Chương 3: Ước tính chất lượng kênh và cân bằng kênh - 37 - * l 2 s 1N 1Nm 1L 1i lm0 2 slim * im hNhhC c (3.26) Phương trình (3.26) tạo thành 2N-1 phương trình tuyến tính. Giải các phương trình này sẽ thu được các tham số bộ lọc tối ưu theo chuẩn MSE. Lỗi MMSE được xác định thông qua các tham số của CIR và bộ cân bằng theo phương trình: 1N 1Nm mm 2 S hC1MMSE (3.27) trong miền tần số như sau : fCfNfCfH1fSfS ˆ fSfE (3.28) Trong đó 2 N fN 0 2 , 2 s 2 fS , với 2 s là công suất phát tín hiệu, giả thiết rằng tạp âm và tín hiệu không tương quan với nhau, vì thế ta có: 2 0 2 2 s 2 fC 2 N fCfH1fE (3.29) Ước tính bình phương của phương trình trên ta được: 2 s 0 2 0 2 s 0 2 0 2 s 22 2 N fH 1 2 N 2 N fH fH fC 2 N fHfE (3.30) Từ (3.16) dễ dàng thấy để 2 eE cực tiểu thì thành phần thứ nhất của (3.20) phải = 0 do đó ta sẽ tính được hệ số cân bằng tối ưu như sau: Chương 3: Ước tính chất lượng kênh và cân bằng kênh - 38 - 2 s 0 2 opt 2 N fH fH fC (3.31) Thay (3.31) vào (3.32) ta có lỗi trung bình bình phương cực tiểu là: df 2 N fH fH 2 TN eE T2 1 T2 1 2 s 0 2 2 0 2 (3.32) 3.6 Kết luận chương Các kĩ thuật ước tính và cân bằng kênh tỏ ra quan trọng trong các hệ thống truyền dẫn vô tuyến. Việc ước tính kênh chính xác sẽ xác định được trạng thái kênh hiện thời quyết định thành công cho các giải pháp cân bằng kênh và các công nghệ điều chế. Kĩ thuật cân bằng kênh giúp giảm ISI, hạn chế các ảnh hưởng của kênh phadinh lựa chọn tần số, hiệu ứng đa đường. Chính nhờ thế mà nâng cao tốc độ và hiệu năng truyền dẫn. Chương 4: Một số phương pháp thích nghi sử dụng trong hệ thống OFDM - 39 - CHƯƠNG 4 MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP THÍCH NGHI SỬ DỤNG TRONG HỆ THỐNG OFDM 4.1 Giới thiệu chương Kĩ thuật OFDM tỏ ra khá hiệu quả với các nhược điểm của môi trường vô tuyến như fading lựa chọn tần số, nhiễu dải băng hẹp và nâng cao hiệu suất sử dụng phổ và một số ưu điểm khác đã trình bày trong chương 2. Tuy nhiên, OFDM vẫn tồn tại một số nhược điểm vốn có của kĩ thuật trực giao và nhược điểm mà tất cả các kĩ thuật điều chế điều chế truyền thống đều có, đó là: Sử dụng các tham số điều chế cố định để đảm bảo chất lượng truyền dẫn tại trạng thái xấu nhất của kênh truyền nên sẽ có thông lượng kênh như nhau ở mọi thời điểm dẫn đến lãng phí hiệu quả phổ tần hệ thống. Điều chế thích nghi được sử dụng để thích nghi động tham số điều chế ứng với các thông số tức thời của kênh, nhằm mục đích đảm bảo chất lượng truyền dẫn và tăng thông lượng. Có nhiều phương pháp thích nghi, ở đây chỉ tập trung tìm hiểu 3 thuật toán cơ bản đó là: Thích nghi theo SNR phát trên mỗi sóng mang Thích nghi theo cơ chế chuyển mức điều chế Thích nghi theo cơ chế chọn lọc sóng mang với hai nhiệm vụ là: Tạo ra chất lượng dịch vụ truyền dẫn (QoS) cao. Tạo thông lượng truyền dẫn cao. Chương 4: Một số phương pháp thích nghi sử dụng trong hệ thống OFDM - 40 - Ngoài ra chương này cũng tiến hành tìm hiểu chu trình hoạt động của hệ thống AOFDM (Adaptive Orthogonal Frequency Division Modulation), đưa ra mô hình thuật toán cho cơ chế chọn lọc sóng mang đồng thời đi phân tích một số lưu đồ thuật toán quan trọng trong quá trình mô phỏng. 4.2 Lưu đồ thuật toán Điều chế thích nghi chính là lựa chọn hình thức điều chế một cách động để thu được thông lượng tối ưu khi mức SNR thu biến đổi trong phạm vi rộng theo thời gian. Trong thuật toán điều chế thì các tham số điều chế được xác định bởi thuộc tính của kênh. Tức là các tham số điều chế sẽ là một hàm của các tham số kênh. Tham số điều chế = f (tham số kênh) Quá trình thích nghi sẽ được thực hiện theo lưu đồ thuật toán H 4.1 Hình 4.1 Lưu đồ thuật toán điều chế thích nghi Chương 4: Một số phương pháp thích nghi sử dụng trong hệ thống OFDM - 41 - 4.3 Kiến trúc của những hệ thống điều chế thích nghi Hình 4.2 Kiến trúc của những hệ thống điều chế thích nghi Hình 4.2 cho thấy điều chế thích nghi được sử dụng để thay đổi các tham số điều chế theo trạng thái kênh. Để thực hiện điều này thì phía phát phải biết trạng thái kênh trước khi truyền dẫn, và thông tin về kênh phải tuyệt đối chính xác. Phương pháp xác định trạng thái kênh còn được gọi là ước lượng kênh. Có hai phương pháp ước lượng kênh khác nhau, cách thứ nhất là phía phát nhận thông tin hồi tiếp về kênh từ phía thu, cách thứ hai là phía phát tự ước lượng kênh. Tuy nhiên đồ án sẽ tập trung vào phương pháp thứ nhất. 4.4 Chu trình hoạt động của hệ thống AOFDM Chu trình hoạt động của hệ thống AOFDM bao gồm 3 bước cơ bản: -Ước lượng chất lượng kênh -Chọn các tham số cho quá trình phát tiếp theo -Báo hiệu hay tách sóng mù về các tham số được sử dụng 4.4.1 Ước lượng chất lượng kênh Chương 4: Một số phương pháp thích nghi sử dụng trong hệ thống OFDM - 42 - Ước lượng chất lượng kênh là nhiệm vụ quan trọng đầu tiên quyết định tới chất lượng của hệ thống. Để chọn được các tham số phát phù hợp cho lần truyền dẫn tiếp theo, cần phải ước lượng tương đối chính xác hàm truyền của kênh trong suốt khe thời gian truyền tiếp theo. Phần ước lượng kênh đã được trình bày trong chương 3 của đồ án. 4.4.2 Chọn các tham số cho quá trình phát tiếp theo Dựa trên việc dự đoán chất lượng của kênh trong khe thời gian tiếp theo, máy phát cần lựa chọn các phương thức điều chế hay mã hóa phù hợp cho các sóng mang con. Bước tiếp theo này phụ thuộc vào chất lượng của các bộ điều chế hay mã hóa được sử dụng. 4.4.3 Báo hiệu hay tách sóng mù các tham số được sử dụng Trong quá trình thích nghi, máy phát và máy thu cần phải báo hiệu cho nhau về tình trạng kênh hay về tham số của bộ giải điều chế được sử dụng cho gói tin đã nhận được. Thông tin này có thể được tải trong bản thân symbol OFDM nhờ các sóng mang Pilot hoặc các sóng mang dữ liệu. Để đơn giản hóa nhiệm vụ báo hiệu, có thể tiến hành thích nghi OFDM trên cơ sở băng con hoặc chọn các sơ đồ tách sóng mù để cần rất ít hoặc không cần các thông tin báo hiệu. 4.5 Một số cơ chế thích nghi được sử dụng trong hệ thống OFDM Điều chế thích nghi cho phép tối ưu hoá chất lượng dịch vụ BER (QoS) và thông lượng truyền dẫn (BPS). Muốn vậy, cần phải thích nghi các thông số điều chế theo Chương 4: Một số phương pháp thích nghi sử dụng trong hệ thống OFDM - 43 - chất lượng của kênh truyền. Tồn tại nhiều cơ chế thích nghi như: mức điều chế, sơ đồ điều chế, SNR phát, số lượng sóng mang, vị trí sóng mang, tỷ lệ mã, tốc độ trải phổ…Các thuật toán này được xây dựng trên cơ sở làm thay đổi một hay một số các tham số điều chế thích nghi với trạng thái của kênh. Ở đây, ta xét một số cơ chế điển hình. 4.5.1 Thích nghi theo SNR phát trên mỗi sóng mang Ảnh hưởng của kênh vô tuyến lên chất lượng truyền dẫn: Do tính chọn lọc tần số của kênh vô tuyến nghĩa là hàm truyền đạt kênh truyền không bằng phẳng dẫn đến các thành phần tần số của tín hiệu tin nằm trong khoảng lồi lõm của đặc tuyến hàm truyền đạt kênh bị thăng giáng tương ứng. Hậu quả làm cho BER tăng (giảm QoS). Giải pháp khắc phục hiện tại: Dùng các bộ cân bằng kênh và cân bằng kênh thích nghi trong miền tần số song hiệu quả thấp vì một khi tốc độ dữ liệu cao thì các bộ cân bằng sẽ không thể san phẳng toàn bộ đáp ứng kênh. Phương pháp làm tăng giảm SNR của các sóng mang con theo các vùng tần số lồi lõm của hàm truyền đạt kênh nghĩa là: sẽ tăng công suất phát cho các sóng mang con ở các thành phần tần số nằm trong khoảng lõm của đáp ứng kênh và ngược lại làm giảm công suất phát của các sóng mang đối với thành phần tần số nằm trong khoảng lồi của đáp ứng kênh. Chương 4: Một số phương pháp thích nghi sử dụng trong hệ thống OFDM - 44 - Giải pháp tăng hay giảm công suất phát đối với từng thành phần sóng mang con trong hệ thống OFDM rất phức tạp do đó tiến hành bằng cách tăng hoặc giảm năng lượng cho các thành phần tần số sóng mang con tại bộ điều chế sóng mang con (xem lại chương 2) bằng cách thay đổi tham số trải phổ cho từng thành phần sóng mang. Theo đó, tăng công suất bằng cách tăng giá trị của tham số trải phổ và giảm công suất bằng cách giảm giá trị tham số trải phổ. Tuy nhiên quá trình tính toán để tìm ra SNR cho từng thành phần tần số phía thu rất phức tạp. Nhận xét: Mặc dù phương pháp này rất tốt đối với kênh pha đinh Rayleigh, tuy nhiên quá phức tạp và yêu cầu khối lượng xử lý lớn. Thực tế hay dùng phương pháp thích nghi theo cơ chế chuyển mức điều chế. 4.5.2 Thích nghi theo cơ chế chuyển mức điều chế Trong hệ thống OFDM dữ liệu trước khi điều chế ký hiệu OFDM đều được điều chế sóng mang con. Có các sơ đồ điều chế chuyển mức khác nhau được sử dụng trong hệ thống OFDM như: M-PSK, M-ASK, M-QAM. Tùy thuộc điều kiện kênh truyền hay yêu cầu tiết kiệm năng lượng mà ta sẽ chọn sơ đồ điều chế phù hợp. Thông thường mức điều chế sẽ dựa trên cơ sở BER phía thu (hay SNR phía thu). Tuy nhiên với điều kiện kênh truyền xấu thì thường lựa chọn sơ đồ BPSK. Dưới đây là các mức SNR thu để điều khiển các mức điều chế (bảng 4.1). Chương 4: Một số phương pháp thích nghi sử dụng trong hệ thống OFDM - 45 - Trong đó k là dải động điều khiển công suất, dải động càng cao thì vùng điều khiển công suất sẽ càng lớn, thông thường k được thiết lập trong đoạn [0.5;1]. Các ngưỡng được ấn định như sau: l 1 =- , l 2 =8db, l 3 =14db, l 4 =20db cho sơ đồ AQAM không bị chặn, trong đó số liệu được truyền thường xuyên. Tương tự đối với sơ đồ AQAM có chặn, các mức ngưỡng là l 1 =5db, l 2 =8db, l 3 =14db, l 4 =20db, trong đó máy phát bị cấm khi công suất tức thời thấp hơn l 1 . Ta coi rằng tại máy thu ước tính và bù trừ chất lượng kênh băng hẹp là hoàn hảo. Mũi tên kí hiệu cho giảm công suất. Hình 4.3 sẽ diễn tả trực quan cơ chế này. Bảng 4.1 Điều khiển mức điều chế dựa trên các mức SNR thu Mức SNR Không phát BPSK 4QAM 16QAM 64QAM Dưới l 1 -k Không phát Không phát Không phát Không phát Không phát l 1 -k đến l 1 Không phát Không phát Không phát Không phát Không phát l 1 đến l 1 +k Không phát Không phát Không phát Không phát Không phát l 1 +k đến l 2 - k BPSK BPSK BPSK BPSK BPSK l 2 -k đến l 2 BPSK BPSK BPSK BPSK BPSK l 2 đến l 2 +k BPSK BPSK BPSK BPSK BPSK l 2 +k đến l 3 - k 4QAM 4QAM 4QAM 4QAM 4QAM l 3 -k đến l 3 4QAM 4QAM 4QAM 4QAM 4QAM l 3 đến l 3 +k 4QAM 4QAM 4QAM 4QAM 4QAM l 3 +k đến l 4 - k 16QAM 16QAM 16QAM 16QAM 16QAM l 4 -k đến l 4 16QAM 16QAM 16QAM 16QAM 16QAM l 4 đến l 4 +k 16QAM 16QAM 16QAM 16QAM 16QAM Trên l 4 +k 64QAM 64QAM 64QAM 64QAM 64QAM . hành thích nghi OFDM trên cơ sở băng con hoặc chọn các sơ đồ tách sóng mù để cần rất ít hoặc không cần các thông tin báo hiệu. 4 .5 Một số cơ chế thích nghi được sử dụng trong hệ thống OFDM. xây dựng trên cơ sở làm thay đổi một hay một số các tham số điều chế thích nghi với trạng thái của kênh. Ở đây, ta xét một số cơ chế điển hình. 4 .5. 1 Thích nghi theo SNR phát trên mỗi sóng. Tham số điều chế = f (tham số kênh) Quá trình thích nghi sẽ được thực hiện theo lưu đồ thuật toán H 4.1 Hình 4.1 Lưu đồ thuật toán điều chế thích nghi Chương 4: Một số phương pháp thích nghi