nghiên cứu về các vấn đề ước lượng kênh truyền trong mimo-ofdm thông qua mô hình cơ sở mở rộng bems

Chương 1: Giới thiệu CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1.1 Giơí thiệu chung Kỹ thuật OFDM ( Orthogonal frequency-division multiplexing) trường hợp đặc biệt phương pháp điều chế đa sóng mang, sóng mang phụ trực giao với nhau, nhờ phổ tính hiệu sóng mang phụ cho phép chồng lấn lên mà phía thu khơi phục lại tín hiệu ban đầu Sự chồng lấn phổ tín hiệu làm cho hệ thống OFDM có hiệu suất sử dụng phổ lớn nhiều so với kỹ thuật điều chế thông thường Kỹ thuật điều chế OFDM R.W Chang phát minh năm 1966 Mỹ Trong thập kỷ vừa qua, nhiều cơng trình khoa học kỹ thuật thực khắp nơi giới Đặc biệt cơng trình khoa học Weistein Ebert chứng minh phép điều chế OFDM thực thông qua phép biến đổi IDFT phép giải điều chế OFDM thực phép biến đổi DFT Phát minh với phát triển kỹ thuật số làm cho kỹ thuật điều chế OFDM ứng dụng trở nên rộng rãi Thay sử dụng IDFT người ta sử dụng phép biến đổi nhanh IFFT cho điều chế OFDM, sử dụng FFT cho giải điều chế OFDM Ứng dụng kĩ thuật OFDM, ta có khả truyền thông tin tốc độ cao, sử dụng băng thơng hiệu quả, chống nhiễu liên kí tự ISI, nhiễu liên sóng mang ICI, chống fading chọn lọc tần số Kĩ thuật OFDM biết đến cách khoảng 40 năm mà ứng dụng rộng rãi năm gần Những sản phẩm ứng dụng kĩ thuật OFDM kể đến WIMAX (Worlwide interoperationability for Microwaves Access), WLAN (Wireless Local Area Network) 802.11, x-DSL (x-Digital Subcriber Line) DVT (Digital Video Broadcasting) Ngày kỹ thuật OFDM kết hợp với phương pháp mã kênh sử dụng thông tin vô tuyến Các hệ thống gọi COFDM (code OFDM) Trong hệ thống tín hiệu trước điều chế OFDM mã kênh với loại mã khác nhằm mục đích chống lại lỗi đường truyền Do chất lượng kênh Trang Chương 1: Giới thiệu (fading SNR) sóng mang phụ khác nhau, người ta điều chế tín hiệu sóng mang với mức điều chế khác Hệ thống mở khái niệm hệ thống truyền dẫn sử dụng kỹ thuật OFDM với điều chế tín hiệu thích ứng Kỹ thuật sử dụng hệ thống thơng tin máy tính băng rộng HiperLAN/2 Châu Âu Trên giới hệ thống chuẩn hóa theo tiêu chuẩn IEEE.802.11a OFDM ứng cử viên sáng giá cho hệ thống thông tin tốc độ cao, ngày có nhiều hệ thống thông tin ứng dụng kĩ thuật OFDM Việc ước lượng kênh truyền đóng vai trị quan trọng hệ thơng thơng tin nói chung hệ thống OFDM nói riêng 1.2 Mục đích đồ án Đồ án nghiên cứu vấn đề ước lượng kênh truyền MIMO-OFDM thơng qua mơ hình sở mở rộng BEMs Phần đồ án tìm hiểu kỹ thuật ước lượng MAP ML 1.3 Bố cục đồ án Đồ án chia làm chương : Chương : Giới thiệu khái quát đồ án Chương : Trong chương trình bày khái niệm OFDM, tính trực giao, cấu trúc OFDM, ưu nhược điểm sơ đồ khối hệ thống OFDM, đồng OFDM, kỹ thuật điều chế sử dụng OFDM, vấn đề xếp pilot, hệ thống Anten thông minh (MIMO), Kỹ thuật phân tập Anten (Antenna Diversity) Chương : Trong chương trình bày khái niệm kênh truyền vô tuyến, khái niệm kênh truyền dẫn phân tập đa đường, đáp ứng xung kênh không phụ thuộc thời gian kênh phụ thuộc thời gian, mơ hình kênh bản, quan hệ tín hiệu phát, tín hiệu thu mơ hình kênh, kênh truyền dẫn mơi trường nhiễu trắng, Chương : Trong chương trình bày kĩ thuật ước lượng kênh truyền hệ thống MIMO-OFDM thơng qua mơ hình Bayessian , trình bày thuật tốn Trang Chương 1: Giới thiệu mơ hình tín hiệu đầu phát đầu thu ,chương trình mơ kỹ thuật ước lượng MAP ML , so sánh kết mô Trang Chương 2: Giới thiệu kỹ thuật OFDM CHƯƠNG GIỚI THIỆU VỀ KỸ THUẬT OFDM 2.1 Giới thiệu chương Trong chương trình bày khái niệm OFDM, khác OFDM FDM, tính trực giao, cấu trúc OFDM, sơ đồ khối hệ thống OFDM, vấn đề đồng OFDM, ưu nhược điểm hệ thống OFDM, kỹ thuật điều chế sử dụng OFDM, bước thiết kế hệ thống OFDM 2.2 Khái niệm OFDM Kỹ thuật OFDM kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) Đó kết hợp mã hóa ghép kênh Thường thường nói tới ghép kênh người ta thường nói tới tín hiệu độc lập từ nguồn độc lập tổ hợp lại Trong OFDM, tín hiệu độc lập sóng mang Đầu tiên tín hiệu chia thành nguồn độc lập, mã hóa sau ghép kênh lại để tao nên sóng mang OFDM OFDM trường hợp đặc biệt FDM (Frequency Divison Multiplex), kỹ thuật FDM băng tần tổng đường truyền chia thành N kênh tần số khơng chồng lấn Tín hiệu kênh điều chế với sóng mang phụ riêng N kênh ghép phân chia theo tần số Để tránh giao thoa kênh, băng tần bảo vệ hình thành kênh kề nhau.Điều gây lãng phí băng tần tổng Để khắc phuc nhược điểm FDM, cần sử dụng N sóng mang phụ chồng lấn, trực giao với Điều kiện trực giao sóng mang phụ tần số sóng mang phụ tần số nguyên lần chu trình (T) ký hiệu, vấn đề quan trọng kỹ thuật OFDM, phần em xin trình bày kỹ chương 2.3 So sánh FDM OFDM OFDM khác với FDM nhiều điểm Tất sóng mang thứ cấp tín hiệu OFDM đồng thời gian tần số với nhau, cho phép kiểm sốt tốt can nhiễu sóng mang với Các sóng mang chồng lấp miền tần số khơng gây can nhiễu sóng mang (ICI: inter-carrier interference) chất trực giao điều chế Với FDM, tín hiệu truyền cần có khoảng bảo vệ tần Trang Chương 2: Giới thiệu kỹ thuật OFDM số lớn kênh để đảm bảo khơng bị chồng phổ, khơng có tượng giao thoa kí tự ISI sóng mang Điều làm giảm hiệu phổ Tuy nhiên với OFDM nhằm khắc phục hiệu phổ có khoảng bảo vệ (guard period) cách giảm khoảng cách sóng mang cho phép phổ sóng mang cạnh trùng lắp Sự trùng lắp phép khoảng cách sóng mang chọn xác cho đỉnh sóng mang qua diểm khơng sóng mang tức sóng mang trực giao để tín hiệu khôi phục mà không giao thoa hay chồng phổ Hình 2.1:Kỹ thuật đa sóng mang chồng xung khơng chồng xung Hình 2.2: Phổ OFDM FDM Trang Chương 2: Giới thiệu kỹ thuật OFDM 2.4 Tính trực giao OFDM ORTHOGONAL thuật ngữ đề cập đến mối quan hệ tốn học xác tần số sóng mang hệ thống OFDM Trong hệ thống FDM thông thường, nhiều sóng mang đặt cách khoảng phù hợp để tín hiệu thu nhận lại cách sử dụng lọc giải điều chế thông thường Trong hệ thống vậy, khoảng bảo vệ sóng mang khác cần dự liệu trước việc đưa vào khoảng bảo vệ làm giảm hiệu sử dụng phổ hệ thống Tuy nhiên xếp sóng mang OFDM cho dải biên chúng che phủ lên mà tín hiệu thu xác mà khơng có can nhiễu sóng mang Muốn sóng mang phải trực giao mặt tốn học Máy thu hoạt động gồm giải điều chế, dịch tần sóng mang xuống mức DC, tín hiệu nhận lấy tích phân chu kỳ symbol để phục hồi liệu gốc Nếu tất sóng mang khác dịch xuống tần số tích phân sóng mang (trong chu kỳ symbol τ), kết tính tích phân cho sóng mang khác zero Do sóng mang độc lập tuyến tính với (trực giao) khoảng cách sóng bội số 1/τ Bất kỳ phi tuyến gây can nhiễu sóng mang ICI (InterCarrierinterference) làm tính trực giao Việc xử lý (điều chế giải điều chế) tín hiệu OFDM thực miền tần số, cách sử dụng thuật tốn xử lý tín hiệu số DSP (Digital Signal Processing) Nguyên tắc tính trực giao thường sử dụng phạm vi DSP Trong toán học, số hạng trực giao có từ việc nghiên cứu vectơ Theo định nghĩa, hai vectơ gọi trực giao với chúng vng góc với tích vectơ Điểm ý tưởng nhân hai hàm số với nhau, tổng hợp tích nhận kết Trang Chương 2: Giới thiệu kỹ thuật OFDM Hình 2.3 : Tích vectơ trực giao Đầu tiên ta ý đến hàm số thơng thường có giá trị trung bình khơng (ví dụ giá trị trung bình hàm sin ) Nếu cộng bán kỳ dương bán kỳ âm dạng sóng sin có kết Q trình tích phân xem xét tìm diện tích dạng đường cong Do diện tích sóng sin viết sau: 2π k ∫ sin(ωt )dt = (2.1) Quá trình tính tích phân xem q trình tìm diện tích bên đường cong tín hiệu Do đó, diện tích sóng sin viết sau : Hình 2.4: Giá trị trung bình sóng sin Nếu nhân cộng (tích phân) hai dạng sóng sin có tần số khác nhau.Ta nhận thấy trình Trang Chương 2: Giới thiệu kỹ thuật OFDM Hình 2.5: Tích phân sóng sin có tần số Nếu hai sóng sin có tần số dạng sóng hợp thành ln dương, giá trị trung bình ln khác khơng (hình 2.5) Đây cấu quan trọng cho trình giải điều chế OFDM Các máy thu OFDM biến đổi tín hiệu thu sang miền tần số nhờ dùng kỹ thuật xử lý tín hiệu số gọi biến đổi nhanh Fourier (FFT) Việc giải điều chế chặt chẽ thực miền số (digital domain) cách nhân sóng mang truyền đến máy thu với sóng mang tạo máy thu có tần số pha cách xác Sau phép tích phân thực hiện, kết tất sóng mang khác khơng ngoại trừ sóng mang nhân, dịch lên trục x, tách cách hiệu giá trị symbol xác định Tồn q trình lặp lại nhanh chóng cho sóng mang, đến tất sóng mang giải điều chế Nhiều lý thuyết chuyển đổi thực chuỗi trực giao 2.4.1 Dạng biểu diễn toán học trực giao Hai hàm thực f(t) g(t) gọi trực giao (orthogonal) với đoạn Trang Chương 2: Giới thiệu kỹ thuật OFDM { t0,t1}nếu: t1 ∫ f (t ) g (t )dt =0 (2.2) t0 Nếu f(t) g(t) hai hàm phức, tính chất định nghĩa : t1 t1 ∫ f (t ) g (t )dt = ∫ f (t ) g (t ) dt = * t0 * (2.3) t0 Trong f*(t) lượng liên hợp phức f(t) Nhận xét : từ định nghĩa chứng minh : Tập hợp hàm (cosn ω t, sinm ω t) trực giao đôi đoạn t0 ≤ t ≤ t0 + k 2π / ω0 với m,m ≠ 0; m ≠ n k nguyên dương có nghĩa là: t + k 2π /ω0 ∫ (cosnω0t *cos mω0t )dt = t0 t + k π / ω0 ∫ (sinnω0t *sin mω0t )dt = t + k 2π / ω0 ∫ (sinnω0t * cosmω0t )dt = t0 t0 Hình 2.6 : Cấu trúc tín hiệu OFDM miền thời gian Do ta dùng tập hợp tập hàm vectơ sở trực giao Sóng mang tín hiệu OFDM đặt chồng lấp lên mà Trang Chương 2: Giới thiệu kỹ thuật OFDM trì tính trực giao chúng Tín hiệu OFDM tạo thành từ tổng tín hiệu sin, với tín hiệu sin tương ứng sóng mang Tần số băng gốc sóng mang chọn số nguyên lần nghịch đảo thời gian ký tự, kết tất sóng mang có số nguyên lần chu kỳ ký tự OFDM Vậy sóng mang trực giao với Hình 2.6 thể cấu trúc tín hiệu OFDM với sóng mang 2.4.2.Trực giao miền tần số Một cách khác để xem xét tính trực giao tín hiệu OFDM xem xét miền tần số Trong miền tần số sóng mang có đáp ứng tần số sinc =sin(x) / x ta thấy hình 2.7 Đó kết thời gian ký tự tương ứng với nghịch đảo khoảng cách sóng mang Xa thu liên quan đến ký tự OFDM truyền khoảng thời gian cố định ( FFT T ) với việc khơng bóp nhọn đầu cuối ký tự Thời gian ký tự tương ứng với biến đổi ngược khoảng cách sóng mang 1/ FFT T Hz Tín hiệu có dạng chữ nhật miền thời gian có đáp ứng tần số sinc miền tần số Hình dạng sinc có búp hẹp, với nhiều búp cạnh suy giảm chậm với biên độ tần số khác từ trung tâm Mỗi sóng mang có đỉnh tần số trung tâm khoảng cách rỗng với lỗ hổng tần số khoảng cách sóng mang Bản chất trực giao việc truyền kết đỉnh sóng mang đáp ứng rỗng với sóng mang cịn lại Khi tín hiệu tách cách sử dụng DFT, phổ khơng phải liên tục hình 2.7(a) mà gồm mẫu rời rạc, điểm lấy mẫu ký hiệu “o” hình Nếu DFT đồng thời gian, tần số lấy mẫu DFT tương ứng với đỉnh sóng mang con, chồng lấp miền tần số sóng mang không ảnh hưởng đến thu Giá trị đỉnh sóng mang cịn lại tương ứng với đáp ứng rỗng, dẫn đến trực giao sóng mang Trang 10 Chương 3: Kênh truyền vô tuyến Hình 3.11: Ví dụ ISI 3.10 Nhiễu ICI (Inter-carrier interference) Nhiễu giao thoa liên sóng mang, định nghĩa xuyên nhiễu (crosstalk) sóng mang phụ frame FFT (trong miền tần số) ICI phá hủy tính trực giao sóng mang Nhiễu ICI loại bỏ hoàn toàn nhờ sử dụng tập tần số trực giao làm tập tần số kênh phụ 3.11 Dung lượng kênh vô tuyến Dung lượng kênh cho ta biết tốc độ tối đa tín hiệu truyền qua kênh mà khơng bị lỗi Do dung lượng kênh phụ thuộc vào bề rộng băng tần kênh tác động loại nhiễu Phần trình bày vắn tắt khái niệm dung lượng kênh Shanon 3.11.1 Lý thuyết dung lượng kênh số Shannon Giả thiết máy phát phát trùm tín hiệu U = { a1 , a , , a N } , lượng tin (entropy) khối tin tính N H (U1 ) = ∑ p(a ) log l =1 p (a1 ) (3.25) Trong p (a1 ) xác suất xảy kiện mẫu tin a1 truyền Lượng tin H (U ) co tính chất ≤ H (U ) ≤ log ( N ) Lượng tin mát phát mẫu tin a1 lại nhận mẫu tin b1 − p (a1 , b1 ) p( a1 / b1 ) , với - p (a1 , b1 ) xác suất liên hợp, p (a1 / b1 ) xác suất điều kiện Tổng lượng tin mát là: N N l =1 l' H (U / U ) = − ∑∑ p (al , bl ' ) log P( al / bl ' ) Thông lượng kênh tương ứng với lượng tin khơng bị thất Trang 47 (3.26) Chương 3: Kênh truyền vô tuyến C= max {H( U ) - H( U / U ) } (3.27) Thông lượng kênh tốc độ truyền liệu lớn không lỗi qua kênh truyền dẫn cho trước Trong trường hợp kênh khơng nhiễu lượng tin thất khơng, có nghĩa H (U / U ) = (3.28) Với định nghĩa trên, Shannon đưa giới hạn tốc độ liệu kênh truyền dẫn vật lý Giới hạn tảng cho nhiều lĩnh vực khác lý thuyết mã kênh, lý thuyết điều chế, lý thuyết thông tin Lý thuyết lượng thông lượng kênh Shannon cho biết tỉ lệ lỗi bít tín hiệu nhận được giảm đến mức nhỏ tùy ý kỹ thuật mã kênh kỹ thuật điều chế, chừng mà tốc độ tín hiệu cịn nhỏ thơng lượng kênh 3.11.2 Thơng lượng kênh tương tự có băng tần giới hạn Shannon đưa lý thuyết thông lượng kênh truyền dẫn có băng tần giới hạn sau: “Thông lượng kênh với bề rộng băng tần B bị can nhiễu trắng với tỉ số cơng suất tín hiệu tạp âm trung bình C = B log(1 + PS tính : Pn PS ) = B log(1 + SNR ) Pn (3.29) Nếu tỉ lệ công suất tín hiệu tạp âm tính dB, thơng lượng kênh gần hóa cơng thức sau: C ≈ B SNR dB (3.30) 3.12 Kết luận chương Trang 48 Chương 3: Kênh truyền vô tuyến Chương trình bày khái niệm kênh truyền vô tuyến, mà ước lượng đồ án Chương nội dung đồ án này, kĩ thuật ước lượng kênh truyền nội suy Trang 49 Chương 3: Kênh truyền vô tuyến CHƯƠNG ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUYỀN TRONG HỆ THỐNG MIMO- OFDM 4.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG Kỹ thuật điều chế (Modulation) chia thành điều chế vi sai (diferential) điều chế kết hợp (coherent).Khi dùng kỹ thuật điều chế vi sai khơng cần phải ước lượng kênh truyền thơng tin mã hóa cho có khác biệt ký tự liên tiếp , độ phức tạp tín hiệu đầu máy thu giảm kỹ thuật dùng phổ biến thông tin vô tuyến Điều chế vi sai dùng chuẩn DAB (Digital Audio Broadcast) Châu Âu Khó khăn dùng kỹ thuật làm gia tăng nhiễu thêm 3dB ta sử dụng kỹ thuật điều chế chòm đa biên độ cách hiệu (efficient multiamplitude constellations) Một số kỹ thuật DPSK quan tâm điều chế khóa dịch pha biên độ vi sai (differential amplitude phase shift keying), ta có hiệu phổ tốt DPSK sử dụng tốt mã hóa biên độ vi sai Hiển nhiên điều yêu cầu phân phối biên độ không đồng (non uniform amplitude distribution) Tuy nhiên hệ thống thông tin có dây kênh truyền khơng thay đổi theo thời gian nên kỹ thuật điều chế kết hợp lựa chọn hiển nhiên Nhưng hệ thống không dây, hiệu kỹ thuật điều chế kết hợp giúp trở thành lưu chọn lý tưởng hệ thống yêu cầu tỷ lệ lỗi bit BER (Bit Error Rate) cao hệ thống DVB Ước lượng kênh truyền hệ thống có dây khơng phức tạp, kênh truyền ước lượng thời điểm bắt đầu kể từ thời gian kênh truyền nhau, không cần phải liên tục ước lượng kênh truyền Tuy nhiên khuôn khổ đồ án môn học đề cập ước lượng kênh truyền hệ thống OFDM vô tuyến Ước lượng kênh nhằm mục đích giảm sai khác hàm truyền kênh phát so với kênh thu nhiều nguyên nhân trình truyền dẫn Trong đồ án ước lượng kênh truyền sử dụng mơ hình kênh sở mở rộng BEM ( Basis expansion models ) để giảm thông số cần ước lượng Trang 50 Chương 3: Kênh truyền vơ tuyến 4.2 MƠ HÌNH HỆ THỐNG 4.2.1 Mơ hình phát Sử dụng hệ thống giải mã MIMO-OFDM có N t anten phát N điểm biến đổi nhanh Fourier (FFT) Sau biến đổi Fourier ngược (IFFT) loại bỏ tiền tố lặp CP , tín hiệu ký tự thứ m phát anten thứ u viết sau : (u ) n ,m x = N  j 2π kn  ) X k(um exp  ∑ ,  N ÷  k =0 N −1 (4.1) (u ) Với n ∈ { − N g , ,0, , N − 1} , N g độ dài tiền tố lặp X k ,m liệu điều chế sóng mang thứ k (hoặc pilot) ký tự thứ m OFDM từ anten phát thứ u 4.2.2 Mơ hình kênh truyền chọn lọc với BEMs Đối với cặp anten phát thứ u anten thu thứ r , đáp ứng kênh truyền thứ l biểu diễn sau thơng qua mơ hình kênh sở mở rộng BEMs ( hl(,rn,,um) = ∑ bn + N g + mN s ,q cqr,l,u ) , (4.2) Với l ∈ { 0, L − 1} , N S = N + N g độ dài ký tự OFDM sau chèn tiến tố lặp CP Với n=0,…N-1; m = 0,…M-1 M = data + pilot ; tốc độ người dùng điện thoại di động không thay đổi burst Lthể chiều dài kênh truyền Xét bn + N g + mN s , q với q giá trị hàm thứ q mơ hình BEM , ( cqr,l,u ) hệ số BEM mơ hình kênh truyền Q hệ số hàm sử dụng mơ hình sở mở rộng Được xác định hình 4.1 Trang 51 Chương 3: Kênh truyền vô tuyến 10 -10 10 -20 10 MSE of DPS-based channel fitting 10 -30 1 km/h km/h 10 km/h 20 km/h 30 km/h 40 km/h 50 km/h 60 km/h 70 km/h 80 km/h 90 km/h 100 km/h Number of used basis functions Hình 4.1 Qua ta chọn Q=3 (với tốc độ người dùng di động di chuyển thấp khoảng 10km/h) Q=5 với tốc độ người dùng di động di chuyển khoảng 100km/h Qua mô hình kênh sở mở rộng BEMs, ta thấy thay ước lượng kênh truyền tức ước lượng đáp ứng kênh truyền hl(,rn,,um) với nhiều thơng số phức tạp sử dụng mơ hình BEMs để ước lượng giảm nhiều thơng số Do thay ước lượng hl(,rn,,um) ước lượng ( cqr,l,u ) (4.2) Để khai thác ưu điểm BEMs việc giảm số lượng thông số kênh cần ước lượng Đồ án sử dụng pilot để ước lượng hệ số BEM Đặc biệt cặp anten phát thứ u anten thu thứ r có đáp ứng xung kênh truyền tương ứng thứ l biểu diễn dạng vector sau : hl(,rm,u ) = Bm p cl( r ,u ) , p Với mP vị trí chèn ký tự pilot burst Trang 52 (4.3) 10 Chương 3: Kênh truyền vô tuyến ( r ,u ) l ,m p h Ở T r, =  hl(,0,u )p , , hl(,rN,u−)1,m p  ,  m  Bm p = bm p ,1 , , bm p ,Q  ,   = bN g +m p N s ,q , bN s −1+m p N s ,q    bm p ,q ( r ,u ) l c = c  ( r ,u ) 1,l T ( r ,u ) T Q ,l , , c   Sơ đồ Burst liệu ký tự Pilot OFDM anten phát Hinh 4.2 Đáp ứng xung kênh truyền viết dạng vector sau : h ( r ,u ) = BL c ( r ,u ) , h Ở ( r ,u ) ( r ,u ) l h T T T ( ( =   h0 r ,u )  , ,  hLr−,1u )   ,          h ( r ,u ) T , ,  h ( r ,u ) T , , h ( r ,u )  T  =  l ,m1   l , mP    l ,m p     BL = I L ⊗ B, T T T T B =  Bm1 , , Bm p , , BmP  ,   Và c ( r ,u ) (4) T ( ( u T =  c0r ,u )  , , cLr−,1 )          Trang 53 T T , Chương 3: Kênh truyền vô tuyến Từ h ( r ,u ) (4) xác định giá trị c ( r ,u ) sau : H H c ( r ,u ) = ( BL BL ) BL h ( r ,u ) −1 4.2.3 Mơ hình tín hiệu đầu thu Ở kênh truyền chọn lọc , sau loại bỏ tiền tố lặp , mẫu tín hiệu thu thứ n ký tự OFDM thứ m tai anten thu thứ r biểu diễn sau : y Ở n=0,…,N-1 (r ) n ,m Nt L −1 ( ( ) = ∑∑ hl(,rn,,um) xnu )l ,m + znr,m , − (5) u =1 l = ( ) znr,m nhiễu trắng Gausian (AWGN) T thời gian lấy mẫu 4.2.4 Ước lượng hệ số BEM ước lượng kênh truyền Trong ước lượng Bayesian , thông số kênh truyền coi biến ngẫu nhiên ( với số liệu thống kê biết trước ) để ước tính ,các mẫu tín hiệu đầu thu tương ứng với ký tự P pilot viết dạng vector sau : y = Sc + z , (6) Ở T T y =  ym1 , , ymP    T T Với ym p T T T ( (1) ( ( ) ( ) =   ym p  , ,  ymN r )   ymr ) =  y0,rm , , y Nr−1,m   p     p p p     Z nhiễu đầu vào máy thu : T T z =  zm1 , , zm p    với zm p z (r ) mp T T ( (1) =   zm p  , ,  zmNr )    p       T ( ) ( ) =  z0,rm p , , z Nr−1,m p    Trang 54 T T Chương 3: Kênh truyền vô tuyến T T ( T T (1) S =  S m1 , , S m p  S m p =  S m p , , SmNt )  với p     ( ( ) ( S mup) =  s0,um p Bm p , , sLu )1,m p Bm p  , −   ( ( sl(,um)p = diag (  x0u l),m p , , xNu−)1−l ,m p ), −   T T c =  c (1)  , , c ( Nr )          c (r ) T T T T =  c ( r ,1)  , , c ( r ,Nt )   ,        4.2.4.1 Kỹ thuật ước lượng MAP Dựa vào phương pháp Bayesian mẫu tín hiệu thu miền thời gian , ước lượng hệ số BEM cách sử dụng nguyên lý ước lượng MAP (maximum-a-posteriori) xác định sau : ∧ c = argmax ln p ( c y ) , (7) c p ( y c ) p (c ) p( y) Với p (c y ) = Từ đó, ước lượng MAP hệ số BEM viết sau: ∧ c = arg max ln  p ( y c ) p (c)  ,   Với p ( y c ) = π NP Rz = Ε ( zz H ) , Rz ( (8) ) exp − [ y − Sc ] Rz−1 [ y − Sc ] , p ( c) = H π QL Rc ( ) exp ( −c H Rc−1c ) Rc = Ε cc H Từ ta biểu diễn ước lượng MAP hệ số BEM sau : ∧ c = arg f MAP (c), Trang 55 (9) Chương 3: Kênh truyền vô tuyến y − Sc + c H Rc−1c N0 f MAP (c) = Với ∧ c = ( S H S + Rc−1 N ) S H y −1 (10) 4.2.4.2 Kỹ thuật ước lượng ML Ước lượng ML hệ số BEM biểu diễn sau : ∧ c = arg max ln p ( y c ) ( 11) c ( ) Với p y c = π NP Rz ( exp − [ y − Sc ] Rz−1 [ y − Sc ] H ) Rz = Ε( zz H ) = N I Sau vài biến đổi , ta viết sau : ∧ c = ( SHS) SH y −1 (12) Sau ước lượng hệ số BEM ta ước lượng đáp ứng xung kênh truyền sau : ∧ ( r ,u ) h ∧ ( r ,u ) = BL c Trang 56 (13) Chương 3: Kênh truyền vơ tuyến 4.3 MƠ PHỎNG Ở phần thực mô ước lượng kênh truyền hệ số BEM , sử dụng mơ hình sở mở rộng CE-BEM , GCE-BEM , DPS-BEM , KL-BEM Số anten phát 2, số anten thu 2, Q =5 , sử dụng biến đổi FFT-128 , tần số lẫy mẫu f s =1.92MHz tần số sóng mang f c =2GHz Chiều dài CP 10 mẫu → N g =10 Trong burst truyền gồm mẫu ( gồm liệu pilot) Số pilot sử dụng ký tự cho burst Sử dụng điều chế 64-QAM Trong kết lấy hình mơ , điểm vẽ thể MSE lấy trung bình 1000 kết khác để có kết chung Tốc độ người dùng, vị trí chèn pilot ,tất thay đồi để so sánh kết mô với điều kiện khác thông qua giao diện GUI Matlab Kết mơ : • Ước lượng MAP -1 10 -2 MSE cua he so BEM 10 -3 10 Dua vao CE-MAP Dua vao GCE-MAP Dua vao DPS-MAP Dua vao KL-MAP -4 10 -5 10 10 15 SNR(dB) Trang 57 20 25 30 Chương 3: Kênh truyền vô tuyến -1 MSE cua dap ung xung kenh truyen h theo MAP 10 -2 10 -3 10 Dua vao CE-MAP Dua vao GCE-MAP Dua vao DPS-MAP Dua vao KL-MAP -4 10 -5 10 10 15 SNR(dB) 20 25 30 Bảng kết đồ thị : 10 15 20 25 30 0.0082 0.0118 CE-BEM 0.0467 0.0261 0.0158 0.0116 0.0096 DPS-BEM 0.0315 0.0132 0.0045 0.0014 3.939e-04 1.433e-04 4.599e-05 GCE-BEM 0.0317 0.0133 0.0045 0.0015 5.175e-04 2.508e-04 2.025e-04 KL-BEM 0.0315 0.0132 0.0044 0.0013 3.939e-04 1.433e-04 4.598e-05 Nhận xét : • Trong ước lượng MAP kết ước dựa vào mơ hình DPS – KL tốt , số trường hợp kết mơ MSE h dựa vào mơ hình sở mở rộng DPS KL trùng , kết mơ MSE dựa vào mơ hình CE Trang 58 Chương 3: Kênh truyền vô tuyến • Ta thấy MSE giảm SNR tăng lên , công suất phát lớn so với cơng suất nhiễu ảnh hưởng nhiễu không đáng kể, chất lượng hệ thống tốt • Ước lượng ML 10 Dua vao CE-ML Dua vao GCE-ML Dua vao DPS-ML Dua vao KL-ML MSE cua he so BEM 10 -1 10 -2 10 -3 10 -4 10 10 15 SNR(dB) Trang 59 20 25 30 Chương 3: Kênh truyền vô tuyến -1 MSE cua dap ung kenh truyen h 10 Dua vao CE-ML Dua vao GCE-ML Dua vao DPS-ML Dua vao KL-ML -2 10 -3 10 -4 10 -5 10 10 15 SNR(dB) 20 25 30 Bảng kết MSE đáp ứng xung kênh truyền h theo ML 10 15 20 25 30 0.0117 0.0101 CE-BEM 0.0793 0.0332 0.0176 0.0133 0.0100 DPS-BEM 0.0681 0.0237 0.0067 0.0023 6.828e-04 2.403e-04 6.063e-05 GCE-BEM 0.0682 0.0237 0.0069 0.0024 7.993e-04 3.995e-04 1.988e-04 KL-BEM 0.0681 0.0237 0.0067 0.0023 6.827e-04 2.403e-04 6.064e-05 Nhận xét • Trong ước lượng ML kết ước dựa vào mơ hình DPS – KL tốt , số trường hợp kết mơ MSE h dựa vào mơ hình sở mở rộng DPS KL trùng , kết mơ MSE dựa vào mơ hình CE • Qua mơ phỏng, ta thấy ước lượng MAP có kết tốt so với kỹ thuật ước lượng ML Trang 60 Chương 3: Kênh truyền vơ tuyến • Ta thấy MSE giảm SNR tăng lên , công suất phát lớn so với cơng suất nhiễu ảnh hưởng nhiễu không đáng kể, chất lượng hệ thống tốt Trang 61 ... Việc ước lượng kênh truyền đóng vai trị quan trọng hệ thơng thơng tin nói chung hệ thống OFDM nói riêng 1.2 Mục đích đồ án Đồ án nghiên cứu vấn đề ước lượng kênh truyền MIMO-OFDM thơng qua mơ hình. .. ước lượng kênh truyền sử dụng mô hình kênh sở mở rộng BEM ( Basis expansion models ) để giảm thông số cần ước lượng Trang 50 Chương 3: Kênh truyền vô tuyến 4.2 MƠ HÌNH HỆ THỐNG 4.2.1 Mơ hình. .. án môn học đề cập ước lượng kênh truyền hệ thống OFDM vô tuyến Ước lượng kênh nhằm mục đích giảm sai khác hàm truyền kênh phát so với kênh thu nhiều nguyên nhân trình truyền dẫn Trong đồ án ước