tìm hiểu một số thích nghi sự dụng trong ofdm 4 pdf

Chương 3: Ước tính chất lượng kênh và cân bằng kênh - 28 - CHƯƠNG 3 ƯỚC TÍNH CHẤT LƯỢNG KÊNH VÀ CÂN BẰNG KÊNH 3.1 Giới thiệu chương Thích nghi các thông số điều chế và các thông số của OFDM theo thông số của kênh pha đinh để có được hiệu năng QoS (BER) và thông lượng truyền dẫn cao nhất yêu cầu trước hết ta phải biết được thông số đặc trưng của kênh liên quan đến hiệu năng hệ thống. Vì vậy cần phải có các giải pháp ước tính chất lượng kênh. Theo đó chương này đề cập một số phương pháp ước tính chất lượng kênh và cân bằng kênh. 3.2 Khái niệm Ước lượng kênh (Channel estimation) trong hệ thống OFDM là xác định hàm truyền đạt của các kênh con và thời gian để thực hiện giải điều chế bên thu khi bên phát sử dụng kiểu điều chế kết hợp (coherent modulation). Để ước lượng kênh, phương pháp phổ biến hiện nay là dùng tín hiệu dẫn đường (PSAM-Pilot signal assisted Modulation). Trong phương pháp này, tín hiệu pilot bên phát sử dụng là tín hiệu đã được bên thu biết trước về pha và biên độ. Tại bên thu, so sánh tín hiệu thu được với tín hiệu pilot nguyên thủy sẽ cho biết ảnh hưởng của các kênh truyền dẫn đến tín hiệu phát. Ước lượng kênh có thể được phân tích trong miền thời gian và trong miền tần số. Trong miền thời gian thì các đáp ứng xung h(n) của các kênh con được ước lượng. Trong miền tần số thì các đáp ứng tần số H(k) của các kênh con được ước lượng. Có hai vấn đề chính được quan tâm khi sử dụng PSAM : Chương 3: Ước tính chất lượng kênh và cân bằng kênh - 29 -  Vấn đề thứ nhất là lựa chọn tín hiệu pilot : phải đảm bảo yêu cầu chống nhiễu, hạn chế tổn hao về năng lượng và băng thông khi sử dụng tín hiệu này. Với hệ thống OFDM, việc lựa chọn tín hiệu pilot có thể được thực hiện trên giản đồ thời gian-tần số, vì vậy OFDM cho khả năng lựa chọn cao hơn so với hệ thống đơn sóng mang. Việc lựa chọn tín hiệu pilot ảnh hưởng rất lớn đến các chỉ tiêu hệ thống.  Vấn đề thứ hai là việc thiết kế bộ ước lượng kênh : phải giảm được độ phức tạp của thiết bị trong khi vẫn đảm bảo được độ chính xác yêu cầu. Yêu cầu về tốc độ thông tin cao (tức là thời gian xử lý giảm) và các chỉ tiêu hệ thống là hai yêu cầu ngược nhau. Chẳng hạn, bộ ước lượng kênh tuyến tính tối ưu (theo nguyên lý bình phương lỗi nhỏ nhất-MMSE) là bộ lọc Wiener hai chiều (2D- Wiener filter) có chỉ tiêu kỹ thuật rất cao nhưng cũng rất phức tạp. Vì vậy, khi thiết kế cần phải dung hòa hai yêu cầu trên. 3.3 Ước lượng kênh trong miền tần số Trong miền tần số, ước lượng kênh được thực hiện như sau : Một ký tự OFDM đã được xác định trước về pha và biên độ (gọi là ký tự huấn luyện-training symbol) được phát đi. Tại bộ ước lượng kênh, thu ký tự này tại hai thời điểm liên tiếp nhau và so sánh với ký tự ban đầu để xác định đáp ứng tần số H(k) của các kênh con. Chẳng hạn, tại bộ ước lượng kênh, ở kênh con thứ k, thu được hai ký tự là R 1 (k) và R 2 (k) với ký tự huấn luyện được phát là X(k), ta có biểu thức : R 1 (k) = H(k)X(k) + W 1 (k) (3.1) R 2 (k) = H(k)X(k) + W 2 (k) (3.2) Chương 3: Ước tính chất lượng kênh và cân bằng kênh - 30 - X(k) : ký tự phức huấn luyện phát trên kênh con thứ k H(k) : đáp ứng tần số của kênh con thứ k W 1 (k), W 2 (k) : các mẫu nhiễu Gaussian trắng cộng tác động vào kênh con thứ k tại hai thời điểm liên tiếp khảo sát. Từ (3.1) và (3.2), bộ ước lượng kênh sẽ xác định : )())()(()( * 21 2 1 kXkRkRkH   )())(W)()()(W)()(( * 21 2 1 kXkkXkHkkXkH  )())(W)(W()()( * 21 2 1 2 kXkkkXkH  )())(W)(W()( * 21 2 1 kXkkkH  (3.3) (Lưu ý rằng : biên độ của các X(k) được chọn bằng 1) Từ công thức (3.3), nếu biết trước ký tự phát X(k), các mẫu nhiễu W 1 (k), W 2 (k), ta có thể xác định được đáp ứng tần số của kênh con thứ k. 3.4 Ước lượng kênh trong miền thời gian Ước lượng kênh thực hiện trong miền thời gian sẽ giúp xác định được đáp ứng xung của từng kênh con. Cũng tương tự như ước lượng kênh trong miền tần số, người ta cũng sử dụng các ký tự huấn luyện đã biết trước và từ kết quả so sánh giữa các ký tự thu được tại bộ ước lượng, các đáp ứng xung h(n) của những kênh con được ước lượng. Các biểu thức xác định mối quan hệ giữa hai ký tự thu được tại hai thời điểm liên tiếp nhau và ký tự huấn luyện phát đi là : r 1 (n) = h  x(n) + w 1 (n) (3.4) r 2 (n) = h  x(n) + w 2 (n) (3.5) Chương 3: Ước tính chất lượng kênh và cân bằng kênh - 31 - Trong hai công thức trên, ta thấy đều xuất hiện tổng chập trong miền thời gian. Gọi L là chiều dài đáp ứng xung lớn nhất mà có thể ước lượng trên các kênh con, L nhỏ hơn rất nhiều so với chiều dài N của tín hiệu vào x(n), tín hiệu ra y(n). Theo công thức tính tổng chập và công thức (2.9), suy ra đáp ứng xung của các kênh con có dạng là một ma trận ( 1  N ), và các mẫu tín hiệu x(n) được tổ chức thành ma trận chữ nhật ( LN  ) có dạng như sau :                    )()2()1( )1()3()2( )2( )0()1( )1( )1()0( LNxNxNx LNxNxNx LNxxx LNxNxx X Và dạng của ma trận h là :                   )1( )3( )2( )1( Lh h h h h  Các công thức (3.4), (3.5) được viết lại : r 1 (n) = Xh + w 1 (n) (3.6) r 2 (n) = Xh + w 2 (n) (3.7) Từ (3.6) và (3.7), bộ ước lượng sẽ xác định ))()(()( 21 1 2 1 nrnrXnh      XhX ( 1 2 1 ))()( 21 nwXhnw  ( 1 2 1 1   XXhX ))()( 21 nwnw  ( 1 2 1   Xh ))()( 21 nwnw  (3.8) Chương 3: Ước tính chất lượng kênh và cân bằng kênh - 32 - Từ công thức (3.8), nếu xác định trước ma trận X và các mẫu nhiễu cộng w 1 (n), w 2 (n) thì có thể xác định được đáp ứng xung h(n) của các kênh con. 3.5 Cân bằng kênh Trong hệ thống truyền dẫn vô tuyến số thì biên độ và pha tín hiệu sẽ bị méo do đặc tính phân tán của kênh. Tính chất này gây ra ISI cho ký hiệu thu, tuy nhiên có thể khôi phục những tín hiệu như vậy nếu chúng bị méo tuyến tính bằng cách dùng một bộ cân bằng. Bộ cân bằng có thể là bộ lọc FIR/IIR tuyến tính hay bộ lọc không tuyến tính(decision feedback) hay là các bộ cân bằng . Bộ lọc FIR tuyến tính như ZF (Zero-forcing), MMSE. Hình dưới đây chỉ ra sơ đồ hệ thống truyền dẫn sử dụng bộ cân bằng: Hình 3.1 Sơ đồ hệ thống truyền dẫn sử dụng bộ cân bằng Trong đó H(f), C(f) là hàm truyền đạt của kênh và của bộ cân bằng, s(k), và   ks ˆ là tín hiệu phát và tín hiệu sau cân bằng. 3.5.1 Bộ cân bằng ZF Bộ cân bằng ZF được thiết kế và được tối ưu bằng cách sử dụng tiêu chuẩn cưỡng bức về không, tức là buộc tất cả các đóng góp xung kim của phía phát, kênh và bộ cân bằng đều bằng 0 tại các thời điểm truyền dẫn nT ( 0  n ), trong đó T là Chương 3: Ước tính chất lượng kênh và cân bằng kênh - 33 - khoảng thời gian truyền dẫn. Nhờ tính chất này mà ZF đảm bảo ISI xấp xỉ bằng 0. Trong miền tần số ZF được miêu tả bằng quan hệ:     1fCfH  (3.9) Hay     fH 1 fC  (3.10) Vì thế bộ cân bằng trở thành bộ lọc FIR (đáp ứng xung kim hữu hạn). Phân tích bộ lọc dựa trên nghiên cứu MSE được cho bởi:           22 ksss ˆ EkeE  (3.11)       ksss ˆ ke  (3.12) Trong đó     E là giá trị lấy kỳ vọng của (.) và e đại diện cho giá trị lỗi tín hiệu tại phía thu. Mặt khác:             kcknkckhksks ˆ  (3.13) Trong miền tần số sẽ là:             fCfNfCfHfSfS ˆ  (3.14) Thay (3.19) vào (3.24) ta được:               fE fH fN fCfNfSfS ˆ  (3.15) Chương 3: Ước tính chất lượng kênh và cân bằng kênh - 34 - Trong đó E(f) là biến đổi Fourier của e(k). E(f) là mật độ công suất tín hiệu lỗi, sử dụng định lý Parseval ta có sai lỗi trung bình bình phương trong miền thời gian sẽ là:         df fH fN TdffETeE T2 1 T2 1 2 2 T2 1 T2 1 2 2    (3.16) Nếu N(f) là mật độ phổ công suất hai phía N 0 /2 thì:     df fH 1 2 TN eE T2 1 T2 1 2 0 2    (3.17) Ưu điểm của bộ cân bằng ZF là bù đáp ứng kênh tại vị ví đáp ứng kênh bị suy giảm, tuy nhiên cả tín hiệu và tạp âm đều được tăng cường vì vậy sẽ giảm hiệu năng của bộ cân bằng. MSE đầu ra bộ cân bằng chỉ gồm có nhiễu do đó hoàn toàn loại bỏ ảnh hưởng của ISI. Vì thế mà MSE đầu ra bộ cân bằng có thể dùng để đo mức tạp âm gây ra bởi bộ cân bằng. Một vấn đề nữa là nếu đáp ứng của kênh có điểm ‘0’ thì tại đó MSE sẽ vô cùng, làm cho bộ cân bằng không tin cậy nữa. Để khắc phục hạn chế này sẽ dùng một kỹ thuật cân bằng là LMSE. Chương 3: Ước tính chất lượng kênh và cân bằng kênh - 35 - 3.5.2 Bộ cân bằng bình phương lỗi trung bình tuyến tính LMSE Hình 3.2 Sơ đồ bộ cân bằng trung bình lỗi bình phương tuyến tính Trong đó nk C,r tương ứng là tín hiệu thu và tham số bộ cân bằng. Bộ cân bằng gồm 2N+1 nhánh, đước đánh thứ tự từ 1N C  đến 1N C  và C 0 là nhánh trung tâm của bộ cân bằng. Có thể tính toán các hệ số của bộ cân bằng theo hai cách: Cách thứ nhất tính C m bằng cách đặt MSE trong (3.21) bằng ‘0’ và sau đó giải phương trình này. Cách thứ hai dựa trên hoạt động trực giao, khi coi rằng lỗi dư của bộ cân bằng trực giao với tín hiệu đầu vào bộ cân bằng, vì thế ta có:   0reE * lkk   (3.18) Từ hình 3.2, tín hiệu sau khi cân bằng sẽ là:        1N 1Nm mkmk rCs ˆ (3.19) Tín hiệu thu sẽ là: k 1L 0i ikik nshr c      (3.20) Chương 3: Ước tính chất lượng kênh và cân bằng kênh - 36 - Trong đó h i là CIR nhánh thứ i, L c là chiều dài CIR. Sử dụng phương trình (3.11), (3.12) và (3.20) ta có:                                                 1N 1Nm 1L 0j 1L 0i * lk * ilk * imkjmkjm 1L 0i * lk * ilk * ik * lkk c c c nshnshCE nshsEreE (3.21) Giả sử các bit phát là dừng theo nghĩa rộng, khi đó:         ji0 ji ssE 2 s * ji (3.22) Trong đó 2 s  là công suất phát tín hiệu, vì tạp âm không tương quan nên ta có:         ji0 jiN nnE 0 * ji (3.23) Thay (3.22) và (3.23) vào tổng thứ nhất của vế phải (3.31) sẽ được:   * l 2 s 1L 0i * lk * ilk * ik hnshsE c             (3.24) Phần tổng thứ hai của vế phải (3.21) với cách tính tương tự sẽ được:                                               1N 1Nm 1L 1i lm0 2 slim * im 1N 1Nm 1L 0j 1L 0i * lk * ilk * imkjmkjm c c c NhhC nshnshCE (3.25) Trong đó  là hàm delta dirac. Khi thay phương trình (3.24) và (3.25) vào (3.21) ta được: . được phân tích trong miền thời gian và trong miền tần số. Trong miền thời gian thì các đáp ứng xung h(n) của các kênh con được ước lượng. Trong miền tần số thì các đáp ứng tần số H(k) của các. TÍNH CHẤT LƯỢNG KÊNH VÀ CÂN BẰNG KÊNH 3.1 Giới thiệu chương Thích nghi các thông số điều chế và các thông số của OFDM theo thông số của kênh pha đinh để có được hiệu năng QoS (BER) và thông. phải dung hòa hai yêu cầu trên. 3.3 Ước lượng kênh trong miền tần số Trong miền tần số, ước lượng kênh được thực hiện như sau : Một ký tự OFDM đã được xác định trước về pha và biên độ (gọi