Mô hình điều chế thích nghi dựa trên hệ thống đa sóng mang ứng dụng trong môi trường băng rộng sẽ được trình bày trong bài luận văn này với các loại điều chế MPSK, MQAM trong môi trường
GIỚI THIỆU CHUNG
Tổng quan
Nhu cầu của những thiết bị và hệ thống mạng người dùng thì lớn và phát triển nhanh chóng Tại nhà, một chiếc xe hơi hoặc xe tải, tại nơi làm việc hoặc chơi đùa, mọi người muốn nối mạng cho các hệ thống và các thiết bị cung cấp giải trí, thông tin và truyền thông Kết nối mạng này được yêu cầu, với bất cứ ai hoặc bất cứ điều gì họ muốn, bất kể thời gian hay vị trí Kết quả là, việc kết nối người tiêu dùng được sự quan tâm ngày càng tăng từ ngành công nghiệp tạo ra một loạt các giải pháp khác nhau bao gồm cả không dây, có dây, kết nối môi trường truyền thông, với khả năng của riêng mình và những thách thức đặc biệt để vượt qua Điều này sẽ xác định phạm vi của mạng của người dùng, nằm trong khoảng từ mạng khu vực tổng thể và cá nhân đến mạng nhà và mạng khu vực rộng Trong tương lai không xa, sẽ có quảng cáo tăng cường với cảm biến chia sẻ kiến thức mạng cho phép các thiết bị và hệ thống dễ dàng tương tác với Internet và các hệ thống khu vực rộng không dây như mạng 4G trong tương lai
Hệ thống 3G hiện tại có thể cung cấp tốc độ dữ liệu tối đa là 2 Mbit/s trong môi trường trong nhà thì khá là nhỏ so với những ứng dụng đa phương tiện hiện tại yêu cầu băng thông rộng với độ di động rất cao Điều này đã dẫn đến những nhà nghiên cứu toàn thế giới triển khai hệ thống 4G đáp ứng tốc độ dữ liệu từ 20 Mbit/s đến 100 Mbit/s Những ứng dụng dữ liệu và truyền thông như pay-per-view, mua sắm nhà, thương mại điện tử và cung cấp dịch vụ dữ liệu trực tuyến đang được xem xét hoặc đã được thiết lập để bắt đầu Ngoài ra với sự phát triển bùng nổ của Internet và sự chấp nhận trên toàn thế giới về nhu cầu băng thông dữ liệu cao hơn với độ tin cậy lớn hơn đã được tăng lên
Mục tiêu chính của hệ thống không dây 4G là khắc phục nhiễu liên ký tự nghiêm trọng (ISI) phát sinh do tốc độ dữ liệu cao và tối ưu hóa hiệu quả sử dụng băng thông để cung cấp dịch vụ truyền dữ liệu với tốc độ cao và chất lượng cao.
Chương 1 Giới thiệu chung 2 HVTT: Lê Nguyễn Đình Giang thông sẵn có hạn chế phổ tần hiệu quả Để đạt được những mục tiêu này, có hai công nghệ cạnh tranh OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) và CDMA (Code Division Multiple Access)
Một hệ thống CDMA sử dụng trải phổ chuỗi trực tiếp direct sequence spread spectrum (DS-SS) được biết là có chống lại kênh truyền chọn lọc tần số Khả năng của nó được giới hạn bởi nhiễu đa truy cập Multiple Access Interference (MAI), mà kết quả từ sự không hoàn hảo của đặc điểm mã trải phổ tự tương quan và tương quan chéo Mặc dù những mã không trực giao tương quan chéo có thể dẫn đến không có MAI trong các kênh fading phẳng, trực giao sẽ không được đảm bảo trong kênh truyền fading chọn lọc tần số kênh vì nhiễu inter-chip sẽ gây ra MAI và làm giảm hiệu suất hệ thống Một cách tiếp cận để ngăn chặn ảnh hưởng của nhiễu inter-chip vào kênh truyền fading chọn lọc tần số là sự kết hợp của công nghệ CDMA và điều chế đa sóng mang, chẳng hạn như OFDM có thể đạt được hiệu quả phổ cao vì phổ của sóng mang phụ có thể chồng lên nhau Hệ thống kết hợp CDMA với OFDM chủ yếu được phân loại thành ba loại: MC/DS-CDMA, MC-CDMA và OFCDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) là một hình thức đặc biệt của kỹ thuật truyền dẫn đa sóng mang trong đó một dòng dữ liệu tốc độ cao được chia thành nhiều chuỗi dữ liệu tốc độ thấp Các chuỗi dữ liệu này sau đó được điều chế bằng cách sử dụng sóng mang con trực giao với nhau Trong cách này tốc độ ký hiệu trên mỗi kênh con sẽ giảm đáng kể, và do đó ảnh hưởng của sự can thiệp intersymbol (ISI) do kênh phân tán trong thời gian gây ra bởi trải trễ đa đường giảm
Khoảng bảo vệ cũng có thể được chèn vào giữa các ký hiệu OFDM giảm ISI hơn
Tính trực giao giữa các sóng mang con có thể được duy trì, mặc dù tín hiệu đi qua một kênh phân tán thời gian theo chu kỳ mở rộng ký hiệu OFDM vào khoảng bảo vệ
Những lợi thế chính của OFDM là sự trải trễ đa đường có giới hạn và cách sử dụng phổ hiệu quả bằng cách cho phép chồng chéo trong miền tần số, một lợi thế lớn là điều chế và giải điều có thể thực hiện tính toán hiệu quả bằng cách sử dụng Inverse
Chương 1 Giới thiệu chung 3 HVTT: Lê Nguyễn Đình Giang
Fast Fourier Transformation (IFFT) và Fast Fourier Transformation (FFT) hoạt động
Hình 1.1 Bảng phác họa về hệ thống thông tin di động hiện tại và tương lai
Kênh truyền
1.2.1 Những đặc điểm về kênh truyền
Hiểu biết về đặc tính truyền dẫn sẽ quyết định việc lựa chọn cấu trúc hệ thống truyền tín hiệu phù hợp, kích thước các thành phần của hệ thống, các thông số hệ thống tối ưu, đặc biệt là khi kênh truyền vô tuyến di động được coi là kênh truyền khó khăn nhất, chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố bất hoàn hảo như nhiễu đa đường, nhiễu giao thoa, dịch chuyển Doppler.
Chương 1 Giới thiệu chung 4 HVTT: Lê Nguyễn Đình Giang tần (doppler), và shadowing Việc chọn lựa những thành phần của hệ thống thì khác nhau hoàn toàn, trường hợp như truyền đa đường với echo dài làm ảnh hưởng đến đường truyền vô tuyến
Vì vậy một mẫu kênh truyền thực tế được mô tả như cách thức truyền sóng vô tuyến trong những môi trường khác nhau như di động/cố định và trong nhà/ngoài trời
1.2.2 Tìm hiểu về kênh truyền vô tuyến
Trong kênh truyền vô tuyến ở hình 1.2, tín hiệu phát đi qua những ảnh hưởng khác nhau:
Truyền đa đường: xảy ra như kết quả phản xạ, tán xạ, và nhiễu xạ của sóng điện từ được phát đi tại môi trường tự nhiên hay nhân tạo Tại anten thu, biên độ của sóng đến từ nhiều hướng khác nhau với sự suy hao, trì hoãn và pha Sự chồng lấn của những sóng cho kết quả là sự khác biệt về pha của tín hiệu thu hợp lại
Hình 1.2 Truyền đa đường với biến thiên thời gian
Trải phổ Doppler gây ra bằng cách di chuyển các đối tượng trong các kênh vô tuyến di động Sự thay đổi về pha và biên độ của các sóng đến xảy ra dẫn đến kênh truyền đa đường biến thời gian Ngay cả những chuyển động nhỏ trên bậc của các bước sóng có thể dẫn đến sự chồng lấn sóng hoàn toàn khác nhau Cường
Chương 1 Giới thiệu chung 5 HVTT: Lê Nguyễn Đình Giang độ tín hiệu khác nhau do kênh truyền biến thiên theo thời gian được gọi là fading nhanh
Shadowing được gây ra bởi sự cản trở của các sóng truyền, ví dụ như, đồi, các tòa nhà, bức tường, và cây cối, kết quả làm suy giảm nhiều hơn hoặc ít mạnh mẽ của cường độ tín hiệu So với kênh truyền fading nhanh, khoảng cách xa hơn phải bao phủ thay đổi đáng kể bóng chòm sao Cường độ tín hiệu khác nhau do fading được gọi là fading chậm
Mất đường là hệ quả của việc công suất tín hiệu trung bình suy giảm theo khoảng cách tăng dần giữa máy phát và máy thu Trong không gian tự do, công suất tín hiệu trung bình sẽ giảm theo bình phương khoảng cách giữa trạm cơ sở và thiết bị đầu cuối Trong kênh vô tuyến di động thường không có đường truyền trực tiếp (LOS), công suất tín hiệu sẽ giảm nhanh hơn, thường theo bậc 3-5.
Sự biến thiên của công suất thu được do shadowing và mất đường có thể là một cách ảnh hưởng chống lại bởi kiểm soát công suất Các kênh vô tuyến di động được mô tả liên quan đến đặc tính fading nhanh chóng của nó
Kênh truyền vô tuyến di động có thể được mô tả bằng đáp ứng xung h(τ , t) hay hàm biến đổi kênh truyền theo thời gian H(f,t), là hàm biến đổi Fourier của hàm h(τ , t) Đáp ứng xung kênh truyền biểu thị cho đáp ứng của kênh truyền tại thời điểm t ứng với một xung ứng với thời điểm (t- τ) Kênh truyền vô tuyến di động được giả định là một quá trình ngẫu nhiên hướng rộng, tức là, kênh có một thống kê fading không đổi trong một thời gian ngắn hoặc khoảng cách không gian nhỏ
Trong môi trường với đa đường truyền, đáp ứng xung kênh truyền bao gồm một số lượng lớn xung tán xạ nhận được trên các những đường khác nhau N p
0 $ %&!' a p , f D,p , φ p , và τ p là biên độ, tần số Doppler, pha, trì hoãn của đường truyền liên kết với đường truyền p, p=0, , N p – 1 Hàm chuyển đổi kênh
Chương 1 Giới thiệu chung 6 HVTT: Lê Nguyễn Đình Giang
Sự chậm trễ được đo liên quan đến đường truyền dò tìm đầu tiên ở máy thu Tần số Doppler
1 (1-3) phụ thuộc vào vận tốc v của trạm đầu cuối, tốc độ của ánh sáng c, tần số sóng mang f c , và góc tới a p của một sóng được gán cho đường p Một đáp ứng xung kênh với hàm chuyển đổi kênh tương ứng được minh họa trong Hình 1-3
Phổ mật độ công suất trì hoãn ρ (τ) là đặc điểm chọn lọc tần số của các kênh vô tuyến di động cho công suất trung bình của các kênh ở ngõ ra như là một hàm của τ trì hoãn Thời gian trì hoãn trung bình ̅, căn bậc hai trung bình bình phương (RMS) lây lan chậm trễ τ RMS và trì hoãn tối đa τ max là các thông số đặc trưng của phổ mật độ công suất trì hoãn.Thời gian trì hoãn trung bình là ̅ ∑ ) Ω 4 56 78 ∑
Với Ω 9 9 là công suất của đường p
Hình 1.3 Đáp ứng xung kênh truyền theo thời gian và hàm chuyển đổi kênh truyền với fading chọn lọc tần số Thời gian trì hoãn RMS được xác định
Tương tự như vậy công suất mật độ phổ Doppler S(f D ) có thể được xác định là đặc điểm biến đổi theo thời gian của kênh vô tuyến di động và cung cấp công
Chương 1 Giới thiệu chung 7 HVTT: Lê Nguyễn Đình Giang suất trung bình của các kênh ngõ ra như là một hàm của tần số Doppler f D Các đặc tính tần số phân tán của kênh đa đường thì hầu như là định lượng bằng cách cực đại xảy ra tại tần số Doppler cực đại f Dmax và trải phổ Doppler f Dspread Trải phổ Doppler là băng thông của phổ mật độ công suất Doppler và có thể mất giá trị lên đến hai lần | f Dmax |, tức là
1.2.4 Nhiễu Inter-Symbol (ISI) và Inter-Channel Interference (ICI)
Sự trải trì hoãn có thể gây ra nhiễu liên ký tự (ISI) khi dữ liệu ký tự liền kề chồng chéo và can thiệp với nhau do sự chậm trễ khác nhau trên con đường truyền khác nhau Số lượng các ký tự can thiệp trong một hệ thống điều chế đơn sóng mang được cho bởi
GHdB
Hình 6.21 Mô phỏng hệ thống MC-CDMA với điều chế MQAM và Adaptive
Modulation trong môi trường Rural Area
Bảng 6.7 Mô hình mô phỏng trong môi trường Typical Urban
Thông số mô phỏng Thông số đặc trưng
Mã trải phổ Walsh Code
Chiều dài mã L=8 Ước lượng kênh truyền và đồng bộ Chính xác
Mã hóa kênh truyền Không Điều chế MPSK, MQAM
Kênh truyền COST207 Typical Urban
Chương 6 Mô phỏng và kết quả mô phỏng 81 HVTT: Lê Nguyễn Đình Giang
Hình 6.22 Mô phỏng hệ thống MC-CDMA với điều chế MPSK và Adaptive
Modulation trong môi trường Typical Urban
Ở môi trường đô thị thông thường với giá trị EbNo > -3 dB, bộ phát hoạt động với tỷ lệ lỗi bit (BER) dưới 10-3 So với phương pháp MPSK cố định, phương pháp điều chế thích ứng mang lại BER thấp hơn đáng kể.
Chương 6 Mô phỏng và kết quả mô phỏng 82 HVTT: Lê Nguyễn Đình Giang
Hình 6.23 Mô phỏng hệ thống MC-CDMA với điều chế MQAM và Adaptive
Modulation trong môi trường Typical Urban
Nhận xét: trong môi trường Typical Urban với giá trị EbNo>dB thì máy phát hoạt động đảm bảo BER dưới mức 10 -3 Với mô hình thích nghi thì cho kết quả BER tốt hơn so với mô hình MQAM cố định
Bảng 6.8 Mô phỏng so sánh điều chế cố định và điều chế thích nghi trong môi trường Bad Urban
Thông số mô phỏng Thông số đặc trưng
Mã trải phổ Walsh Code
Chiều dài mã L=8 Ước lượng kênh truyền và đồng bộ Chính xác
Mã hóa kênh truyền Không Điều chế MPSK, MQAM
Chương 6 Mô phỏng và kết quả mô phỏng 83 HVTT: Lê Nguyễn Đình Giang
Kênh truyền COST207 Bad Urban
Hình 6.24 Mô phỏng hệ thống MC-CDMA với điều chế MPSK và Adaptive
Modulation trong môi trường Bad Urban
Nhận xét: trong môi trường Bad Urban với giá trị EbNo>dB thì máy phát hoạt động đảm bảo BER dưới mức 10 -3 Với mô hình thích nghi thì cho kết quả BER tốt hơn so với mô hình MPSK cố định
Chương 6 Mô phỏng và kết quả mô phỏng 84 HVTT: Lê Nguyễn Đình Giang
Hình 6.25 Mô phỏng hệ thống MC-CDMA với điều chế MQAM và Adaptive
Modulation trong môi trường Bad Urban
Nhận xét: trong môi trường Bad Urban với giá trị EbNo>dB thì máy phát hoạt động đảm bảo BER dưới mức 10 -4 Với mô hình thích nghi thì cho kết quả BER tốt hơn so với mô hình MQAM cố định
Bảng 6.9 Mô phỏng so sánh điều chế cố định và điều chế thích nghi trong môi trường Hilly Terrain
Thông số mô phỏng Thông số đặc trưng
Mã trải phổ Walsh Code
Chiều dài mã L=8 Ước lượng kênh truyền và đồng bộ Chính xác
Mã hóa kênh truyền Không Điều chế MPSK, MQAM
Chương 6 Mô phỏng và kết quả mô phỏng 85 HVTT: Lê Nguyễn Đình Giang
Kênh truyền COST207 Rural Area
Hình 6.26 Mô phỏng hệ thống MC-CDMA với điều chế MPSK và Adaptive
Modulation trong môi trường Hilly Terrain
Nhận xét: trong môi trường Hilly Terrain với giá trị E b N o >dB thì máy phát hoạt động đảm bảo BER dưới mức 10 -3 Với mô hình thích nghi thì cho kết quả BER tốt hơn so với mô hình MPSK cố định
Chương 6 Mô phỏng và kết quả mô phỏng 86 HVTT: Lê Nguyễn Đình Giang
Hình 6.27 Mô phỏng hệ thống MC-CDMA với điều chế MQAM và Adaptive
Modulation trong môi trường Hilly Terrain
Nhận xét: trong môi trường Bad Urban với giá trị E b N o >dB thì máy phát hoạt động đảm bảo BER dưới mức 10 -3 Với mô hình thích nghi thì cho kết quả BER tốt hơn so với mô hình MQAM cố định.
Mô hình MC-CDMA đa user trong môi trường COST207
Chương 6 Mô phỏng và kết quả mô phỏng 87 HVTT: Lê Nguyễn Đình Giang
Với hệ thống đa user thì:
Trong môi trường Rural Area
Hình 6.28 Mô hình điều chế 8PSK đa user trong môi trường Rural Area 6 taps
Nhận xét: với số lượng user tăng thì hiệu suất BER cũng tăng theo trong mô trường đa đường Rural Area 6taps
Trong môi trường Typical Urban
Chương 6 Mô phỏng và kết quả mô phỏng 88 HVTT: Lê Nguyễn Đình Giang
Hình 6.29 Mô hình điều chế 8PSK đa user trong môi trường Typical Urban 6 taps
Nhận xét: với số lượng user tăng dần thì BER cũng tăng theo trong cùng một điều kiện kênh truyền
Trong môi trường Bad Urban
Chương 6 Mô phỏng và kết quả mô phỏng 89 HVTT: Lê Nguyễn Đình Giang
Hình 6.30 Mô hình điều chế 8PSK đa user trong môi trường Bad Urban 6 taps
Nhận xét: với số lượng user tăng dần thì BER cũng tăng theo trong cùng một điều kiện kênh truyền Bad Urban 6taps
Trong môi trường Hilly Terrain
Chương 6 Mô phỏng và kết quả mô phỏng 90 HVTT: Lê Nguyễn Đình Giang
Hình 6.31 Mô hình điều chế 8PSK đa user trong môi trường Hilly Terrain 6 taps Nhận xét: với số lượng user tăng dần thì BER cũng tăng theo trong cùng một điều kiện kênh truyền Hilly Terrain 6taps
Kết luận và hướng phát triển đề tài 91 HVTT: Lê Nguyễn Đình Giang
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
Với mô hình MC-CDMA với hiệu quả của điều chế đa sóng mang cho thấy hiệu suất BER trong môi trường kênh truyền đa đường Rural Area so với kênh truyền nhiễu trắng Gauss là gần như nhau, và sự khác biệt rõ ràng về BER do ảnh hưởng của hiệu ứng đa đường trong môi trường Bad Urban và Hilly Terrain Với kênh truyền Rural Area cho BER tốt nhất và kênh truyền Bad Urban cho hiệu suất BER xấu nhất trong mô hình kênh truyền COST207
Sự kết hợp ứng dụng điều chế thích nghi trong MC-CDMA cho ta thấy hiệu quả về BER được giữ dưới một mức ngưỡng quy định cho phép của kênh truyền vô tuyến đảm bảo đường truyền tốt trong khi điều kiện kênh truyền thay đổi, khi vào môi trường nhiễu cao thì máy phát sẽ không phát tín hiệu đi, chỉ khi nào thỏa mãn điều kiện EbN0 trên mức cho phép ứng với từng loại kênh truyền trong mô hình COST207 Mô hình này cho thấy hiệu suất BER tốt hơn so với mô hình điều chế cố định Ứng dụng vào thực tiễn cần có yếu tố con người chọn loại mô hình thích hợp khi di chuyển trong môi trường đang xét
Mô hình được ứng dụng với hệ số kênh truyền COST207 ứng với từng loại mô hình, quá trình mô phỏng còn nhiều hạn chế, cần nhiều yếu tố để quan tâm và tìm hiểu:
- Ứng dụng mã hóa kênh truyền khác nhau cho hệ thống - Ước lượng và đồng bộ kênh truyền chưa thực hiện trong hệ thống - Chưa mô phỏng hệ thống hồi tiếp SNR về máy phát để máy phát chọn loại điều chế thích hợp
- Các kỹ thuật dò tìm chưa được ứng dụng vào hệ thống
- Giả lập phần cứng cho hệ thống…
Các vấn đề trên là hướng phát triển đề tài cần thực hiện trong thời gian sắp tới.