩ thê thay đổi hình dạng, phụ thuộc vào một số tham số, p¡ với j = 1, 2c TA, LO) = Spy x) (1.2) Nội dung của phương pháp là tìm giá trị của các tham số pj sao cho biểu thức sau đạt cực tiêu: 2 = ys — Flay x >„, #2) a)
Nội dung này giải thích tại sao tên của phương pháp là bình phương, tối thiểu
Đơi khi thay vì tìm giá trị nhỏ nhất của tổng bình phương, người ta cĩ thể tìm giá trị
nhỏ nhật của bình phương trung bình:
5 a2 ele
ee Oey aa)
Điều này dẫn đến một tên gọi nữa là bình phương trung bình tối thiểu
1.3.1.2 Mơ tả thuật tốn Least Square
Giả sử ta cĩ muốn tìm nghiệm của phương trình sau:
với A là một ma trận cỡ m x n (với m > n) va x và b theo thứ tự đĩ là vectơ cột với n-
và m-hàng Một cách chính xác hơn, fa muốn làm tối thiểu chuẩn Puclidean bình phương của phần dư Ax — b, nghĩa là, đại lượng
[-4x~ bÍÊ = (bê — bị} +([dxls — béi? + + (bđ» — bá} (1.7)
Trang 31Do vậy là tối thiểu x là nghiệm của phương trình sau đây
AT™Ax = ATb (1.10)
Để ý rằng điều này tương đương với một hệ phương trình tuyến tính Ma trận ATA ở
phía bên trái là một ma trận vuơng, và khả nghịch nếu như A full rank theo cột (nghĩa là, nếu như rank của A là n) Trong trường hợp đĩ, nghiệm của hệ phương trình tuyến tính là đuy nhất và được cho bởi
Hay ge
x=(121) '1 b (1.11)
sa Ay AT cớ IRuna nâu giả nghịch đẫo sử a nk en
Ma tran \-4 + )- gọi là ma trận giả nghịch đảo của A Chúng ta khơng thê sử dụng
ma trận nghịch đảo thật sự của A (nghĩa là, Ah, vì nĩ khơng tồn tại đo A khơng phải
là một ma trận vuơng (m # n) Trưởng hợp A là một ma trận vuơng thi
x=.A7'b (1.12)
1.3.2.3 Giải thuật ước lượng kênh truyền sử dụng giải pháp L§:
Giả sử bỏ qua ảnh hưởng của các loại nhiễu, ta cĩ thể xấp xỉ phương trình của tín hiệu
thu như sau:
Y=H*#⁄ (1.13)
Với VY là ma trận tín hiệu thu, # là đáp ứng tần số của kênh truyền cần ước lượng, X là ma trận tín hiệu phát Trường hợp này ta nhận thấy dùng thuật tốn bình phương tối
thiểu với trường hợp X là ma trận vuơng sẽ tương ứng như cơng thức 1.12
Trang 321.3.2 Giải pháp trung bình bình phương nhỏ nhất (MMSE) 1.3.2.1 Giới thiệu giải thuật MMSE,
Cĩ thể nhận thấy giải pháp Least Square chỉ tối ưu khi bỏ qua ảnh hưởng của các loại nhiễu, trong khi đĩ với mơ hình tốn của một hệ thống thu phát thơng tin di động
khơng giống như phương trình 1.13 mà cịn ảnh hưởng bởi các yếu tố khác, cụ thể như
nhiễu Gauss và các loại nhiễu khác Trong trường hợp chỉ chịu ảnh hưởng của nhiễu
Gauss, giải pháp tối ưu sẽ là giải pháp MMSE (Minimum Mean Square Error)
Ước lượng MMSE là phương pháp tối thiểu sai số trung bình bình phương MSE (
Mean Square Error) của biến đo lường chất lượng của bộ ước lượng
Giả sử x là một vectơ ø x 7 ngẫu nhiên khơng biết trước, y là một vector 7 x 1 được biết trước ( vector đo lường thể hiện sự quan sát), Một ước lượng x, kí hiệu là #0)
là hàm đo lường theo y Sai số ước lượng được định nghĩa e = # — œ và MSE của
sai số này thể hiện sự biến thiên lỗi ước lượng
Hàm MSE được định nghĩa như sau: MSE= tr{E{lê - z)#~— # "1Ì q1@) Ạ 2 Nếu x là một vector vơ hướng thì hàm MSE được viêt tương đương 5 {ứ #) } lúc đĩ : tr { E{ee™ }} =F {trfee™}} = EteTe} = So Fei} i=l (1.17) Bộ ước lượng MMSE được định nghĩa là bộ ước lượng để đạt dược tối thiéu ham MSE nêu trên
1.3.3.2 Giải thuật ước lượng kênh truyền sử đụng giải pháp MMSE
Giả sử kênh truyền thay đổi chậm khơng bị ảnh hưởng bởi nhiễu ICTI và Nhiễu ISI cĩ
thể dược loại bỏ bằng cách sử dụng khoảng bảo vệ Lúc đĩ kênh truyền chỉ chịu ảnh hưởng của nhiễu Gauss, phương trình tín hiệu thu cĩ thể được viết dưới dạng ma trận như sau :
V=XH + W (1.18)
Trang 33Với :
X = diag{X(0), X(1), ,X(N-1) } 1a tin hiéu phia phat và N số lượng sĩng mang con
Diag là kí hiệu của ma trận chéo
Y = (0 Y(1) Y(N-1)?”là tín hiệu phía thu
W = [W(0) W(1) W(N-1)]" la ma trận nhiễu Gauss
H = [H(0) H(i) H(N-D)J" = DFTy{h} = F*h la ma trận đáp ứng tần số kénh tryén va Ala ma trận đáp ứng xung kênh truyền y0 ON=1) wo we r= : ty : là ma trận DẸT với Wjt = ¿770109 (@-n0 (W-D@W-D Mỹ MẸ
Đáp ứng tần số của kênh truyền ược lượng theo giải thuat MMSE (Minimizing mean
square error) được xác định ( Theo tài liệu[30]) Huy = FR„ RÿV (1.19) Với :
Ray = E{h¥} = Rụ#“X” (L20)
Ryy = E{YY) =XFRuFTX” + ø ly (L21)
Trong đĩ, „y là ma trận tương quan chéo giữa đáp ứng xung kênh truyền ÿ và tín hiệu thu Y, Ryy là ma trận tự tương quan của Y, Rin là ma trận tự tương quan của ủ, ø” là
phương sai của nhiễu ()” là phép tốn chuyển vị liên hiệp phức
1.3.3 Các giải pháp bộ cân bằng thích nghỉ
Giải thuật bộ cân bằng thích nghi sử dụng giải thuật LMS va RLS LMS (Least Mean Square) va RLS (Recursive Least Square) 1a cdc bộ cân bằng thích nghỉ truyền thống
được sử dụng và ứng dụng vào hệ thống ước lượng kênh truyền [32] Giá trị đầu tiên được xác định trực tiếp thơng qua giải thuat LS, và những giá trị tiếp theo được tính
tốn dựa vào sự ước lượng trước đĩ và ngõ ra hiện tại
Bộ cân bằng thích nghỉ là một bộ lọc thay đổi theo thời gian phải luơn luơn được tự
điều chỉnh như hình bên dưới Ý tưởng của sơ đồ khối này là bộ lọc thay đổi (Variable
Trang 34Filter) sé tao ra một sự ước lượng đối với tín hiệu mong muốn Tín hiệu vào x(n) bang
tổng của tín hiệu mong muốn đớn) và can nhiễu vớ)
x (n) = d(n) + v(n) (1.22)
Tín hiệu lỗi hay là hàm trị giá (cost function) chính là sự khác biệt giữa tín hiệu mong muốn d(n) và tín hiệu ước lượng đ)^ Hơn nữa hệ số của bộ lọc sẽ được cập nhập
như sau :
Tìm các trọng số bộ lọc bằng cách thực hiện các bước lặp lại sau:
Các trọng số mới = các trọng số trước + b(hằng sĩ)*(lỗi trước)*(veetor vào hiện
(1.23)
Với: lỗi trước = ngõ ra mong muốn trước — ngõ ra thực trước (1.24)
và hằng số cĩ thể điều chỉnh bằng thuật tốn đề điều khiển độ thay đổi các trọng số bộ
lọc lta các lần liên tiếp Chương trình lặp các bước trên để hội tụ và nhiều kỹ thuật Khi đạt được độ hội tụ, thuật tốn thích nghỉ chốt các trọng số bộ lọc cho đến khi tín
hiệu lỗi vượt quá mức cho phép hoặc cho đến khi chuỗi huấn luyện mới gởi đi Trong trường hợp này, trọng số sẽ thay đổi khi chuỗi huấn luyện mới được gửi Input Signal Ye fo Maes “| Ses 1 es d, output of equalizer
4 oF represents a known ‘d, ig set to
property of the transmitted signal
Adaptive Algorithm that updates cach weight 1,4
Hình 1 7 Sơ đề giải thuật cân bằng thich nghi LMS
Như vậy cĩ thể sử dụng bộ cân bằng thích nghỉ để ước lượng các giá trị chưa biết Tuy
nhiên, các bộ cân bằng thích nghỉ chỉ phù hợp với kênh truyền cĩ đáp ứng tần số thay
đổi chậm hoặc khơng thay đổi như mơi trường indoor với vận tốc di chuyển chậm
Trang 351.3.4 Các giải pháp ước lượng dựa vào giải thuật bộ lọc Kalman:
Xét hệ thống động cĩ thời gian rời rạc được mơ tả bởi lưu đồ địng tín hiệu ở hình 1.8
Trong đĩ xí) là véc tơ biến trạng thái tại thời điểm n( M chiều) dùng để mơ tả hoạt động của hệ thơng.y(n) là véc tơ các giá trị đo đạc ( quan sát) tại thời điểm n (N chiều)
dùng để ước tính xíứn) Fƒ++1,n) là ma trận chuyển trạng thái M chiều liên quan đến
trạng thái hệ thống tại thời điểm n+1 và tại thời điểm n, Cớ;) là ma trận đo tại thời điểm n (NxM)
Mơ tả dịng tín hiệu ở hình 4.2 gồm 2 cơng thức sau:
-_ Cơng thức tiến trình x(n + 1) = Fín + 1,n) *x() + 0(n) (1.25)
-_ Cơng thức đo đạc y(n) = C(n) * x(n) + v2(n) (1.26)
Trong đĩ vụ(n) mé ta nhiễu của tiến trình ( véc tơ MxI chiều), v;(n) mơ tá nhiễu khi đo đạc( véc tơ cột NxI chiều) và cả hai được mơ hình hĩa là dạng nhiễu trắng cĩ trung
bình bằng zero Ma trận tương quan của nhiễu quá trình và nhiễu đo đạc được định
nghĩa lần lượt là:
0;(nìn =k (127) Efv, (null Go} = [on
Efw; (m)vƒ ()} = t? at 2 (1.28)
Giả sử rằng trạng thái ban dau x(0) khơng tương quan với v¡() và v;() với n > 0 Véc
Trang 36Từ các phương trình khơng sing trạng thái, ta thiết lập các phương trình để tính tốn
các tham số của Kalman để tính tốn ước luong x(n) trong trường hợp này chính là đáp ứng kênh truyền tần số #7 Giải thuật Kalman chỉ cho kết quả tốt trong trường hợp ham
F va C là hằng số (trường hợp tổng quát là các hàm tuyến tính được biết trước), trường
hợp F và C là khơng biết trước và phi tuyến thì giải pháp Kalman khơng cho kết quả tối ưu nữa
Thực tế trong các hệ thống ước lượng, đặc tính của hệ thống cĩ thể là khơng tuyến tính, ví dụ chịu ảnh hưởng của độ địch tần và ảnh hưởng của nhiễu ICI dẫn đến ham F và hàm C ở trên thay đổi phi tuyến và khơng biết trước Do đĩ trong một số mơ hình phi tuyến, chúng ta cĩ thể mở rộng giải thuật Kalman thành giải thuật Extended Kalman Eilter (EKF) Để xây dựng thuật tốn Kalman mở rộng, chúng ta sẽ quan tâm
đến 2 phương trình đĩ là phương trình tiến trình (1.25) và phương trình đo đạc (1.26) Như đã đề cập ở phía trên,Extended Kalman Filter(EKF) là một phép giải xấp xĩ cho
phép chúng ta mở rộng bộ lọc Kalman cho các mơ hình khơng gian trạng thái phi tuyến Trong mơ hình phi tuyến, phương trình tiến trình và đo đạc được viết lại là :
xí + 1) = F(n,x()) + 1y) — (130)
y(n) = C(n,x(n)) + 9z(m) (1.31)
V6i v)(n) va v2(n) 1a cdc nhiễu trắng cĩ trung bình bằng 0 và ma trận tương quan là
Trang 37Ý tưởng cơ bản của bộ lọc Kalman mở rộng là tuyến tính hĩa mơ hình khơng gian trạng thái của phương trình (1.30) và (1.31) tại mỗi thời điểm xung quanh trạng thái ước lượng gần nhất, cĩ thể là trạng thái Ê(n|1n) (ước lượng x tại thời điểm n trong
khơng gian n điểm) hoặc #(n|ạ_;)(ước lượng x tại thời điểm n trong khơng gian n -I
điểm) phụ thuộc vào hàm mà chúng ta quan tâm.Để rõ ràng hơn,quá trình xấp xỉ sẽ được tiễn hành theo 2 giai đoạn:
- Giai đoạn 1: ma trận chuyển đổi trạng thái và ma trận đo đạc sẽ được xây dựng 8r(nx) 2x lx=#@mlog (133) Fít+ 1,n) = ac: CQ) = nein) (139
Trong đĩ phần tử hàng ¡ cột j của ma trận Fứr+1,n) chính là đạo hàm riêng phần
của thành phần thứ ¡ của #;,x) với thành phần thứ j của xán).Tương tự phần tử ij của
ma tran C(n) chính là đạo hàm riêng phần của thành phần thứ I của C„x) với thành phan thứ j của xi)
-_ Giai đoạn 2: Ngay khi ma trận F(n+1,n) và Cín) được ước lượng,chúng ta sẽ
dùng xấp xi bac | Taylor cho ham phi tuyén Fínux() và Cứn,x@)) xung quanh
gid tri 2(n|O,) va #(n|Da-¡) Hàm Ƒ(øx@)) và Cứax(n)) sẽ được xấp xỉ theo:
F(n,x(n)) = F(n,#(@|D„)) + F(n + 1,n)[xŒ) — #Œ@|đ,)] (135) C{n,xứ)) ~ C{n,#(m|Du~+)) + C@0)Ix() — ZOO n-a)] (136)
Dựa vào tính tốn các hàm F và C theo triển khai Taylor, tương tự như giải thuật
Kalman, ta thiết lập các cơng thức và phương trình tính tốn các tham số của thuật
tốn Kalman mở rộng từ đĩ tính tốn hàm ước lượng x(?) trong trường hợp này chính
là đáp ứng tần số của kênh truyền ước lượng
1.4 TONG QUAN CÁC GIẢI PHÁP TRIỆT NHIÊU ICI
1.4.1 Giới thiệu các nghiên cứu triệt tiêu và giảm nhiễu ICI
Nhiễu ICI do sự mất trực giao giữa các sĩng mang gay ra Sự mất trực giao của các
sĩng mang cĩ thể đo kênh truyền thay đổi ngay trong một chu kì của một kí tự OFDM
Trang 38gây nhiéu ICI hoae do sự mất động bộ giữa các sĩng mang hoặc mắt đồng bộ về tần số
lấy mẫu Chính vì hệ thống OFDM rất nhạy với sự trực giao nên ảnh hưởng của độ
dịch tần Doppler do di chuyển và sự đồng bộ ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng và hiệu
quả của hệ thống OFDM Trong trường hợp kênh truyền thay đổi trong một chu kì kí
tu OFDM gay nhiéu ICI, các nghiên cứu dé xuất giải pháp triệt nhiễu ICI một phần
nhờ vào ước lượng và tiệt tiêu thành phần nhiễu ICI của kênh truyền[47], [48] Các tham số kênh truyền với băng thơng rộng và tần số phát cao cũng một phần giảm ảnh
hưởng của nhiễu ICI vì lúc này kênh truyền cĩ thể xấp xỉ là thay đổi chậm [22] Dù
vậy, ảnh hưởng của độ dịch tần Doppler do di chuyển cũng ảnh hưởng khá lớn đến - chất lượng của hệ thống OFDM Ngồi ảnh hưởng ICI của kênh truyền, cịn cĩ ảnh
hưởng của nhiễu ICI do sự mắt đồng bộ giữa bên phát và bên thu dẫn đến sự mất trực
giao giữa các sĩng mang Nhiễu ICI nay cĩ thể do nhiễu pha sĩng mang, mắt đồng bộ
kí tự, mất động sĩng mang và tần số lấy mẫu Nghiên cứu [40] phân tích ảnh hưởng
của độ dịch tần số sĩng mang và tần số lấy mẫu ảnh hưởng đến hệ thống MIMO-
OFDM, tuy nhiên kênh truyền trong trường hợp này được giả sử là phẳng khơng thay
đổi Trong các ảnh bưởng của đồng bộ thì ảnh hưởng của độ dịch tần số sĩng mang gây ảnh hưởng nghiệm trọng nhất Nhiều giải pháp triệt tiêu nhiễu ICI bằng cách ước
lượng và triệt tiêu độ dịch tần này trước khi ước lượng kênh truyền Tài liệu [49] đề xuất giải pháp ML để ước lượng CFO (độ dịch tần số sĩng mang- Carrier Frequency
Offset Nghiên cứu [37] đề xuất giải pháp sử dụng mơ hình Kalman mở rộng để ước lượng độ dịch tần số sĩng mang Một hướng nghiên cứu khác là đề xuất cơ chế điều chế và giải điều chế để triệt tiêu ICI [28], các hướng nghiên cứu này cũng được dé tai
đề cập và phân tích trong những phân sau
1.4.2 Các phương pháp triệt tiêu nhiễu ICT
1.4.2.1 Phân tích ảnh hướng của nhiễu ICI
Khuyết điểm chính của OFDM là nĩ nhạy cảm với một sự thay đổi nhỏ về tần số ở máy thu và máy phát, co bản gọi là độ lệch tần sé (frequency offset) Độ lệch tần số
này cĩ thể tạo ra do hiệu ứng Doppler tương quan theo sự dịch chuyển giữa máy phát
và máy thu, hay do sự khác biệt tần số của các bộ đao động nội giữa máy phát và máy
thu Độ lệch tần số được mơ hình hĩa là thành phần nhân thêm tạo bởi kênh truyền
như hình sau
Trang 39exp(2meN) — wl) IFFT Xin) ——* x(n) <<“ Y Hình I 11 Mơ hình của độ dịch tần số Tín hiệu thu được cho bởi biểu thức: y(n) = x(m)e?2"°§ + w(m) (3
Trong đĩ là độ lệch tần chuẩn hĩa, và bằng AƒNT,, Aƒ là tần số khác biệt giữa tần số sĩng mang giữa máy phát và máy thu và Tslà chu kỳ kí tự Nhiễu AWGN của kênh
truyền biểu diễn qua (n)
Ảnh hưởng của độ lệch tần số lên chuỗi kí tự nhận cĩ thể biết được bằng cách xem xét
biểu thức của kí tự nhận Ÿ(k)trên sĩng mang con thứ
Y(k) = X()S(0) + DEO XOSU— k) + rx L#k § k=0,1,2 N—1 (3.2)
Với N là số lượng sĩng mang con sử dụng, YŒ) là kí tự được truyền đi trên sĩng
mang con thứ k, n„là biến đổi FFT của w(n) và $Œ — k)là hệ số phức biểu diễn cho
thành phần ICI tac động lên tín hiệu nhận Thành phần JCI là tác dộng từ các tín hiệu
Trang 40Cơng suất tín hiệu nhận mong muốn cho bởi biểu thức:
E[lcŒ)I?] = E[IX(Œ)s(0)J2] = E[IZŒ)I?|S(0)12] = E[IXŒIZI#IIS(0)1?] = E[IX(Œ)?]Is()I? (3.4) Cơng suất của nhiễu ICI cho bởi biểu thức: 2 , N-1 N~1 N~1 E[Il@)I?] = E > *()§SŒ -k)| |=E > x(@)SqŒ— k) » X*(m)S”Œm — k) tak isk mak N-1 N-1 N-1
= y S(I— E)S*(m — k) E[X()Ä*(m)] = » Sq — Ist ~ k) E[X0)X*(Đ]
tak mak lek
=E[lx@)1 Likes —#)J” le (3.5)
Tỉ số CIR cho bởi biểu thức dưới: _ s[|cœl2] _ _ z[Ixq]z[Is(@E]
CIR = TTgol5] — EIx@J2)5 ese itk (3.6)
Xét trên sĩng mang con thứ 0, biểu thức của CIR trở thành:
CIR = |s(@)J2 @.7)
— >a150)|?
1.4.2.2 Giải pháp triệt nhiễu ICI bằng phương pháp ước lượng độ dịch tần dùng
giải thuật ML (Maximum likelihood estimation)
Một phương pháp để sửa sai độ lệch tần số trong hệ thống OFDM là ước lượng độ
dịch tần dùng giải thuật ML Phương pháp này được đề xuất bởi Moose [51] Y tưởng
của phương pháp này là độ dich tần số sẽ được ước lượng thống kê nhờ dữ liệu nhận
được tại máy thu, sau đĩ sử dụng giá trị ước lượng được để giảm bớt ảnh hưởng của
độ dịch tần số lên tín hiệu Để đạt được điều này, ta cẦn tạo ra một bản sao của các kí
tự OFDM trước khi truyền và tại máy thu pha của từng sĩng mang con trong mỗi kí tự
OFDM sẽ được so sánh pha để tỉnh tốn ra giá trị của độ dịch tần số